内容简介
《软磁金属高频磁性》从软磁物质交流磁现象出发,总结了兆赫兹到吉赫兹频段磁化强度响应的主要物理机制——磁畴的一致进动,系统介绍了磁畴磁化强度进动的动力学方程和各种磁各向异性等效场,针对软磁金属在信号和功率中的两大应用,重点介绍了磁化强度的高频低功率进动特征、高频大功率进动行为、软磁金属复合理论和高频磁性表征技术。
目录
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前言
第1章 软磁物质交流磁现象1
1.1 磁导率的频散与磁谱1
1.2 千赫兹频段的磁后效弛豫9
1.3 兆赫兹频段的畴壁位移13
1.4 吉赫兹频段的自然共振18
1.5 磁滞回线的频率饱和22
1.6 导体截止频率的降低29
1.7 高功率下的反常现象33
参考文献37
第2章 磁化强度动力学方程39
2.1 孤立磁矩的动力学方程39
2.2 磁化强度的动力学方程44
2.3 LLG方程的球坐标形式51
2.4 LLG方程的线性解形式55
2.5 自然共振频率的普适形式60
2.6 含自旋力矩的动力学方程66
2.7 磁化强度进动的惯性效应70
参考文献75
第3章 磁各向异性来源与表示77
3.1 磁各向异性的来源77
3.2 磁各向异性等效场82
3.3 磁晶各向异性等效场84
3.4 形变磁各向异性等效场92
3.5 形状各向异性等效场97
3.6 交换各向异性等效场104
3.7 单晶薄膜的各向异性等效场105
参考文献113
第4章 高频低功率进动特征114
4.1 磁化强度进动磁谱的特点114
4.2 易轴各向异性的Snoek极限120
4.3 Snoek极限的易面体系扩展124
4.4 形状各向异性的Kittel公式127
4.5 薄膜体系的Acher极限130
4.6 普适的双各向异性模型132
4.7 电场分布调制的磁导率变化141
参考文献148
第5章 高频大功率进动行为150
5.1 单摆的非线性运动150
5.2 磁化强度的圆偏振解153
5.3 圆偏振的解析磁化率162
5.4 线偏振场下的近似解167
5.5 SW颗粒负圆偏振解173
5.6 SW颗粒正圆偏振解178
5.7 单轴薄膜的线偏振解184
参考文献191
第6章 软磁金属复合理论192
6.1 复合介质参数的CM方程192
6.2 软磁界面的反射和折射197
6.3 球形金属颗粒中的电磁场203
6.4 颗粒的各向异性磁导率211
6.5 球形金属颗粒复合性能216
6.6 片状金属颗粒磁芯性能221
6.7 颗粒复合体的堆积密度226
参考文献229
第7章 高频磁性表征技术230
7.1 扫场铁磁共振230
7.2 变频等效阻抗方案235
7.3 单端短路微带线技术240
7.4 扫场变频波导技术247
7.5 磁化率的电测量技术250
7.6 高频大功率损耗测试254
参考文献261
试读
第1章 软磁物质交流磁现象
软磁物质在电力、电子和通信领域得到了广泛应用,典型代表有工作在赫兹频段的过渡金属及其合金,工作在千赫兹到兆赫兹频段的尖晶石结构铁氧体,以及施加偏置磁场H工作在吉赫兹频段的钇铁石榴石(yttriumirongarnet,YIG)铁氧体。这些软磁的应用,本质上反映了磁化强度或磁感应强度对不同频率外加交变磁场h的响应。响应能力体现在磁化率.或磁导率.随交变磁场方向、频率和大小的变化上。为此,本章从磁化率和磁导率入手,介绍软磁物质随频率增加表现出的主要实验行为;根据功率软磁的高频化发展需求,介绍兆赫兹频段的特征实验现象。
1.1 磁导率的频散与磁谱
在顺磁性和抗磁性等各向同性的均匀介质中,交流磁感应强度b、交流磁场强度h和交变磁化强度m的关系为
(1.1)
其中,.0为真空磁导率;为介质磁导率。若定义介质的磁化率满足
(1.2)
则磁导率与磁化率的关系为
(1.3)
其中,u为介质的相对磁导率。
软磁变压器工作原理如图1.1所示,在磁导率为.的磁环输入绕组中,输入角频率为.的交变电流,由于磁力线主要分布在磁环内,该电流在磁环内产生的磁场强度近似为,其中n为输入绕组单位长度上的匝数。假设磁环.被该交变磁场均匀磁化,磁环的磁感应强度,输出绕组上的感应电压Vout为
(1.4)
其中,N和A分别为输出绕组的匝数和磁环的横截面积。可见,提高磁芯的工作频率和磁导率,感应电压Vout越大,输出绕组的电能转换能力越强。同时,磁芯工作效率和磁导率的提高还有利于减小变压器的体积、降低损耗、提高电能转换效率。
图1.1 软磁变压器工作示意图
考虑到去除外加磁场后,铁磁物质的磁化强度总是稳定在某些方向上,说明磁化强度的运动一定受到阻尼作用,预示着铁磁物质的交流磁化率和磁导率通常为复数,而不是常数。复数磁化率的概念昀早由阿尔卡捷夫(Apкадьев)研究电磁场在黏滞性铁磁物质中的传播时提出,目前已被广泛用于磁化率和磁导率的描述中。
设作用在软磁物质上的交变磁场强度h为
(1.5)
其中,h0为h的振幅。由于阻尼的存在,h诱导的磁感应强度b通常落后于磁场一个相位角,称之为损耗角,即
(1.6)
其中,b0为b的振幅。h方向上的复数磁导率定义为
(1.7a)
其中,实部和虚部分别为
(1.7b)
可见,与外加磁场同相位的磁感应强度相对应,与落后外加磁场π/2的磁感应强度相对应,即
(1.8a)
(1.8b)
若h方向上的交变磁化强度分量
(1.9a)
其中,复数磁化率为
(1.9b)
利用
(1.10)
得到复数磁导率和复数磁化率的关系满足:
(1.11a)
(1.11b)
(1.11c)
对于各向异性的实际铁磁性物质,m h,其磁化率为张量:
(1.12a)
其中,张量元通常为复数。对应b h的张量磁导率为
(1.12b)
对于确定的外加交变场方向,相应磁化率和磁导率的实部和虚部与软磁物质储能密度和损耗角正切的关系分别为
(1.13)
(1.14)
可见,磁化率或磁导率的实部和虚部分别反映了软磁物质对磁能的存储和损耗。
传统上,静态磁化过程主要研究磁化强度的稳定状态性质,完全没有考虑磁化强度达到稳定状态的过程。事实上,无论是杂质原子或电子的迁移,还是畴壁位移或磁畴转动,都存在弛豫现象。在动态(交流)磁化过程中,弛豫过程将导致频散,即磁化率或磁导率的实部和虚部随频率变化,称之为磁谱。在此,总结软磁的磁谱特征。
软磁磁谱的研究可以追溯到1900年,哈根(Hagen)和鲁本斯(Rubens)[1]昀早证明了在可见光范围内,铁磁物质失去了磁特性,即 1,说明磁谱的变化大致分布在10THz以下。虽然铁氧体磁谱的研究较晚,但由于其电阻率高,趋肤效应小,已成为研究高频磁性的良好载体[2]。图1.2给出了Fe3O4、T38和N30牌号Mn-Zn、Ni1.xZnxFe2O4,以及Ni0.5.xCuxZn0.5Fe2O4铁氧体的磁谱。Fe3O4磁谱的明显变化发生在千赫兹频段[3],难以工作在兆赫兹频段。Mn-Zn铁氧体磁谱的明显变化发生在兆赫兹频段[4],也是目前应用昀多的高相对磁导率体系。Ni1.xZnxFe2O4磁谱的明显变化发生在兆赫兹到吉赫兹频段[5]。随着Zn含量的增加,Ni1.xZnxFe2O4的磁谱变化昀大位置向低频段移动,且变化的范围变宽。预示着在Ni-Zn铁氧体中,NiFe2O4具有昀高的工作频率。低温烧结Ni0.5.xCuxZn0.5Fe2O4铁氧体的磁谱存在两个明显的变化区间[6,7]。在100MHz出现了类似Ni0.5Zn0.5Fe2O4的共振线型;随着Cu含量的增加,在低频区出现了类似Fe3O4的弛豫线型。
图1.2 软磁铁氧体的磁谱
(a)Fe3O4[3];(b)T38和N30牌号Mn-Zn[4];(c)Ni1.xZnxFe2O4[5];(d)Ni0.5.xCuxZn0.5Fe2O4[6,7]
(d)中兆赫兹频段以上的数据是原始数据的20倍
前面展示了尖晶石结构中的元素替代明显改变磁谱的位置和区间。可以预期对于不同的晶体结构,由于磁各向异性的不同,相对磁导率也不同。在研究六角结构铁氧体时发现,如果磁各向异性具有易c面对称性,则该铁氧体具有更好的高频磁性。为了比较,图1.3同时给出了易c轴尖晶石结构NiFe2O4和易c面六角结构Co2Z的磁谱[2],虽然两者的饱和磁化强度近似相等,低频相对磁导率接近,但易c面铁氧体具有更高的工作频率。斯诺克(Snoek)昀早研究了铁氧体磁谱的物理机制[8]。他认为在100MHz高频附近出现的损耗,不仅来自畴壁位移,而且与磁畴转动有关。后者对应的自然共振更可能是真正的损耗机制。
图1.3 NiFe2O4和Co2Z的磁谱[2]
为了理解磁谱的色散机制,雷多(Rado)等分别对Mg0.14Mn0.03Ca0.02Zn0.01Fe1.2O4的烧结磁环和粉末压制磁环进行了研究[9]。如图1.4(a)所示,烧结磁环中存在两个吸收峰,一个位于50MHz附近,另一个在吉赫兹频段。如图1.4(b)所示,粉末压制磁环的磁谱只有一个吉赫兹共振峰,其峰位与烧结磁环的吉赫兹峰一致。可见,吉赫兹高频共振峰来自自然共振,而50MHz的共振峰可能来自畴壁位移。铁氧体中畴壁共振通常是低频高相对磁导率的主要来源。
图1.4 Mg0.14Mn0.03Ca0.02Zn0.01Fe1.2O4铁氧体的磁谱[9]
(a)烧结磁环;(b)粉末压制磁环
无论是畴壁共振还是自然共振对低频段的相对磁导率贡献都近似为常量。然而,韦恩(Wijn)等利用麦克斯韦(Maxwell)电桥测量了铁氧体磁环的复数磁导率随温度和频率的变化[10],发现某些铁氧体的低频色散具有不同的规律。图1.5给出了不同频率下,Ni与Zn原子个数比为1∶1铁氧体的损耗角正切随温度的变化。实心星号代表1250℃烧结体的结果,空心符号代表1525℃烧结体的结果。1250℃烧结体的电阻率为107 cm,100kHz下损耗角正切随温度的变化不大;1525℃烧结体的电阻率为104 cm,损耗角正切存在明显的温度和频率相关性,称之为磁后效(magnetic aftereffect)现象。该部分频率色散呈弛豫型,而不是共振型。
图1.5 Ni-Zn铁氧体损耗角正切随温度的变化[10]
总结以上铁氧体磁谱的特点,按频率f增加的顺序,可以分为4个区域。第41区,f.10Hz,相对磁导率变化不大,但可能存在后效型弛豫现象;第2区,4 810Hzf10Hz,相对磁导率变化大,主要是畴壁位移,可能存在弛豫和共振8 10两种类型的磁谱;第3区,10Hzf10Hz,主要是自然共振型磁谱;第4区,10 13Hz10Hzf10,磁谱类型尚不清楚,这也是开展太赫兹频段研究的一个主要原因。这一结论可以从图1.6所示的YIG磁谱[11]得到印证。
图1.6 YIG的磁谱[11]
图1.7(a)给出了软磁复合材料(softmagnetic composites,SMC)的磁谱实部[12]。整个频段内SMC的磁谱为弛豫型磁谱。在10Hz以下,SMC的磁导率也变化不