Глава 16. ВОЛНОВОДНЫЕ УСТРОЙСТВА С ФЕРРИТАМИ

16.1. Свойства свч ферритов

АНИЗОТРОПНЫЕ СРЕДЫ. ТЕНЗОРЫ ПРОНИЦАЕМОСТИ

Теорема взаимности (параграф 7.7) справедлива для изотропных линейных сред. Если устройство содержит анизотропные элементы (см. параграф 1.4), его свойства различны для волн противоположных направлений, т. е. оно невзаимно. Невзаимные узлы, выполняющие специфические функции, используют преимущественно анизотропные магнетики—ферриты и широко применяются в трактах свч.

В линейном анизотропном магнетике каждая координатная составляющая вектора В представляет собой линейную функцию трех компонент Н:

Коэффициенты этого линейного преобразования — элементы абсолютной магнитной проницаемости — удобно записать в матричной форме; они являются компонентами тензора абсолютной магнитной проницаемости Материальное уравнение в этом случае принимает вид

Тензоры абсолютной и относительной магнитных проницаемостей в развернутом виде записываются как

Аналогично с помощью тензора диэлектрической проницаемости описывается электрическая анизотропия среды: Вещества с анизотропной проводимостью пока еще не нашли применения в технической электродинамике.

Анизотропия. Возникновение анизотропии в твердых телах связано с их кристаллическим строением, т. е. упорядоченным расположением составляющих их частиц. Большинство твердых тел —

поликристаллы — обладают мелкокристаллической структурой, состоящей из большого числа сросшихся мелких, хаотически расположенных кристаллов. Монокристаллы являются правильными многогранниками с упорядоченным строением кристаллической решетки во всем объеме. Монокристаллы могут обладать естественной электрической или магнитной анизотропией. Примером проявления электрической анизотропии является двойное лучепреломление пластинки исландского шпата. В твердых телах, жидкостях и газах при воздействии сильных магнитных и электрических полей возникает искусственная анизотропия. Такова электрическая анизотропия электронного газа в верхних слоях атмосферы, вызванная магнитным полем земли, электрическая анизотропия нитробензола в постоянном электрическом поле (эффект Керра) и, наконец, магнитная анизотропия феррита в постоянном магнитном поле. Искусственная анизотропия вызывается также деформацией кристалла при его одностороннем сжатии или растяжении, т. е. под действием механических сил.

Характер распространения электромагнитных волн в анизотропных диэлектриках и магнетиках во многом сходен, что определяется симметрией уравнений Максвелла относительно электрических и магнитных векторов. В уравнения макроскопической электродинамики компоненты тензора или входят как заданные величины, поэтому вопрос об естественном или искусственном происхождении анизотропии здесь несущественен. Дальнейшее изложение, ограниченное анизотропными магнетиками—ферритами, дает основу для рассмотрения волн также и в анизотропных диэлектриках.

Ферриты составляют группу ферромагнитных веществ, обладающих очень малой проводимостью и называемых поэтому магнитодиэлектриками. Электромагнитные волны распространяются в ферритовой среде с незначительным поглощением, их взаимодействие со средой приводит к ряду своеобразных явлений. В состав ферритов входят окислы железа и других металлов. На свч в основном применяется три типа ферритов, отличающихся химическим составом и структурой кристаллов:

— простые ферриты с кубической кристаллической структурой типа шпинели (феррокскубы), содержащие, кроме окислов железа, окислы таких металлов, как марганец, кадмий, магний, кобальт, и к ель, алюминий, хром (в той или иной комбинации);

- ферриты с гексогональной кристаллической структурой типа магнетоплюмбита (ферроксдюры), содержащие окись бария (или кальция, стронция, свинца) совместно с теми или иными из вышелеречисленных окислов;

— ферриты со структурой граната, содержащие окислы железа совместно с окислами иттрия или редкоземельных металлов; эти ферриты имеют малую намагниченность насыщения и самые низкие магнитные потери.

В зависимости от метода изготовления ферритовый элемент в целом приобретает поли сталл ичеокую либо монокристаллическую структуру. Для изготовления поликристаллического феррита окислы соответствующих металлов тщательно измельчают, перемешивают с пластификаторами, прессуют полуфабрикаты нужной формы и затем обжигают в высокотемпературных печах. Получившиеся изделия по механическим свойствам подобны керамике. Поликристалл представляет собой совокупность небольших областей (доменов) размерами порядка Каждый домен обладает довольно значительным магнитным моментом. Однако в отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированы хаотически и в целом материал размагничен.

Монокристаллические ферриты выращивают из расплавов нужных окислов. Они обладают естественной анизотропией, которая увеличивается во внешнем магнитном поле, это облегчает их намагничение.

Тепловое движение дезориентирует магнитные моменты, поэтому с ростом температуры намагниченность доменов уменьшается.. При температуре Кюри ориентация магнитных моментов в домене полностью нарушается, ферромагнитные свойства материала исчезают. Для большинства применяемых на свч ферритов

Диэлектрическая проницаемость ферритов Электрическая проводимость зависит от условий их изготовления и имеющихся примесей (она на много порядков ниже, чем у железа: Тангенс угла диэлектрических потерь