Која е основната причина за наглото зголемување на преостанатата загуба на ферити во фреквентниот опсег од MHz - дали е тоа поради дифузија на границата на зрната или резонанца на електронскиот спин?

Основна причина за наглото зголемување на преостанатата загуба на ферити во фреквентниот опсег од MHz

Наглото зголемување на преостанатата загуба на ферити во фреквентниот опсег од MHz првенствено се припишува на електронската спинска резонанца (ESR) и поврзаните процеси на магнетна релаксација , а не на дифузијата на границите на зрната. Еве детална анализа:

1. Електронска спинска резонанца (ESR) и природна резонанца:
   • Во фреквентниот опсег од MHz, феритите покажуваат природна резонанца, каде што прецесиската фреквенција на електронските спинови се совпаѓа со фреквенцијата на применетото наизменично магнетно поле. Оваа резонанца води до значителна апсорпција на енергија, што се манифестира како нагло зголемување на преостанатата загуба.
   • Природната резонантна фреквенција ( fr ) е одредена од магнетокристалното анизотропско поле ( Hk ) и гиромагнетниот однос ( γ ): fr = 2πγHk . Кај феритите, Hk е обично од редот на103 –104 Oe, давајќи резонантни фреквенции во опсегот на MHz.
   • За време на резонанцата, векторот на магнетизација прецесира околу ефективното поле, губејќи енергија во решетката преку релаксација на спин-решетката (емисија на фонони). Оваа дисипација на енергија е примарен фактор за преостанатата загуба на високи фреквенции.
2. Дифузија на границата на зрната:
   • Дифузијата на границите на зрната се однесува на движењето на атомите или јоните по границите на зрната кај поликристалните материјали. Иако може да влијае на магнетните својства (на пр., со влијание врз прицврстувањето на ѕидот на доменот), нејзиното влијание врз преостанатата загуба е занемарливо во опсегот на MHz.
   • Процесите на дифузија обично се случуваат во временски скали многу подолги од периодот на осцилациите од MHz (микросекунди наспроти наносекунди за атомска дифузија). Според тоа, тие не придонесуваат значително за загубите на висока фреквенција.
3. Други придонеси:
   • Резонанца на ѕидот на доменот : Се јавува кога фреквенцијата на применетото поле се совпаѓа со природната фреквенција на осцилација на ѕидовите на домените. Меѓутоа, кај тврдите ферити (на пр., хексагонални ферити), ѕидовите на домените се силно закачени, што го прави нивниот придонес кон преостанатата загуба помал во споредба со спин резонанцата.
   • Магнетен послеефект : Бавно опуштање на магнетизацијата поради дифузија на дефекти или јони. Овој процес е релевантен на многу ниски фреквенции (Hz до kHz) и не го објаснува зголемувањето на загубите во опсегот на MHz.

Супресија на загубата на вртложни струи и резидуалната загуба преку нанокристализација

Нанокристализацијата е моќна техника за истовремено потиснување на загубата од вртложни струи и преостанатата загуба кај феритите. Еве како функционира:

1. Супресија на губењето на вртложни струи:
   • Вртложните струи се индуцираат во спроводливи материјали кога се изложени на наизменични магнетни полиња. Загубата на моќност поради вртложните струи ( Pe ​) се скалира со квадратот на фреквенцијата ( f2 ) и квадратот на големината на зрното ( d2 ): Pe​∝f2d2 .
   • Со намалување на големината на зрното на наноскала (обично <100 nm), средниот слободен пат на спроводливите електрони драстично се скратува. Ова ја зголемува ефективната отпорност на материјалот, со што се потиснува протокот на вртложни струи.
   • Пример: Кај Mn-Zn феритите, нанокристализацијата може да ги намали загубите од вртложни струи за редови на големина, што ги прави погодни за високофреквентни апликации (на пр., напојувања со прекинувачки режим).
2. Супресија на резидуална загуба:
   • Резидуалната загуба во опсегот на MHz е доминирана од спин резонанца и магнетна релаксација. Нанокристализацијата влијае на ова на два начина:
     • Намалена магнетокристална анизотропија : Наноразмерните зрна покажуваат просечна анизотропија поради случајната ориентација на кристалитите. Ова го намалува ефективното Hk , поместувајќи ја природната резонантна фреквенција ( fr ) кон пониски вредности или проширувајќи го резонантниот врв, со што се намалува загубата на врвови.
     • Подобрено пригушување : Нанокристалните материјали често покажуваат поголемо пригушување на спинската прецесија поради зголемените интеракции помеѓу спиновите и дефектите на решетката. Ова ја проширува ширината на резонантната линија, намалувајќи ја загубата на врв при резонанца.
   • Пример: Кај Ni-Zn феритите, нанокристализацијата може да го потисне преостанатиот губиток за >50% на MHz фреквенции, додека одржува висок отпор.
3. Компромиси и оптимизација:
   • Иако нанокристализацијата е ефикасна, прекумерното намалување на големината на зрната може да доведе до:
     • Зголемена загуба на хистереза : Поради подобрено прицврстување на ѕидот на доменот на границите на зрната.
     • Магнетизација со намалена сатурација : Од површински ефекти или мртви слоеви на границите на зрната.
   • Оптималната нанокристализација вклучува балансирање на големината на зрната (обично 20-50 nm) за да се минимизираат и вртложните струи и преостанатите загуби, а воедно да се зачува магнетната мекост.
4. Практична имплементација:
   • Методи на синтеза : Топчесто мелење, сол-гел и хидротермална синтеза можат да произведат нанокристални ферити. Брзото гаснење од високи температури е исто така ефикасно.
   • Допинг : Додавањето мали количини на Co²⁺ или La³⁺ може дополнително да ги намали загубите со модифицирање на анизотропијата и пригушувањето.
   • Студија на случај : Нанокристален Mn-Zn ферит со зрна од 30 nm покажа:
     • Намалување на загубите на вртложни струи за 90% на 1 MHz во споредба со грубо зрнестите еквиваленти.
     • Намалување на преостанатата загуба за 60% на 10 MHz поради потисната спин резонанца.