Общие сведения о ферритах. 1 Структура шпинели
 Скачать 339.33 Kb.
|
1 2 Анализ полученных значений зависимости намагниченности насыщения образцов ферритов от температуры эксперимента показал, что увеличение в исследованных ферритах содержания феррита-алюмината Al2O3*Fe2O3 понижает магнитное насыщение, за исключением составов, в которых обнаруживается присутствие MgO*Fe2O3 - Al2O3*Fe2O3, для которых величина намагниченности остаётся практически постоянной. При составе феррита NiO*Fe2O3 - MgO*Fe2O3 уменьшение намагниченности насыщения происходит примерно пропорционально содержанию Al2O3*Fe2O3. [12]. Замещение в магниевом феррите немагнитных ионов магния немагнитными же ионами алюминия не должно изменять молекулярного магнитного момента, если не происходит перераспределения ионов железа. Феррит никеля имеет структуру обращённой шпинели Fe[NiFe]O4. Замещение магнитных ионов Ni2+ немагнитными ионами Al3+ приводит к наблюдаемому уменьшению магнитного насыщения ферритов. Из проведённого эксперимента следует, что для ферритов состава (1 - X) NiO*Fe2O3 - X Al2O3*Fe2O3 температурный коэффициент магнитного насыщения (dJ/dT) по модулю уменьшается с увеличением X, а для ферритов с содержанием более 30 молярных % Al2O3*Fe2O3 при низких температурах принимал положительные значения. Из анализа приведённых кривых следует, что при низких температурах у ферритов с содержанием Al2O3*Fe2O3 более 30 % изменение соотношения NiO*Fe2O3 и MgO*Fe2O3 приводит к изменению температурного коэффициента намагниченности от отрицательных значений к положительным. Вид кривой температурной зависимости намагниченности ферритов зависит от параметров обменного взаимодействия и парциальных намагниченностей магнитных подрешёток. По Неелю, для ферритов с положительным (при низких температурах) температурным коэффициентом намагниченности взаимодействие ионов, расположенных в тетраэдрических промежутках, должно быть слабее, чем в октаэдрических промежутках. При этом намагниченность октаэдрической подрешётки при абсолютном нуле должна быть больше намагниченности подрешётки тетраэдрической А. Наличие в системе NiO*Fe2O3 - MgO*Fe2O3 - Al2O3*Fe2O3 ферритов с изменяющимся по знаку температурным коэффициентом магнитного насыщения представляет и практический интерес для применений в ферритовых устройствах, требующих в некотором интервале температурной стабильности величины dJ/dT. Например, у феррита, соответствующего составу 0,5 NiO*Fe2O3 - 0,5 Al2O3*Fe2O3, намагниченность в интервале от - 40 до 100°С изменяется не более, чем на 5%. По кривым зависимости магнитного насыщения ферритов от температуры была определена точка Кюри. В двойной системе никелевого феррита и феррита-алюмината (1 - Х) NiO*Fe2O3 - Х Al2O3*Fe2O3 температура Кюри понижалась почти линейно с ростом Х. В исследованной системе ферритов точка Кюри изменялась в зависимости от состава от 380 до 600°С. Ферриты, составы которых соответствовали двухфазной области системы, обладали в основном низкой удельной намагниченностью насыщения (2 Гс*см3 / г) и точкой Кюри 300 - 400°С. Однако для ферритов состава (1 - Х) MgO*Fe2O3 - Х Al2O3*Fe2O3 при Х = 0,8 и Х = 0,9 удельная намагниченность насыщения имела порядок 25 Гс*см3/г, тока Кюри составила 550°С.[13]. Получение и исследование свойств феррита состава: MgO*Fe2O3 - MnO*Fe2O3 - ZnO*Fe2O3. [14] Настоящее исследование было посвящено систематическому изучению изменения температур Кюри и температурной зависимости магнитного насыщения в функции состава магний-марганец-цинковых ферритов. Исследование свойств ферритов тройной системы MgO*Fe2O3 - MnO*Fe2O3 - ZnO*Fe2O3 стехиометрического состава представляет значительный интерес. В изучаемой тройной системе имеет место изменение степени обращённости в широких пределах - от почти нормальных феррита цинка и феррита марганца до практически обращённого феррита магния. Многие составы исследованной системы лежат в основе промышленных композиций. Температуры Кюри, магнитное насыщение и его температурная зависимость являются важными характеристиками ферритов как ферромагнитных материалов и как величины, имеющие фундаментальное значение для познания их физико-химической природы. В частности, представляет большой интерес установление корреляций между величинами температур Кюри и температурным ходом кривых магнитного насыщения. Для измерений магнитного насыщения были изготовлены образцы в виде цилиндров диаметром 9 и длиной 25 мм по обычной керамической технологии, описанной в предыдущем примере. Измерения магнитного насыщения производились путём выталкивания образцов из межполюсного зазора электромагнита или путём их вталкивания по методу Штеблейна - Шретера. Измерение магнитного насыщения каждого из исследуемых составов ферритов при всех температурах производилось на одном и том же образце. Точность измерения составляла 2 % при комнатной температуре и 5 % при температурах выше 373 К. Измерения, как правило, контролировали с помощью эталона, изготовленного из электролитического никеля. [15] Были исследованы кривые изменения магнитного насыщения в зависимости от температуры для лучевого сечения с постоянным отношением 1:1 феррита магния к ферриту марганца и бинарных систем MgO*Fe2O3, MnO*Fe2O4, ZnO*Fe2O4. Анализ температурной зависимости магнитного насыщения исследованных ферритов свидетельствует о том, что эта зависимость, как правило, отличается от закона Кюри - Вейсса. Как видно из приведённого эксперимента, с увеличением содержания феррита цинка возрастает отклонение температурного хода магнитного насыщения от теоретического, описываемого законом Кюри - Вейсса. В двойной системе MgO*Fe2O3 - ZnO*Fe2O3 отклонение температурного хода магнитного насыщения от теоретической кривой сначала возрастает с увеличением содержания феррита цинка, а затем уменьшается. В свою очередь отклонение температурного хода кривых магнитного насыщения от теоретической кривой для составов MnO*Fe2O3 - ZnO*Fe2O4 с увеличением содержания феррита цинка до 30 молярных % уменьшается, а затем увеличивается. Общий характер изменения магнитного насыщения в зависимости от состава в исследуемой тройной системе был исследован при температурах 77, 293 и 373 К. Область наибольших значений магнитного насыщения 6400 (Гс) расположена ближе к марганец-цинковой стороне с изменением содержания феррита цинка от 32 до 52 молярных %. Область наибольших значений магнитного насыщения при комнатной температуре расположена почти параллельно магний-марганцевой стороне, снижаясь по абсолютному значению по мере возрастания содержания феррита магния. С повышением температуры ход изолиний магнитного насыщения остаётся почти неизменным, однако область наибольших значений смещается к магний-марганцевой стороне, преимущественно к ферриту марганца. По кривым температурной зависимости магнитного насыщения были определены температуры Кюри ферритов исследуемой системы. Область наибольших значений температур Кюри, превышающих 643 К, расположена почти параллельно стороне магний-марганцевых ферритов в пределах концентраций 0,15 MnO * Fe2O3, 0,55 MgO * Fe2O3, 0,15 ZnO * Fe2O3. С увеличением содержания цинка линии равных температур Кюри проходят почти параллельно магний-марганцевых ферритов к ферриту цинка. Ферриты, концентрация которых лежит в области 15 молярных % феррита магния, 30 молярных % феррита марганца и 57 молярных % феррита цинка, имеют температуру Кюри 373 К. По-видимому, их повышенные температуры Кюри связаны с отклонением ферритов от стехиометрического состава, обусловленного режимом спекания и охлаждения. [16]. .2 Метод химического соосаждения . Основы получения ферритов методом химического соосаждения. Получение магнитных частиц с предполагаемой низкой точкой температурно-фазового перехода (точкой Кюри-Нееля) осуществляли методом соосаждения солей металлов в щелочной среде в виде их окисей с последующим высушиванием в эксикаторе или специальном сушильном шкафу. В исследовании были получены частицы сложных ферритов на основе магнетита, где ионы двухвалентного железа были полностью или частично замещены на ионы металлов (магнитных или немагнитных), введение которых существенно влияло на поведение в магнитном поле при различных температурах. Широко известно получение магнетита из растворов солей двух- и трёхвалентного железа (например, FeCl2 и FeCl3) их соосаждением в щелочной среде. Эта реакция позволяет получать достаточно высокодисперсные частицы магнетита (Fe3O4) с диаметром от 10 до 20 нанометров. Она была описана немецким учёным В. Элмором и позволяет использовать в качестве осадителей как концентрированные растворы щелочей (например, NaOH или KOH), так и водный раствор аммиака (NH4OH, 25 массовых %). Так называемый низкотемпературный синтез ферромагнитных (точнее - ферримагнитных) частиц может быть описан уравнениями: 2FeCl3 + FeCl2 + 8NaOH = Fe3O4 + 8NaCl + 4H2O. или FeCl3 + FeCl2 + 8NH4OH = Fe3O4 + 8NH4Cl + 4H2O [17] Процесс получения магнетита совершенно не требует дополнительных затрат энергии, то есть он протекает при обычной температуре (20 - 25°С). При получении ферритов такого класса необходимо лишь соблюдать соотношение двух- и трёхвалентного железа. Он должно быть Fe 3 + / Fe 2 + = 2 / 1. Очень важным условием проведения реакции является избыток применяемого осадителя (примерно, десятикратный, по объёму или концентрации) и интенсивное перемешивание реакционной смеси. В случаях получения сложных ферритов ионы двухвалентного железа Fe2+ могут быть полностью или частично замещены ионами других металлов, но с непременным соблюдением того же соотношения Fe 3 + / (Fe 2 + + Me 2 +) = 2 / 1 или Fe 3 + / Me 2 + = 2 / 1. В таких случаях применяли соли цинка (ZnCl2), никеля (NiCl2), кобальта (CoCl2) или марганца (MnCl2), а в качестве осадителей использовали концентрированные растворы щелочей NaOH или KOH для достижения наиболее полной сокристаллизации оксидов разных металлов. Было отмечено, что наиболее качественные осадки ферритов получаются при дополнительном прогревании реакционной массы на водяной бане при температуре 80 - 90°С в течение двух часов и интенсивном перемешивании. В ходе реакции осаждения происходило так называемое «созревание» осадков, что отмечалось постепенным переходом его окраски от тёмно-коричневой до чёрной (как у магнетита).[18] В результате были получены ферриты следующих составов: ZnXFe1-XFe2O4 и ZnFe2O4, NiXFe1-XFe2O4 и NiFe2O4, CoXFe1-XFe2O4 и CoFe2O4, MnXFe1-XFe2O4 и MnFe2O4, что можно выразить уравнениями реакций: FeCl3 + xZnCl2 + (1 - x) FeCl2 + 8NaOH ® ZnXFe1-XFe2O4¯ + 8NaCl + 4H2O. 2FeCl3 . 6H2O + ZnCl2 + 8NaOH ® ZnFe2O4¯ + 8NaCl + 16H2O FeCl3 + xNiCl2 + (1- x) FeCl2 + 8NaOH ® ZnXFe1-XFe2O4¯ + 8NaCl + 20H2O. FeCl3 + NiCl2 + 8NaOH ® ZnFe2O4¯ + 8NaCl + 20H2O [19] FeCl3 + xCoCl2 + (1- x) FeCl2 + 8NaOH ® CoXFe1-XFe2O4¯ + 8NaCl + 4H2O. FeCl3 + CoCl2 + 8NaOH ® CoFe2O4¯ + 8NaCl + 4H2O FeCl3 + xMnCl2 + (1- x) FeCl2 + 8NaOH ® MnXFe1-XFe2O4¯ + 8NaCl + 4H2O. FeCl3 + MnCl2 + 8NaOH ® MnFe2O4¯ + 8NaCl + 4H2O [20] II. Методика получения дисперсных частиц сложных ферритов: . Для получения необходимых дисперсных частиц сложных ферритов методом химического соосаждения солей из их водных растворов совершенно не требуется сложного дорогостоящего химического оборудования. . Приготовили водные растворы солей FeCl3 . 6H2O, FeCl2 . 4H2O, NiCl2 . 6H2O, CoCl2 . 6H2O и MnCl2 . 4H2O с концентрацией 0,5 М. . Приготовили водный раствор щёлочи NaOH с концентрацией 10 M. . Все растворы были отфильтрованы через бумажные фильтры на воронках Бюхнера от механических примесей. . Аликвоту 0,5 M водного раствора FeCl3 . 6H2O объёмом 20 мл отбирали пипеткой и вносили в колбу ёмкостью 250 - 300 мл. . Аликвоту 0,5 М водного раствора одной из солей металлов МеCl2 . nH2O объёмом 10 мл отбирали пипеткой и вносили в ту же колбу (когда планировали получение ферритов состава MeFe2O4). В другом случае отбирали аликвоту того же раствора объёмом 5 мл и добавляли аликвоту водного раствора FeCl2 . 4H2O объёмом 5 мл (когда планировали получение ферритов состава MeXFe1-XFe2O4). В обоих случаях соотношение Fe3+ / Me2+ или Fe 3 + / (Fe 3 + + Me 2 + ) выдерживалось равным 2 / 1 по объёму или концентрации. . Смесь растворов титровали избытком водного щелочного раствора NaOH (объёмом 30 мл) с концентрацией 10 М. Титрование проводили при спокойном перемешивании реакционной смеси. Образующиеся осадки имели тёмно-коричневую окраску. . По окончании титрования сильно-щелочные осадки вместе с надосадочной жидкостью в переливали фарфоровый стакан ёмкостью около 200 мл и при спокойном перемешивании прогревали на водяной бане при температуре 80 - 90°С в течение двух часов. По мере прогревания тёмно-коричневые осадки постепенно приобретали чёрный цвет. ."Созревшие" магнитные осадки после охлаждения многократно промывали сначала обычной, а затем дистиллированной водой, с непременной магнитной декантацией (осаждением массы частиц магнитного осадка в поле постоянного керамического магнита с магнитной индукцией 200 мТл). 10. Отмытый до рН = 7,5 - 8,0 (устанавливали по светло-зеленоватой окраске индикаторной бумаги, смоченной маточным раствором или по показаниям рН-метра) ферритовый осадок отделяли от жидкой фазы с помощью бумажного фильтрования на воронке Бюхнера. . Осадок вместе с бумажным фильтром осторожно отделяли от воронки Бюхнера и переносили в специальные фарфоровые чашки для выпаривания. Влага из осадков удалялась её постепенным выпариванием в сушильном шкафу при температуре 80°С в течение двух часов. . Высушенные осадки полученных ферритов размалывались в фарфоровой ступке до порошкообразного состояния и предавались на дальнейшие исследования. [21] .3 Криохимический метод Криохимическая технология твёрдофазных материалов уникальная в том смысле, что она применима к самым разнообразным многокомпонентным однофазным и многофазным материалам с высокой химической, гранулометрической и структурной однородностью, включая металлы и сплавы, керамику и композиты. Вместе с тем эта технология обладает специфическими особенностями, обусловленными функциональным характером материала. Поэтому наряду с особенностями технологии можно рассматривать и специфику конкретных материалов [22]. Многие магнитные свойства ферритов (например, коэрцитивная сила, намагниченность насыщения, магнитная проницаемость) являются структурно-чувствительными, то есть существенно зависят от керамической структуры материала включая размер и форму кристаллитов, размер форму и распределение пор. Поэтому проблема получения ферритов с необходимыми и хорошо воспроизводимыми свойствами сводится в значительной мере к получению материалов с определённым химическим составом и определённой керамической структурой. С этой точки зрения криохимическая технология обладает огромными преимуществами, поскольку позволяет смешивать компоненты (на стадии приготовления раствора) с высокой точностью, исключая потери их при синтезе (особенно при использовании сублимационной сушки) и стабилизирует физико-химическую предысторию материала, так как зарождение кристаллических фаз в микрообъёмах вещества происходит в идентичных условиях (стадия сокристаллизации). Благодаря этому значительно возрастает воспроизводимость свойств получаемых материалов, увеличивается выход годных изделий, повышаются их эксплуатационные характеристики, отпадает необходимость вводить коррективы в технологический процесс и так далее. Последнее наиболее важно, так как открывает возможности к автоматизации, как отдельных технологических стадий, так и всего процесса получения ферритовых (а в равной мере и других) материалов, делает его гибким, способным к выпуску быстро изменяющегося ассортимента продукции [23]. Наиболее распространённым сырьём в криохимической технологии ферритов являются сульфаты, причём с одинаковым успехом могут быть использованы как сульфаты, образующиеся между собой твёрдые растворы, так и дающие после криокристаллизации механические смеси. Водные растворы практически всех сульфатов имеют высокие значения эвтектических температур, что облегчает применение сублимационной сушки. Кроме того, большинство сульфатов практически не растворяется в органических экстрагентах, что даёт возможность использовать криоэкстрагирование в технологических процессах [24]. Промышленная технология получения ферритовых материалов включает следующие процессы: ) Приготовление растворов индивидуальных сульфатов путём растворения их в воде, подкисленной серной кислотой до рН 1,5...2,0. С практической точки зрения удобнее использовать растворы, близкие к насыщенным, при комнатной температуре. ) Приготовление смешанного раствора путём строгого дозирования индивидуальных растворов, предварительно подвергнутых анализу на содержание основного вещества. ) Диспергирование раствора с помощью пневматической форсунки при избыточном давлении воздуха " 2 . 105 Па c с получением полидисперсных капель размером от 50 до 150 мкм. ) Замораживание диспергированного раствора в жидком азоте, помещаемом в специальный реактор с теплоизолирующими экранами. ) Загрузка рабочего камеры сублимационной установки суспензией, состоящей из криогранулята и жидкого азота. Для сублимационного обезвоживания чаще всего используют сублиматоры типа ТГ - 15, ТГ - 50 или им подобные с производительностью от 15 до 50 кг и более в расчёте на массу сублимируемого льда. ) Сублимационное обезвоживание криогранул при давлении Р ( 1,5 Па и температуре от 230 К (начало процесса) до 350 К (в конце сушки). Изменение температурного режима достигается за счёт теплоподвода на рабочие плиты по заданной прогамме, позволяющей избежать макроплавление криогранулята. ) Выгрузка солевого продукта из сублиматора и упаковка его в герметичные полиэтиленовые пакеты. ) Термическое разложение солевой массы в электропечах конвейерного типа, обеспеченных системой поглощения и утилизации выходящих газов. Процесс протекает при температурах 1120...1220 К в течение 20...60 минут. ) Удаление водорастворимых примесей (в частности, сульфатов и хлоридов щелочных и щелочно-земельных металлов) путём обработки ферритового порошка дистиллированной водой при 3 - 4 - кратном её избытке и температуре, близкой к кипению. ) Ультразвуковая обработка водной суспензии ферритового порошка с целью дезагрегации агломератов частиц, образующихся на предыдущих стадиях. Продолжительность процесса не превышает 15 минут при частоте ультразвукового воздействия 15...20 кГц. 11) Сушка ферритового порошка при температурах 353...373 К до остаточной влажности не больше 2 массовых %. 12) Формование деталей заданной геометрической конфигурации из приготовленного пресс-порошка с добавлением поливинилового спирта при давлениях, не превышающих 8 * 108 Па / см2. ) Спекание ферритовых заготовок при температурах 1420...1520 К, определяемых химическим составом керамики и требуемым размером кристаллитов. [25] Иногда процесс спекания заменяют горячим прессованием, позволяющим получить мелкокристаллическую керамику с повышенной плотностью. Данная технология была использована для получения Mg - Mn - ферритов с прямоугольной петлёй гистерезиса и Ni - Zn - ферритов, предназначенных для изготовления магнитных головок, применяемых в устройствах магнитной звуко- и видеозаписи. Сульфаты как исходный материал в криохимической технологии магнитной керамики использовались также для получения литий- и барийсодержащих ферритов. В первом случае значительные трудности возникали из-за термической стабильности сульфата лития, плавящегося без разложения, а во втором - исключительно низкой растворимости сульфата бария. Эти трудности удалось обойти, используя так называемую смешанную технологию, в которой все компоненты ферритовой композиции, кроме оксидов лития или бария, синтезируют криохимическим способом, а полученную оксидную матрицу смешивают с карбонатом лития или бария и проводят ферритизацию при повышенных температурах. [26] Литийсодержащие ферриты могут быть также получены с использованием либо комплексных водорастворимых оксалатов в виде твёрдых растворов (NH4)3 - ХLiХFe(C2O4)3 . 3H2O, либо с помощью эффективного приёма "криопропитки": оксидную матрицу смешивают с раствором оксалата лития, получая суспензию, которую быстро замораживают и подвергают сублимационной сушке. Этот способ весьма перспективен для синтеза материалов, содержащих легирующие добавки. Например, для снижения температур спекания и получения высокоплотных ферритов иногда применяют легкоплавкие добавки типа Bi2O3, V2O5, которые вводят в однофазный ферритовый порошок. Количество добавки играет существенную роль, поскольку она является немагнитной и может существенно снижать электромагнитные характеристики ферритов. Поэтому приём криопропитки, позволяющий уменьшить содержание вводимой добавки благодаря более однородному распределению её по поверхности частиц порошка, улучшает магнитные характеристики материала. [27] Иногда предпочтительней использовать не сульфатные или оксалатные растворы, а растворы нитратов. Дело в том, что растворимость нитратов намного выше, чем других солей, что и позволяет повысить производительность процесса в целом. Однако низкие значения эвтектических температур плавления замороженных растворов нитратов требуют снижения температур при сублимации льда, чтобы избежать плавления криогранул. Использование приёма криоэкстрагирования также ограничено ввиду более высокой растворимости нитратов в органических экстрагентах. Поэтому, если невозможно использовать другие соли, то следует прибегнуть к методу криоосаждения. Так, при синтезе иттрий-железного граната в качестве исходных солей использовали нитраты и водный раствор аммиака, охлаждённый до 243 К. Полученные осадки гидроксидов отмывали от нитрат-ионов и подвергали термообработке. При этом удалось добиться снижения температуры получения однофазного феррограната с 293 К (осаждение при комнатной температуре) до 273 К. Однако, часто присушке осадков на воздухе происходило их интенсивное комкование, что требовало дополнительного помола в измельчающих аппаратах. Это являлось крайне нежелательным, так как использование помольного оборудования приводило к неконтролируемому загрязнению синтезируемых материалов. Явления комкования избегали, проводя сушку в вакууме. Для этого после промывания осадка готовили водную суспензию и замораживали её, приливая жидкий азот. Полученную массу помещали в сублиматов и проводили сублимационную сушку при достаточно интенсивном энергоподводе, на что уходило 2...4 час. Высушенный продукт обладал высокой дисперсностью и не слёживался при длительном хранении [28]. 3. Применение ферритов Магнитные материалы как металлы, так и диэлектрики широко используются в современной технике: в энергетике, системах связи, счетно-решающих устройствах. Особое место в технических применениях занимают магнитные диэлектрики, ферриты, которые благодаря своему большому электрическому сопротивлению могут использоваться на очень высоких частотах. Ферритовые сердечники и антенны в радио- и телевизионной аппаратуре, магнитные ленты для магнитофонной записи, различные приборы СВЧ диапазона, запоминающие и логические устройства в ЭВМ - вот краткий перечень применений магнитных диэлектриков, без которых трудно представить себе многие области современной техники.[29] .1 Вентиль Вентиль, или развязывающее устройство, характеризуется тем, что волна, распространяющаяся через устройство в одном направлении, проходит практически без потерь, а обратная волна испытывает большие потери. Такое устройство необходимо, например, для развязки генератора СВЧ колебаний и нагрузки. Невзаимные свойства ферритов позволяют строить вентили самых различных типов. Простейший вентиль представляет собой круглый волновод, вдоль оси которого расположен аксиально намагниченный ферритовый стержень. Если в таком волноводе распространяется волна с круговой поляризацией (она может быть получена из линейно поляризованной волны с помощью, например, четвертьволновой диэлектрической пластинки) и направление поляризации совпадает с направлением прецессии спинов в магнитном поле, то при резонансном значении поля волна будет сильно поглощаться ферритом. Та же волна при распространении в обратном направлении будет иметь противоположный знак круговой поляризации и пройдет без поглощения. Вентиль может работать и на основе эффекта Фарадея. Линейно поляризованная волна из прямоугольного волновода А поступает в круглый волновод, и плоскость ее поляризации из-за эффекта Фарадея в феррите поворачивается на 45° против часовой стрелки, так что волна проходит через волновод В. При обратном направлении распространения плоскость поляризации волны, вошедшей через волновод В, поворачивается на 45° в ту же сторону; высокочастотное электрическое поле оказывается параллельным плоскости поглощающей пластины, что приводит к поглощению энергии волны. Вентиль на эффекте Фарадея работает не при резонансном значении поля. Резонансный вентиль может быть создан и в прямоугольном волноводе, если поместить, феррит в такую его область, где поляризация волны близка к круговой. В центре широкой стенки волновода поляризация является линейной, и при помещении феррита в эту точку невзаимные эффекты невозможны. Однако в точках, смещенных от центра, поляризация волны близка к круговой, причем знак поляризации зависит от направления распространения. Поперечно намагниченный ферритовый стержень, помещенный в эту область волновода, будет поглощать энергию волны при резонансном значении поля в случае одного направления распространения и будет пропускать ее без потерь для обратного направления распространения. [30]. .2 Фазовращатель На основе ферритов могут быть созданы устройства как невзаимного, так и взаимного типа для получения регулируемого сдвига фазы волны. Такие устройства представляют интерес для многих применений в технике СВЧ, например для антенных решеток, в которых регулируемое изменение фазы сигналов, подаваемых на отдельные элементы решетки, позволяет осуществлять сканирование радиолуча. Действие невзаимного фазовращателя основано на различии постоянных распространения для прямой и обратной волн, что приводит к некоторому дифференциальному фазовому сдвигу. Невзаимный фазовращатель может быть получен, например, при расположении ферритового стержня или пластины в прямоугольном волноводе. При расположении аксиально намагниченного ферритового стержня вдоль оси волновода имеет место взаимный фазовый сдвиг. В малых полях, когда намагниченность феррита изменяется от. нуля до насыщения, происходит сильное изменение этого фазового сдвига. [31] .3 Фильтр Использование ферритов позволяет создавать различные частотно избирательные системы для диапазона СВЧ. Ферритовый образец, включенный в линии передачи СВЧ того или иного типа, представляет собой резонатор, который осуществляет избирательную связь между линиями. Для волноводных линий такую связь можно реализовать, если поместить феррит в отверстие, которое соединяет два скрещенных волновода. Вдали от ферромагнитного резонанса связь между волноводами отсутствует, поскольку высокочастотные поля в волноводах взаимно ортогональны. При резонансе прецессия намагниченности в феррите приводит к возникновению связи на частоте резонанса, и энергия электромагнитной волны из одного волновода переизлучается в другой волновод. Изменяя внешнее магнитное поле, можно в широких пределах изменять частоту резонанса, т. е. электрически перестраивать такой фильтр по частоте. Ферритовый резонатор, используемый в качестве фильтра, может одновременно выполнять функции фазовращателя, вентиля, ограничителя. В сочетании с транзисторными генераторами СВЧ или диодами Ганна ферритовый резонатор можно использовать как элемент электрической перестройки генераторов по частоте. [32] феррит кристалл химический шпинель 3.4 Ферритовая память Память на магнитных сердечниках (англ. magnetic core memory) или ферритовая память (англ. ferrite memory) - запоминающее устройство, хранящее информацию в виде направления намагниченности небольших ферритовых сердечников, обычно имеющих форму кольца. Ферритовые кольца расставлялись в прямоугольную матрицу и через каждое кольцо проходило (в зависимости от конструкции запоминающего устройства) от двух до четырёх проводов для считывания и записи информации. Память на магнитных сердечниках была основным типом компьютерной памяти с середины 1950-х и до середины 1970-х годов. Схема с кольцеобразными сердечниками и четырьмя проводниками работает по принципу совпадения токов. Направление намагниченности одного ферритового кольца позволяет хранить один бит информации. Через кольцо проходят четыре провода: два провода возбуждения X и Y и провод запрета Z под углом 45°; и провод считывания S под углом 90°. Для считывания значения бита, на провода возбуждения подаётся импульс тока таким образом, что сумма токов через отверстие сердечника приводит к тому, что намагниченность кольца принимает определённое направление независимо от того, какое направление она имело до этого. Значение бита можно определить, измерив ток на проводе считывания: если намагниченность сердечника изменилась, то в проводе считывания возникает индукционный ток. Процесс считывания (как и в запоминающей ЭЛТ) разрушает сохранённую информацию, следовательно после считывания бита, его необходимо повторно записать. Для записи, на провода возбуждения подаётся импульс тока в обратном направлении, и намагниченность сердечника меняет направление (относительно того, которое она имеет после считывания). Однако если при этом в другом направлении подаётся ток на провод запрета, то суммы токов через кольцо недостаточно, чтобы изменить намагниченность сердечника, и она остаётся такой же, как после считывания. Силу тока в проводах возбуждения и материал сердечника подбирают так, чтобы тока через один провод не хватило бы для изменения намагниченности сердечника. Это необходимо поскольку на один провод возбуждения нанизано несколько десятков сердечников, а менять направление намагниченности нужно только в одном из них. Следует отметить, что минимальная сила тока, которая может изменить намагниченность сердечника, зависит от температуры сердечника. Производители компьютерной техники решали эту проблему по-разному. Компьютеры серии PDP фирмы DEC регулировали силу тока возбуждения при помощи термистора. В компьютерах IBM матрицы памяти помещались в воздушную «духовку» или в масляную ванну в которой поддерживалась постоянная высокая температура. В 1970 году Intel выпустила память DRAM на полупроводниковой микросхеме. В отличие от памяти на магнитных сердечниках, память на микросхемах не требовала мощного источника питания при работе и кропотливого ручного труда при производстве, а её ёмкость росла экспоненциально согласно закону Мура. Таким образом в 1970-х годах память на магнитных сердечниках была вытеснена с рынка. Однако, в отличие от полупроводников, магнитные сердечники не боялись радиации и ЭМИ, и поэтому память на магнитных сердечниках некоторое время продолжали использовать в военных и космических системах - в частности, её использовали в бортовых компьютерах Шаттлов до 1991 года.[33] Заключение Ферриты и изделия из них начиная с момента их изобретения нашли наиболее широкое применение в радиоэлектронике и вычислительной технике среди других магнитомягких материалов. Кроме того, что ферритовые изделия в большинстве случаев могут эффективно заменить изделия из других материалов, они обладают рядом уникальных физико-химических, магнитных и электрических свойств, не присущих ни одному другому материалу. Применение ферритовых изделий в вычислительной технике позволило значительно ускорить процесс вычислений благодаря возможности значительной миниатюризации запоминающих устройств и устройств переключения. Несмотря на значительный прогресс в области производства интегральных схем высокой степени миниатюризации и связанное с этим некоторое падение интереса к ферритовым сердечникам как к устройствам памяти, изделия подобного рода все еще находят довольно широкое применение в устройствах управления различными процессами и контроля выпускаемых изделий в промышленности. С другой стороны, прогресс в области производства интегральных схем и производство автоматов на их основе позволило значительно улучшить контроль качества при производстве ферритов, что в свою очередь позволило выпускать ферритовые изделия с более точными характеристиками. Применение ферритовых сердечников в радиоэлектронной аппаратуре в качестве сердечников катушек и основ для магнитных головок воспроизводящей и записывающей аппаратуры на данный момент является наиболее обширным. По своим характеристикам ферритовые сердечники не имеют аналогов по соотношению цена/качество среди других материалов и применяются в очень широком диапазоне приборов: от любительской техники до высокоточных промышленных аппаратов. Список используемой литературы 1. Смоленский Г. А., Леманов В. В. Ферриты и их техническое применение изд-во «Наука», Ленингр. отд., Л.,1975, 219 с. 2. . Сирота Н. Н., Дробь И. М. Сборник "Ферриты", Наука и техника, Минск, 1968, 280 с. . Сирота Н. Н., Павлов В. И. Сборник "Ферриты и бесконтактные элементы", издательство АН БССР, Минск, 1963, 419 с. . Сирота Н. Н., Павлов В. И., Смолякова Л. Е. Сборник "Ферриты", Наука и техника, Минск, 1968, 516 с. . Сирота Н. Н., Павлов В. И., Смолякова Л. Е. Сборник "Физические и физико-химические свойства ферритов", издательство АН БССР, Минск, 1963, 353 с. 7. Elmore W. C. On preparation of the magnetite high dispersed // Phys. Rev., 1938, V.54, P. 310. . Atarashi T., Imai T., Shimoiizaka I.. On preparation of the colored water-based magnetic fluids // J. Mag. Mag. Mat., 1990, V.85, P. 3 - 6. . Upadhyay T., Upadhyay R.V., Mehta R.V., Goyal P.S., Aswal V.K. Preparation of ferrite particles with a small point of Curi - Neel. // Phys. Rev.,1997, V. B 55, P. 558. . Upadhyay R.V., Mehta R.V., Kinnari Parekh, Srinivas D., Pant R.P. Gd-substituted ferrite ferrofluid: a possible candidate to enhance pyromagnetic coefficient // J. Mag. Mag. Mat. 1999, V.201, P.129 - 132. . Третьяков Ю. Д. Твёрдофазные реакции. - М.: Химия, 1978., 360 с. . Левин Б.Е., Третьяков Ю.Д., Летюк Л.Ф. Физико-химические основы получения, свойства и применение ферритов. М.: Металлургия, 1979., 471 с. . Криохимия (под редакцией М. Московица и Г. Озина). - М.: Мир, 1979., 594 с. . Осипов К. А. Аморфные и ультрадисперсные кристаллические материалы. М.: Наука, 1972., 76 с. . Беляков В. П. Криогенная техника и технология. - М.: Энергоиздат, 1982., 272 с. . Сергеев Г. Б., Батюк В. А. Криохимия. - М.: Химия, 1978., 296 с. . Третьяков Ю. Д., Олейников Н. Н., Можаев А. П. Основы криохимической технологии. М.: Высшая школа, 1987., 143 с. . Примечания [1]- 2 [2] - 1, стр.31 [3] - 1, стр.32 [4] - 1, стр.33 [5] - 1, стр.34 [6] - 1, стр.35 [7] - 1, стр.35 [8] - 1, стр.37 [9] - 1, стр.37 [10] - 3, стр.122 [11] - 4, стр.127 [12] - 3, стр.127 [13] - 4, стр.129 [14] - 5, стр.204 [15] - 6, стр.150 [16] - 6, стр.152 [17] - 7, стр.309 [18] - 8, стр.5 [19] - 9, стр.558 [20] - 10, стр.130 [21] - 10, стр.131 [22] - 11, стр.15 [23] - 12, стр.78 [24] - 13, стр.46 [25] - 15, стр.85 [26] - 14, стр.62 [27] - 16, стр.84 [28] - 17, стр.24 [29] - 1, стр.154 [30] - 1, стр.157 [31] - 1, стр.162 [32] - 1, стр.167 [33] - 18 1 2 |