Методическое пособие к лабораторным работам №5 9 для студентов II курса

2. Теоретическое введение

Для работы в области высоких (ВЧ) и сверхвысоких (СВЧ) частот используются магнитные материалы с низкой электропроводностью – ферриты. У этих материалов резко увеличенное удельное сопротивление по сравнению с металлическими ферромагнетиками, следовательно, чрезвычайно малые потери на вихревые токи. Поэтому рабочие частоты ферритов могут достигать сотен мегагерц (диапазон СВЧ).

По химическому составу ферриты представляют собой системы двойных окислов, образуемые окислами железа Fe₂O₃ и окислами двухвалентных, а иногда и одновалентных, металлов. Общая формула наиболее обширной группы ферритов записывается следующим образом: MeO•Fe₂O₃, где Me – символ иона двухвалентного металла (Ni, Co, Mn, Mg и т.п.). Эта химическая формула простых ферритов. В технике широкое применение нашли смешанные ферриты, представляющие собой твердые растворы двух или нескольких простых ферритов.
Магнитные свойства ферритов обусловлены тем, что в их состав входят атомы элементов переходных групп, имеющие в оболочках недостроенные электронные d- или f – атомные орбитали. Нескомпенсированные спины электронов таких оболочек взаимно ориентируются в кристаллической решетке посредством обменных сил, имеющих квантово-механическую природу. Ферриты, являющиеся нескомпенсированными антиферромагнетиками (ферримагнетиками), имеют две (или более) взаимно проникающие магнитные подрешетки, каждая из которых в отсутствие внешнего магнитного поля обладает спонтанной намагниченностью, а магнитный момент одной из подрешеток больше, чем другой.
Примером феррита может служить соединение оксида железа с оксидом никеля. Такой феррит называется ферритом никеля с химической формулой вида NiFe₂O₄. Чтобы понять природу ферримагнетизма, необходимо рассмотреть структуру кристалла феррита, элементарная ячейка которого представляет собой куб, содержащий восемь структурных единиц NiFe₂O₄. Тридцать два отрицательных иона кислорода расположены так, что они соприкасаются друг с другом, в промежутках между ними расположены положительные ионы железа и никеля. В восьми промежутках расположена половина ионов Fe⁺³, каждый из которых окружен четырьмя ионами кислорода. Такое положение ионов железа называют А-положением. Эти ионы имеют ориентацию магнитных моментов в одном направлении и образуют первую подрешетку. В шестнадцати других промежутках расположена другая половина ионов Fe⁺³ и восемь ионов Ni⁺², каждый из которых окружен шестью ионами кислорода. Такое положение ионов называют В-положением. Эти ионы образуют вторую подрешетку, в которых магнитные моменты имеют направление, противоположное направлению магнитных моментов в первой подрешетке. Учитывая описанный характер распределения ионов и используя стрелки для указания направлений магнитных моментов, структурную формулу феррита можно представить в виде:

Здесь в круглых скобках указаны ионы в А-положении, а в квадратных скобках указаны ионы в В-положении. При указанной структуре магнитные моменты трехвалентных ионов железа компенсируются, и спонтанное намагничивание вызывается магнитными моментами двухвалентных ионов никеля.

В области высоких частот величина  с увеличением частоты вначале почти не изменяется, а затем начинает снижаться (рис. 14), при этом резко возрастает тангенс угла потерь. Частота, при которой наблюдается уменьшение магнитной проницаемости или возрастание тангенса угла потерь, называется критической или граничной и означает верхний предел частотного диапазона применения данного феррита. Для определенности ввели понятие критической частоты f_кр, при которой tg_ = 0.1. Причины резкого возрастания потерь весьма сложны и объясняются главным образом релаксационными и резонансными явлениями.
Влияние температуры на основные свойства ферритов сходно со всеми магнитными материалами. При некоторой температуре, называемой точкой Кюри, все ферромагнетики и ферримагнетики теряют свои магнитные свойства, а при более высокой температуре ведут себя как парамагнетики.