CC BY
48
УДК 620.19
МАГНИТНЫЙ ИМПЕДАНС В АМОРФНОМ СПЛАВЕ Fe74Pl8Mn5Vз НА ЧАСТОТАХ 0,5-100 МГц
В.В. Кондусов, В.А. Кондусов
Проведено исследование зависимости эффекта магнитного импеданса от напряженности внешнего постоянного магнитного поля для аморфного металлического сплава Fe74P18Mn5V3 в диапазоне частот 0,5-100 МГц
Ключевые слова: магнитный импеданс, скин-эффект, высокочастотные измерения, вихревые токи, магнитная проницаемость
В настоящее время к числу явлений, вызывающих особый интерес исследователей относиться магнитный импеданс [1-6]. Несмотря на значительное количество публикаций, посвященных изучению этого эффекта, до настоящего времени остаётся не исследованным целый ряд вопросов, необходимых для полного понимания его природы [2,6]. Так например, в обзорной работе [6], рассматриваются теоретические модели гигантского магнитного импеданса (ГМИ) для различных участков частотного диапазона: низкочастотный (несколько кГц), промежуточный (от 100 кГц и до нескольких МГц) и высокочастотный (от нескольких МГц до ГГц).Для объяснения ГМИ этих участков диапазона предложено много теоретических моделей: квазистатическая модель, модель вихревых токов, доменная модель, электромагнитная модель, модель обменной проводимости и другие модели. Хотя предложенные модели могут качественно интерпретировать основные особенности ГМИ в широком частотном диапазоне, в теории ГМИ для ферромагнитных материалов всё ещё остаются некоторые споры.
Целью данной работы являлось проведение исследования эффекта магнитного импеданса ДЪ/Ъ0 в аморфных металлических сплавах на основе железа, а именно, исследование влияния частоты электрического тока f и напряженности постоянного магнитного поля Н на величину магнитного импеданса.
В работе исследовался аморфный сплав Fe74P18Mn5Vз , полученный закалкой из жидкого состояния методом спиннингования, в виде фольги толщиной ~30 мкм, шириной 1 мм и длиной от 10 до 50 мм в магнитных полях до 80 кА/м и частотах переменного тока, протекающего по образцу от 0.5 МГц до 100 МГц.
Величина эффекта магнитного импеданса А2/20 определялась как [2]
где 10 - импеданс образца при Н = 0; 1Н - импеданс образца в магнитном поле Н; ин - падение напряжения на образце в поле Н; и0 - падение напряжения на образце при Н = 0.
На рис. 1 показаны характерные экспериментальные полевые зависимости магнитного импеданса исследуемой аморфной ленты для нескольких частот возбуждающего тока f (длина образца 17 мм). Хорошо видно, что по мере увеличения f происходит трансформация кривой типа «одиночный пик» в кривую типа «двойной пик».
При ориентации оси ленты параллельно внешнему постоянному магнитному полю при частоте электрического тока 1 МГц с ростом Н происходит монотонное изменение величины магнитного импеданса образца Д2/20 и выход зависимости Л1/10(Н) на насыщение. Величина эффекта магнитоимпедан-са имеет отрицательное значение и в поле 5 кА/м составляет 22 %. При частоте высокочастотного тока 7 МГц характер зависимости Л1/10 = Д(Н) не меняется, а величина эффекта ГМИ увеличивается до 55 % и начинает появляться положительная составляющая импеданса ~2,5 %. На частоте 20 МГц с ростом Н эффект магнитного импеданса сначала возрастает, достигая максимума при Н = 1.4 кА/м, а затем монотонно уменьшается с дальнейшим выходом зависимости Л2/20(Н) на насыщение при 60 кА/м. Значение положительного эффекта магнитного импеданса составляет 7 %, а отрицательного - 50 %.
20 о
Ч "20
N
-60
A^Z0 = (ZB-Z0)/Z0 = (UH -U0 )/U0, (1)
Кондусов Виктор Васильевич - ООО «Импри», директор, тел. 8(920)451-07-70, e-mail: kondusov vv@mail.ru Кондусов Василий Ананьевич - ВГТУ, канд. физ.-мат. наук, доцент, тел. 8(920)409-59-95, e-mail: kva.vrn@mail.ru
Рис.
(то FevJ
Н, 103А/м
Относительные изменения магнитного импеданса ;ть А7Л(%)) быстрозакалённой аморфной ленты У1п^3 от величины внешнего магнитного поля (Н) для токов разной частоты
На рис. 2 и рис. 3 представлена зависимость относительного изменения максимального значения магнитного импеданса от частоты переменного тока для аморфного сплава Fe74Pl8Mn5Vз. Максимум величины относительного изменения магнитного импеданса, имеющего отрицательное значение,
наблюдается на частоте f = 14 МГц и составляет 85 %.
На графике можно выделить два характерных участка: низкочастотный (0,5-5 МГц) и высокочастотный (20-100 МГц), отличающиеся углом наклона кривой зависимости ЛZ/Z0(f).
[лЖ(%)]тдх о
-10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90
1
1 -
1 /
к г -
1 -
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 I МГц
Рис. 2. Зависимость относительного изменения магнитного импеданса от частоты переменного тока для аморфного сплава Fe74P18Mn5V3
[лЖ(%)]тдх о
-90
Рис. 3. Зависимость относительного изменения магнитного импеданса от частоты переменного тока для аморфного сплава Fe74P18Mn5V3 в координатах/1/2
На низкочастотном участке ЛZ/Z0~f. Если предположить что на высокочастотном участке на величину магнитного импеданса начинает влиять скин-эффект, зависимость ЛZ/Z0(f) была также построена в координатах ЛZ/Z0(fУ2) (рис. 3). Из анализа рисунка 2 и рисунка 3 видно, что высокочастотный участок лучше укладывается на прямую линию в координатах ЛZ/Z0f12), а низкочастотный - ЛZ/Zo(f).
На низких частотах (от 0,5 до 5 МГц), когда плотность электрического тока однородна по сечению образца в любой момент времени, энер-
гия, рассеиваемая микровихревыми токами за период, линейно растет с частотой [7]. Это приводит к увеличению эффекта и экспериментально подтверждается прямопропорциональной зависимостью эффекта ЛZ/Z0 от частоты.
На высоких частотах магнитный скин-эффект приводит к тому, что плотность электрического тока изменяется в тонком слое вблизи поверхности, и потери энергии за период определяются зависимостью глубины скин-слоя 5 от частоты 5 ~/~12 , что приводит к спаду магнитного импеданса ~/~1/2 (рис.
3).
При частоте проявления максимума отрицательного магнитного импеданса (для исследуемого аморфного сплава Утах ~ 14 МГц) толщина образца будет сравнима с толщиной скин-слоя. Для расчёта толщины скин-слоя в металле (приближённо) можно использовать следующую эмпирическую формулу (все величины выражены в системе СИ) [8]:
5 = 503
Р
МшУ
(2)
где р - удельное сопротивление образца; У - частота ; Цт - относительная эффективная магнитная проницаемость. Зная величину удельного электрического сопротивления р для данного сплава, можно оценить величину относительной эффективной магнитной проницаемости. Так, для исследуемого сплава оценка относительной эффективной магнитной проницаемости (из формулы 2)
Мт =
р- 2,53 • 105 У -52
(3)
где р » 1,3x10 Ом-м; У » 14 МГц, 5 » 30 мкм; показала, что » 26.
Таким образом, проведенное исследование эффекта магнитного импеданса в аморфном сплаве Fe74P18Mn5V3 показало, что:
1) на частотной зависимости модуля магнитного импеданса наблюдается максимум при частоте электрического тока У» 14 МГц, который объясняется потерями энергии на вихревые токи. При этом в низкочастотном диапазоне величина отрицательного магнитного импеданса пропорциональна частоте электрического тока, протекающего через образец, а в высокочастотном диапазоне - корню квадратному из частоты;
2) установлено, что в высокочастотном диапазоне переменного электрического тока, протекающего через образец, на полевых зависимостях магнитного импеданса в исследуемых аморфных сплавах наблюдается положительная составляющая эффекта магнитного импеданса;
3) по положению максимума магнитного импеданса на частотной зависимости была оценена вели-
чина эффективной магнитной проницаемости для исследуемых аморфных сплавов, значение которой на частоте ~14 МГц составило ~26;
4) используя зависимость магнитного импеданса от внешнего магнитного поля, можно определить, является ли магнитный материал удовлетворяющим для производства различных сенсоров и датчиков.
Литература
1. Panina, L.V. Magneto-impedance in multilayer films / L.V. Panina // Sensors and Actuators. - 2000. - Р. 71-77.
2. Анашко, А.А. Магнитоимпедансный эффект в аморфных FeCoMoSiB лентах / А.А.Анашко, А.В. Семи-ров, А.А. Гаврилюк // ЖТФ. - 2003. - Т.73, вып. 4. - С. 49
3. Zhou, S.X. Giant magneto-impedance effect in Fe4.5Co67.5Mno.5Si12B15 amorphous wires / S.X. Zhou // Materials Science and Engineering. - 2001. - P. 954 - 956.
Воронежский государственный технический университет ООО «Импри», г. Воронеж
4. Chiriac, H. Microwire array for giant magneto-impedance detection of magnetic particles for biosensor prototype / H. Chiriac, D.D. Herea, S. Corodeanu // J. Magn. Magn. Mater, 311, 2007, Р.425-428.
5. Курляндская, Г.В. Гигантский магнитный импеданс и его связь с магнитной анизотропией и процессами намагничивания ферромагнитных структур: Автореф. дис. д.ф-м. н. Екатеринбург, 2007.
6. Phan, M.H. Giant magnetoimpedance materials: fundamentals and application / M.H. Phan, H.X. Peng // Progress in Material Science. 2008, vol.53. P.323-420.
7. Новик, А. Релаксационные явления в кристаллах: Пер. с англ. / А. Новик, Б. Берри Под ред. Э.М. Надгорно-го. М.: Атомиздат, 1975. - 472 с.
8. Матвеев, А.Н. Электричество и магнетизм / А.Н. Матвеев //. М.: Высшая школа, 1983. - 463с.
MAGNETIC IMPEDANCE IN AMORPHOUS ALLOY FOR FREQUENCY Fe74P18Mn5V3 0,5 ■ 100 MHz
V.V. Kondusov, V.A. Kondusov
A study of magnetic impedance effect dependence of external constant magnetic field tension for and amorphous metal alloy Fe74P18Mn5V3 in the frequency range 0.5-100 MHz is carried out
Key words: magnetic impedance, skin-effect, high-frequency measurements, eddy current, magnetic permeability
