МАГНИТНЫЙ ИМПЕДАНС В АМОРФНОМ СПЛАВЕ FE74P18MN5V3 НА ЧАСТОТАХ 0,5-100 МГЦ

Кондусов В.В.; Кондусов В.А.; Калинин Ю.Е.; Янченко Л.И.; Вавилова В.В.; Палий Н.А.

Статья поступила в редакцию 05.07.2011. Ред. рег. № 1075 The article has entered in publishing office 05.07.11. Ed. reg. No. 1075

УДК 537.856

МАГНИТНЫЙ ИМПЕДАНС В АМОРФНОМ СПЛАВЕ Fe74Pi8Mn5V3 НА ЧАСТОТАХ 0,5-100 МГц

В.В. Кондусов1, В.А. Кондусов1, Ю.Е. Калинин1, Л.И. Янченко1,

2 2 В. В. Вавилова , Н.А. Палий

'Воронежский государственный технический университет 394026 Воронеж, Московский пр., д. 14 Тел./факс: (473) 246-66-47, e-mail: kva.vrn@mail.ru 2Институт металлургии и материаловедения 119991 Москва, Ленинский пр., д. 49 Тел./факс: (495) 135-20-60

Заключение совета рецензентов: 24.07.11 Заключение совета экспертов: 29.07.11 Принято к публикации: 05.08.11

Проведено исследование зависимости эффекта магнитного импеданса от напряженности внешнего постоянного магнитного поля для аморфного металлического сплава Fe74P18Mn5V3 в диапазоне частот 0,5-100 МГц. На зависимости магнитного импеданса от частоты переменного электрического тока наблюдался максимум, по положению которого была оценена величина высокочастотной магнитной проницаемости цт. Экспериментально полученные результаты объяснены на основе представлений о природе микровихревых токов в исследуемых сплавах.

Ключевые слова: магнитный импеданс, скин-эффект, высокочастотные измерения, вихревые токи, магнитная проницаемость.

MAGNETIC IMPEDANCE IN AMORPHOUS ALLOY Fe74PisMn5V3 FOR FREQUENCY 0,5-100 MHz

V.V. Kondusov1, V.A. Kondusov1, Yu.E. Kalinin1, L.I. Yanchenko1, V.V. Vavilova2, N.A. Paliy2

'Voronezh State Technical University 14 Moskow ave, Voronezh, 394026, Russia Tel/Fax: (473) 246-66-47; e-mail: kva.vrn@mail.ru 2Institute of Metallurgy and Materials 49 Lenin ave, Moscow, 119991, Russia Tel./Fax: (495) 135-20-60

Referred: 24.07.11 Expertise: 29.07.11 Accepted: 05.08.11

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. In the dependence of the magnetic impedance of the frequency of alternating current maximum was observed and lolling its position high-frequency magnetic permeability \i.m value has been estimated. The experimentally obtained results are explained on the basis of ideas about the nature of micro-eddy current in investigated alloys.

Keywords: magnetic impedance, skin-effect, high-frequency measurements, eddy current, magnetic permeability.

В настоящее время к числу явлений, вызывающих особый интерес исследователей, относится магнитный импеданс [1-6]. Несмотря на значительное количество публикаций, посвященных изучению этого эффекта, до настоящего времени остается 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), промежуточ-

ный (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 все еще остаются некоторые споры.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 9 (101) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011

Наноструктуры

Целью данной работы являлось проведение исследования эффекта магнитного импеданса А2/20 в аморфных металлических сплавах на основе железа, а именно: исследование влияния частоты электрического тока Д и напряженности постоянного магнитного поля Н на величину магнитного импеданса.

В работе исследовался аморфный сплав Ге74Р18Мп5У3, 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 Ь2/20 определялась как [2]

Д2/20 = (2Н - 20 )/20 = (ин - и0 )/и0 , (1)

где 20 - импеданс образца при Н = 0; 2Н - 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 Д (длина образца 17 мм). Хорошо видно, что по мере увеличения Д происходит трансформация кривой типа «одиночный пик» в кривую типа «двойной пик».

Рис. 1. Относительные изменения магнитного импеданса

(то есть AZ/Z(%)) быстрозакаленной аморфной ленты Fe74P18Mn5V3 от величины внешнего магнитного поля (H) для токов разной частоты Fig. 1. Relative changes in the magnetic impedance (ie, AZ/Z(%)) rapidly quenched amorphous tape Fe74P18Mn5V3 of the external magnetic field (H) for the currents of different frequencies

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 А2/20 и выход зависимости А2/20(Н) на насыщение. Величина эффекта магнитоимпеданса имеет отрицательное значение и в поле 5 кА/м составля-

ет 22%. При частоте высокочастотного тока 7 МГц характер зависимости А2/20 = 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 А2/20(Н) на насыщение при 60 кА/м. Значение положительного эффекта магнитного импеданса составляет 7%, а отрицательного - 50%.

На рис. 2 и 3 представлена зависимость относительного изменения максимального значения магнитного импеданса от частоты переменного тока для аморфного сплава Ре74Р18Мп5У3. Максимум величины относительного изменения магнитного импеданса, имеющего отрицательное значение, наблюдается на частоте Д = 14 МГц и составляет 85%.

[Шг(%)1тах

100 f. МГц

Рис. 2. Зависимость относительного изменения магнитного импеданса от частоты переменного тока для аморфного

сплава Fe74P18Mn5V3 Fig. 2. Relative change of the magnetic impedance of the AC frequency for amorphous alloy composition Fe74P18Mn5V3: dependence AZ/Z(f)

[ЛШ(%)]п

Рис. 3. Зависимость относительного изменения магнитного

импеданса от частоты переменного тока для аморфного

-1/2

сплава Fe74P18Mn5V3 в координатах f Fig. 3. Relative change of the magnetic impedance of the AC

frequency for amorphous alloy composition Fe74P18Mn5V3

-1/2

in the coordinates f

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 9 (101) 2011

В.В. Кондусов, В.А. Кондусов, Ю.Е. Калинин и др. Магнитный импеданс в аморфном сплаве Ре74Р18Мп5У3 на частотах 0,5-100 МГц

На графике можно выделить два характерных участка: низкочастотный (0,5-5 МГц) и высокочастотный (20-100 МГц), отличающиеся углом наклона кривой зависимости А2/20(/).

На низкочастотном участке А2/20 ~ / Если предположить, что на высокочастотном участке на величину магнитного импеданса начинает влиять скин-эффект, зависимость А2/20(/) была также построена в координатах А2/20(/"12) (рис. 3). Из анализа рис. 2 и рис. 3 видно, что высокочастотный участок лучше укладывается на прямую линию в координатах А2/20(Г1/2), а низкочастотный - А1/10(/).

На низких частотах (от 0,5 до 5 МГц), когда плотность электрического тока однородна по сечению образца в любой момент времени, энергия, рассеиваемая микровихревыми токами за период, линейно растет с частотой [7]. Это приводит к увеличению эффекта и экспериментально подтверждается прямо пропорциональной зависимостью эффекта А1/10 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 ~ / "1/2, что приводит к спаду магнитного импеданса ~/1/2 (рис. 3).

При частоте проявления максимума отрицательного магнитного импеданса (для исследуемого аморфного сплава /тах ~ 14 МГц) толщина образца будет сравнима с толщиной скин-слоя. Для расчета толщины скин-слоя в металле (приближенно) можно использовать следующую эмпирическую формулу (все величины выражены в системе СИ) [8]:

8 = 503

Р

(2)

где р - удельное сопротивление образца; / - частота;

- 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)

=

р-2,53-105 f 82

(3)

где р =1,3-10- Омм;/~ 14 МГц, 5 = 30 мкм, показала, что = 26.

Таким образом, проведенное исследование эффекта магнитного импеданса в аморфном сплаве Ре74Р18Мп5У3 показало, что:

1) на частотной зависимости модуля магнитного импеданса наблюдается максимум при частоте электрического тока / ~ 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 величина 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.

Список литературы

1. Panina L.V. Magneto-impedance in multilayer films // Sensors and Actuators. 2000. Р. 71-77.

2. Анашко А.А., Семиров А.В., Гаврилюк А.А. Магаитоимпедансный эффект в аморфных FeCoMoSiB лентах // ЖТФ. 2003. Т. 73, вып. 4. С. 49.

3. Zhou S.X. Giant magneto-impedance effect in Fe4.5Co67.5Mna5Si12B15 amorphous wires // Materials Science and Engineering. 2001. P. 954-956.

4. Chiriac H., Herea D.D., Corodeanu S. Microwire array for giant magneto-impedance detection of magnetic particles for biosensor prototype // J. Magn. Magn. Mater, 311, 2007, 425-428.

5. Курляндская Г.В. Гигантский магнитный импеданс и его связь с магнитной анизотропией и процессами намагничивания ферромагнитных структур: Автореф. дисс. д-ра физ.-мат. наук. Екатеринбург, 2007.

6. Phan M.H., Peng H.X. Giant magnetoimpedance materials: fundamentals and application // Progress in Material Science. 2008. Vol. 53. P. 323-420.

7. Новик А., Берри Б. Релаксационные явления в кристаллах: Пер. с англ. / Под ред. Э.М. Надгорного. М.: Атомиздат, 1975.

8. Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. М.: Высшая школа, 1983.

Г'-": - TATA — LXJ

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 9 (101) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011

MAGNETIC IMPEDANCE IN AMORPHOUS ALLOY Fe74P18Mn5V3 FOR FREQUENCY 0,5-100 MHz

Текст научной работы на тему «МАГНИТНЫЙ ИМПЕДАНС В АМОРФНОМ СПЛАВЕ FE74P18MN5V3 НА ЧАСТОТАХ 0,5-100 МГЦ»