Исследование частотной зависимости магнитной проницаемости и тангенса угла магнитных потерь ферритов и магнитодиэлектриков

Лабораторная работа

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Целью работы является определение динамической магнитной проницаемости и тангенса угла магнитных потерь магнитомягких фер­ритов и магнитодиэлектриков и исследование зависимости этих пара­метров от частоты.

2. ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

 

2.1. Ознакомиться с основными теоретическими положениями к работе.

2.2. Ознакомиться с методикой измерения.

2.3. Подготовить измеритель добротности к работе.

2.4. Исследовать частотную зависимость индуктивности и доб­ротности катушек с кольцевыми магнитопроводами.

 

Вариант 1. Материалы магнитопроводов - феррит типа2000 НМ, 2000 НН и магнитодиэлектрик на основе или альсифера типа ТЧ 60, или карбонильного железа типа ПЧ, Р2.

Вариант 2. Материалы магнитопроводов – ферриты 400 НН, 200 НМ и 600 НМ, 600 НН.

 

2.5. Рассчитать динамическую магнитную проницаемость и тан­генс угла магнитных потерь материалов магнитопроводов.

2.6. Построить графики частотной зависимости динамической магнитной проницаемости и тангенс угла магнитных потерь исследо­ванных материалов.

2.7. Проанализировать полученные результаты.

 

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ К РАБОТЕ

 

Магнитно-мягкие ферриты и магнитодиэлектрики представляют собой высокочастотные магнитные материалы.

Ферриты – это поликристаллические вещества, являющиеся химическими соединениями окиси железа Fe₂ O₃с окислами других металлов; получаются спеканием при высокотемпературном обжиге (по технологии керамики).

Магнитодиэлектрики – это неоднородные материалы, содержащие магнитную фазу в виде зерен ферромагнетика, изолированных друг от друга пленкой диэлектрического немагнитного связующего; полу­чаются прессованием (по технологии пластмасс).

По природе своего магнетизма ферриты относятся к антиферромагнетикам, т.е. веществам, у которых нескомпенсированные спины электронов соседних магнитных катионов (Fe ⁺³ , Ni ⁺² , Co ⁺² ,Мп⁺²) ориентируются антипараллельно. Результирующим магнитным моментом и спонтанной намагниченностью обладают лишь те соединения, у ко­торых магнитные моменты катионов одного направления преобладают над магнитными моментами катионов антипараллельного направления. Такие нескомпенсированные антиферромагнетики называются ферримагнетиками, они обладают магнитными свойствами, подобными ферромаг­нетикам, и к ним принадлежит большая часть ферритов.

Широкое распространение получили ферриты двухвалентных ме­таллов, кристаллизующиеся в структуру минерала шпинели, с общей формулой Me ⁺² O · Fe ₂ ⁺³ O ₃ –феррошпинели. Из них магнитными являются ферриты с характеризующими ионами:Ni ⁺² ,Мп⁺2, Cu ⁺² , Mn ⁺² , Co ⁺² , Fe ⁺² ,а также ферриты одновалентного лития Li ₂ ⁺¹ О·( Fe ₂ O ₃ )₅ ; они имеют структуру обращенной шпинели. Не магнитны ферриты с характеризую­щими ионами Z п⁺² и Cd ⁺² со структурой нормальной шпинели.

В кубической решетке феррошпинелей можно выделить две подрешетки А и В, в которых тем или иным образом в зависимости от радиуса располагаются катионы Fe ⁺³ и характеризующего металла Me⁺². Магнитные моменты катионов, расположенных в разных подрешетках А и В, всегда антипараллельны, в то время как в пределах од­ной подрешетки, например В, они могут быть параллельны.

В технике широко применяются двойные ферриты, представляю­щие собой твердые растворы магнитного и немагнитного феррита, - никель-цинковые, марганцово-цинковые, литиево-цинковые.

Ферриты в постоянном поле имеют невысокую индукцию насыще­ния В ~ 0,15 ÷ 0,5Тл, что значительно ниже B_s магнитных сплавов, у которых эта величина может достигать значений 2,45Тл. Однако в переменных полях высокой частоты у сплавов вследствие размагни­чивающего действия вихревых токов В сильно падает. В ферритах вследствие их высокого удельного сопротивления (10³-10¹²Ом·см) вихревые токи пренебрежимо малы, поэтому ферриты сохраняют свои магнитные свойства в полях высокой частоты. У промышленных фер­ритов начальная магнитная проницаемость μ_нач достигает 6000, максимальная μ_max–15000.

С повышением температуры магнитная проницаемость ферритов растет, достигая максимума в точке Кюри (рис.6.1), поэтому тем­пературный коэффициент проницаемости у них положительный:

ТКμ ~ 10^-3 - 10^-2 1/град.

 

 

6.1.Температурная зависимость магнитной проницаемости

 

С повышением частоты величина μ вначале остается постоян­ной, а затем снижается, одновременно сильно возрастает тангенс угла магнитных потерь tg δ _μ  (рис.6.2.). Граничной частотой рабочего диапазона считается та частота, при которой tg δ _μ достигает значения 0,1. Наблюдается определенная связь между начальной проницаемостью μ _нач иf _гр: чем выше μ _нач тем ниже f _гр .

В обозначении феррита первые цифры указывают начальную маг­нитную проницаемость, Н - низкочастотный, вторая буква Н -нике­лево-цинковый, М–марганцево-цинковый, ВЧ – высокочастотный.

Для изготовления магнитодиэлектриков в качестве порошкообразной магнитной фазы используют материалы с высокой проницаемостью: альсифер (μ _нач= 3·10⁴), карбонильное железо (μ _нач =3·10³), реже высоконикелевый пермаллой (μ _нач~ 10⁴-10⁵) и высокопроницаемые ферриты. В качестве связующего используют для низкочастотных сер­дечников, в основном, формальдегидные и эпоксидные смолы, для вы­сокочастотных – полистирол.

Эффективная магнитная проницаемость для магнитодиэлектрика из-за наличия немагнитного связующего не велика μ _эф~5 –80. Достоинства их состоят в том, что они имеют высокое эффективное удельное сопротивление (до 10¹⁶Ом·см), малые магнитные и диэлектрические потери и, что особенно важно, высокую температурную и временную стабильность магнитных параметров. Благодаря этому они в ряде случаев применяются вместо ферритов.

 

 

 

Рис.6.2. Частотные характеристики μ _нач и tg δ _μ ферритов

 

 

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

 

Измерения параметров катушек индуктивности с магнитопрово­дами из исследуемых материалов проводятся с помощью измерителя добротности (см. работу 3).

4.1. Ознакомиться с принципом работы измерительного прибора с помощью инструкции, имеющейся на рабочем месте, ознакомиться с расположением ручек регулировки измерителя добротности. Подгото­вить прибор к работе.

4.2. Исследовать частотную зависимость индуктивности и доб­ротности катушек с магнитопроводами из исследуемых материалов. Частотный диапазон, в котором проводится измерение, и шаг изме­рения частоты ∆ f указаны на корпусе катушки. Исследуемую ка­тушку подключить к клеммам "L _x " прибора. В соответствии с инст­рукцией по эксплуатации измерителя добротности, имеющейся на рабочем месте, установить требуемую частоту, настроить контур в ре­зонанс изменением емкости и провести измерение резонансных - емкос­ти и добротности. Данные измерений занести в табл. 6.1.

Таблица 6.1

 

 

а =100001/мГн; r к =0,253 Ом; С(0) = 6,3 пФ
f кГц	С пФ	Q	L мГн	μ~	tg δ μ
1,5	222	60
1,9	137	70
2,4	64	68
2,9	56	58
3,4	40	44
4	28	24

 

 

Значение индуктивности катушки определяется на основе измеренной резонансной емкости С по формуле,

 

 

Где:

f – частота, кГц;

С₀– собственная емкость катушки, пФ;

С _э – определяется из выражения, пФ,

 

 

При значениях С, меньших 100 пФ, можно считать .

 

4.3. Рассчитать динамическую магнитную проницаемость μ _~и тангенс угла магнитных потерь tg δ _μ материалами магнитопровода.

Величинаμ _~вычисляется по формуле:

 

μ_~ = a · L,

где а– множитель, определяемый размерами магнитоцровода и чис­лом витков катушки, 1/мГ; его величина указана на корпусе катуш­ки;

L–индуктивность катушки, мГ

 

 

Значение tg δ _μматериала магнитопровода определяется из зна­чения Q добротности катушки по формуле:

 

где r _к – сопротивление обмотки катушки, Ом;

f –частота, кГц;

L–индуктивность катушки, мГ.

4.4. Построить графики частотной зависимости μ _~иtg δ _μисследованных материалов. Графики μ _~ = φ ( f ) и tg δ _μ= φ ( f )для обоих исследованных материалов нужно построить совместно в одной системе координат, подобрав соответствующим образом масштаб. Это облегчит сравнение частотных характеристик материалов.

4.5. Проанализировать полученные результаты.

Рекомендуется сопоставить полученные экспериментально зави­симости динамической магнитной проницаемости и тангенса угла маг­нитных потерь исследованных ВЧ магнитных материалов с известными положениями теории.

На основании изменений μ_~ , tg δ _μс частотой оценить критическую чacтоту f_к материала по резкому изменению одной из характе­ристик.

 

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

Отчет должен содержать цель работы, таблицу результатов из­меренийС = φ(f) кГц и Q = φ(f)кГц, расчеты μ _~ и tg δ _μи графики зависимостей μ _~ = φ ( f ) и tg δ _μ= φ ( f ), а также анализ полученных результатов.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какой химический состав и структура ферритов?

2. Что такое магнитодиэлектрики?

3. Почему ферриты и магнитодиэлектрики сохраняют свои маг­нитные свойства на высоких частотах?

4. В чем заключается особенность природы магнетизма ферри­тов?

5. Что такое граничная и критическая частоты ферритов?