Ferrite als magnetostriktive Resonatoren - ETH E

l'ioiii. \r. 20 I y
Ferrite als
magnetostriktive
und deren
Resonatoren
Anwendung
als Elemente elektrischer Filter
Von der
Eidgenössischen
zur
Erlangung
Technischen Hochschule in Zürich
der Würde eines Doktor» der Technischen Wissenschaften
genehmigte
Promotionsarbeit
Vorgelegt
von
Carl Werner Diethelm
von
Erlen und Weinfelden
(Kt. Thurgau)
Referent: Herr Prof. E. Baumann
Korreferent: Herr Prof. H. Weber
Bern 1951
Hallwag
AG.
Sonderdruck
aus
Technische
Mitteilungen
No. 8, S. 281—297
PTT 1951,
Meinen lieben Eltern
Meinem hochverehrten Lehrer,
Herrn Prof. E. Haumann,
unter dessen
ich herzlich
grosszügiger Leitung
für
er
seine wertvolle
stets
an
meiner
diese Arbeit entstanden
Hilfe
und
Tätigkeit
das
rege
ist, danke
Interesse, das
genommen hat.
INHALTSVERZEICHNIS
7
Einleitung
I.
IT.
Herstellung
und
magnetische Eigenschaften einiger
Dynamische Magnetostriktions-TJntersuchungen
1. Der
2.
magnetostriktive
Ferritstäben
(Allgemeines)
..
12
12
Untersuchungen
14
a) Messmethode
14
b) Ergebnisse
15
III. Elektrische Filter mit
1.
Resonator
an
9
Ferrite
Magnetostriktive
magnetostriktiven
Filter
2. Zwei Versuchsfilter
(Allgemeines)
Ferritstäben
17
17
20
Literaturverzeichnis
23
Lebenslauf
24
Leer
-
Vide
-
Empty
magnetostri ktive Resonatoren
Ferrite als
und deren
Anwendung
als Elemente elektrischer Filter
Von Carl W. Diethelm, Zürich
Znsammenfassung. MgZn-, CoZnwerden zunächst
nen
und
NiZn-Mischferrite
Résumé.
auf ihre magnetischen Eigenschaften im allgemei¬
untersucht. Die verschiedenen
zur
Herstellung
538.652
générale,
dieser Ferrite
les
L'auteur
examine
la
de
lassen, da sie einen grossen Magnetostriktionseffekt mit verhältnis¬
grand effet magnétostrictif s'allie
Grund
mässig hoher Permeabilität verbinden.
trischen Leitfähigkeit treten in den
Frequenzen praktisch
Dank ihrer
Stäben
Wirbelströme
keine
auf.
geringen
auch
Der
bei
on
de
wurden zwei
lassbereich
Die den
sind
von
4 kHz
Resonatoren
wegen
der
Als
elek¬
hohen
Gütefaktor
der
und
Oxyde
von
der
•
=
•
benützen, da ihr hoher spezifischer Wider¬
(10-2
Ohm cm, bei
Magnetit
bis 108 Ohm
cm)
ferrites
dynamiques
de
de NiZn contenant de 0 à
employait
bâtons mêmes, ils ont
éléments de
à
40°/„
environ
car
leur
une
des vibrateurs
un
coefficient
ce
filtres électriques
piézoélectriques.
cristaux
genre
ou
davantage,
ce
métalliques. Quant
de
qualité
allant de
peuvent être utilisés
de la même manière que les
Gomme modèle
d'expérimentation,
on a
simples filtres en pont ayant une bande
passante de 4 à 40, respectivement 80 kHz. A cause de l'hystérésis
magnétique et magnétoélastique, les impédances électriques cor¬
respondant aux résonateurs dépendent du courant. C'est pourquoi
construit et étudié deux
filtres
les
ne
travaillent à la
sions à l'entrée. La
ist
binäre
man
mesures
magnétostrictifs,
magnétostriction.
résonateurs
comme
peuvent engendrer de fortes vibrations,
serait exclu si l'on
comme
magneto-elastischen
allgemeinen Formel MO Fe203, wobei M ein zwei¬
wertiges Metall bedeutet. Viele dieser Verbindungen
sind ferromagnetisch. Zu ihnen gehört der Magnetit
FeO Fe203), der als einziger
oder Ferroferrit (Fe304
Ferrit in der Natur vorkommt. Es scheint naheliegend,
diese Halbleiter als Kernmaterial für Hochfrequenz¬
stand
de Zn
est d'environ
Als Ferrite bezeichnet
ferrites.
1000 à 3000. Les résonateurs de
ist etwa 1 mW.
zu
ferrite
qui
Hysterese stromabhängig. Die Filter arbeiten deshalb nur bei
entsprechend kleinen Eingangsspannungen einwandfrei. Die
Grössenordnung der im Durchlassbereich übertragbaren Leistung
spulen
les soumet à des
aux
Anwendungs¬
Einleitung
ces
la bobine d'entraînement peut donc atteindre 100
einfache Brückenfilter mit einem Durch¬
bei 40 bzw. 80 kHz gebaut und untersucht.
entsprechenden elektrischen Impedanzen
magnetischen
de
conviennent
mixtes de
perméabilité relativement
élevée. Même avec les hautes fréquences, il ne se produit pra¬
tiquement aucun courant de Foucault dans les bâtons, grâce à
leur faible conductibilité électrique. Le coefficient de qualité de
Antriebsspule kann daher 100 und mehr erreichen, was bei
Verwendung metallischer Stäbe ausgeschlossen wäre. Der Güte¬
faktor der Stäbe selbst liegt zwischen 1000 und 3000. Solche
Resonatoren lassen sich, ähnlich wie piezoelektrische Kristalle,
beispiele
ferrite
On trouve que les
der
als Elemente elektrischer Filter verwenden.
préparation
manière
d'une
MgZn,
procédés utilisés pour
ferrites
Pour déterminer si des bâtons
Auf
werden beschrieben und diskutiert.
d'abord,
des
CoZn et NiZn. Il décrit et discute les divers
dynamischer Magnetostriktionsmessungen wird sodann
die Eignung von Ferritstäben als magnetostriktive Resonatoren
geprüft. Man findet, dass sich NiZn-Ferrite mit Zn-Ferritgehalten von 0 bis etwa 40° f0 zu kräftigen Schwingungen anregen
angewandten Verfahren
tout
propriétés magnétiques
es
puissance
perfection qu'avec
Ferrite
herzustellen,
ten¬
magnetische Eigenschaften
Fernmeldetechnik
Dieser
genügen.
danken, die 8noek2)
3>
deren
Bedürfnissen
den
zu
faibles
1 mW.
jedoch gelungen,
Arbeiten
de
transmise dans la bande passante
Erfolg
ist
der
den
und seine Mitarbei¬
Philips-Laboratorien begonnen
Kriegsjahre weiter betrieben haben.
Damit ist der Anfang zur systematischen Unter¬
suchung der ferromagnetischen Nichtmetalle gemacht
worden, die bis dahin noch keine eingehendere Be¬
handlung erfahren haben.
ter
1933
in
den
und während der
das Problem der Wirbelstromverluste ganz in den
Hintergrund treten lässt. HilpertL)*) ist erstmals auf
Problem
gekommen und hat bereits 1909 dies¬
bezügliche Patente angemeldet. Erst in neuerer Zeit
selektiver elektrischer Filter, wie sie in der modernen
Fernmeldetechnik benötigt werden, setzt nahezu
diesen Gedanken
*) Siehe
das Literaturverzeichnis
am
Schluss.
Unsere
eigenen Untersuchungen sind von folgendem
hoch¬
ausgegangen: Die Verwirklichung
verlustlose Schaltelemente
voraus.
Dies hat in stei-
7
gendem
Masse
zur
Verwendung elektromechanischer
Resonatoren an Stelle rein elektrischer Resonanzkreise
dabei
geführt. Die weitaus grösste Bedeutung haben
besonders
Kristalle
die
erlangt,
piezoelektrischen
der
ungewöhnlich dämpfungs¬
Dieser Kristall ist ein
der sich durch den
Schwinger,
Energieverluste elektrisch
können grundsätzlich
Weise
In
lässt.
analoger
anregen
auch magnetostriktive Stäbe verwendet werden, die
den Vorzug haben, bedeutend billiger als Kristalle zu
sein. Ihr mechanischer Gütefaktor ist zwar viel gerin¬
aber in der Regel immer noch
ger als beim Quarz,
wesentlich besser als bei elektrischen Schwingkreisen.
mechanischer
Piezoeffekt nahezu ohne
MgZn Ferrite
ist
zum
der
geringen
Güte der
Antriebsspule
bleibt auf tiefe
Frequenzen
magnetostriktiven
fähigkeit würde
veranlasst, die
in einer Reihe
von
Ferriten näher
Magnetostriktion
zu
untersuchen.
Zuvor hatten wir
Ferriten
von
zu
uns
%4000
1*4000
60
30
zu
O
HP
W
was
NiZn Ferrite
W00
5
Herstellung
allgemeineren
aber mit der
befassen,
6000
2000
jedoch
uns
CoZn Ferrite
r?
Bedeutung erlangt.
geringer Leit¬
Material
das Problem der Wirbelströme
6000
20
Sie haben
nicht mehr auftreten. Dies hat
6000
0
Elemente
beschränkt.
in der Filtertechnik deshalb keine
Bei einem
Ausdruck
zum
solcher
Verwendbarkeit
Die
o
o)
dagegen mit Verlusten verbunden,
in den Stäben auf¬
grossen Teil durch die
werden und in
verursacht
tretenden Wirbelströme
die
kommen.
Piezoquarz.
armer
Anregung
Die
5
2000
20
100
W
60
30
2000
100
40
60
80
100
20
40
60
30
100
20
40
60
SO
100
20
600
600
600
WO
WO
WO
200
200
200
b)
0
20
W
60
80
20
0
100
-60
40
60
SO
100
40
60
80
100
~\
-40
-4
Q
c)
*-20
-2
0
20
60
40
80
100
20
0
0
600
40
400
d)
<
X
/\
20
200
"
20
60
40
80
400
ej
«.
TP
S 200
io
20
40
60
SO
Fig.
1.
8
W
•m
60
80
100
20
\
V
60
80
100
S. 10
o
"-—
20
100
40
20
°UZn0 fe,G,
40
60
80
20
100
40
60
80
100
"/oZnO.fe^Oj
Magnetische Eigenschaften
a) Sättigungsmagnetisierung
40
M
=*.
y \
20
100
20
1
400
b) Curietemperatur
von
Ferriten in
Abhängigkeit
c) Sättigungsmagnetostriktion
vom
Gehalt
an
Zn-Ferrit
d) Anfangspermeabilität
e) Koerzitivkraft
physiko-chemischen Untersuchungen Anlass gab.
In diesem Zusammenhang haben wir uns im beson¬
deren auch jenenFerriten zugewandt, deren chemische
Zusammensetzung zu hoher Anfangspermeabilität
und geringer Hysterese führt und die somit als Spu¬
lenkernmaterial geeignet sind. Darüber wird im ersten
Kapitel dieser Arbeit kurz berichtet.
Im Verlauf der Versuche konnte festgestellt wer¬
den, dass es Ferrite mit hoher Magnetostriktion gibt.
Annäherung
tropie
den Ctm'e-Punkt die Kristallaniso¬
an
verschwindet und die
Magnetostriktion geringe
steigt die Anfangsperme¬
abilität fi0 und erreicht wenig unterhalb des CuriePunktes ein Maximum, während gleichzeitig die
Hysterese abnimmt. Der Zusatz von Zn-Ferrit kann
Werte annimmt. Dadurch
nun
bei
bemessen
so
werden, dass das Maximum
Zimmertemperatur
erscheint. Dadurch ist
lich, Ferrite herzustellen mit ,«0 grösser als
von
ug
mög¬
es
1000 und
Das elektromechanische Verhalten dieser Materialien
erheblich
haben wir im Hinblick auf ihre
Massekernen, während Wirbelströme praktisch über¬
Verwendung
als Fil¬
terelemente genauer untersucht. Die Resultate
wir im zweiten Kapitel bekannt, das durch
geben
einige
zwei
Bandfilter mit
striktiven Ferritstäben auf ihre
barkeit
beträgt
praktische
geprüft.
liegt
in
den üblichen
haupt nicht auftreten. Solche Ferrite
hervorragendes Ferromagnetikum
sind
für
daher
Spulen¬
kerne.
Unsere
Kurven
Die
bei anderen Ferriten kaum über 5000 Gauss
hinaus. Ferrite können daher
bei 40 bzw. 80 kHz.
beschränkt.
in
Fig. la
geht auch
Brauch¬
haben sich zunächst auf
NiZn-Ferrite
und
Fig. 1 stellen die Eigenschaften dieser
in Abhängigkeit vom Gehalt an Zn-Ferrit dar.
zeigt, dass die Sättigung nur gering ist; sie
Ferrite
magneto¬
Untersuchungen
CoZn-
MgZn-,
Der Durchlassbereich dieser Filter
etwa 4 kHz und
als
ein
grundsätzliche Betrachtungen über den magnetostriktiven Resonator eingeleitet wird.
Das dritte Kapitel gibt zunächst einen kurzen Über¬
blick über die wichtigsten Filterschaltungen, die sich
mit magnetostriktiven Elementen ausführen lassen.
Schliesslich werden
geringerer Hysterese
werden,
wo
nur
dort
angewendet
keine hohe Induktion erforderlich ist. Die
der
Fig. lb—e veranschaulichen den erläuterten Zusam¬
menhang zwischen Curie -Temperatur, Magnetostrik¬
tion, Anfangspermeabilität und Hysterese, die mit
der Koerzitivkraft (Fig. le) in engem Zusammenhang
steht. In den Fig. 2, 3 und 4 sind die Hysterese¬
schleifen
bei verschiedenem Zn-Ferritgehalt dar¬
Die
gestellt.
Messungen, die den Diagrammen zu¬
grunde liegen, wurden an Proben ausgeführt, die alle
nach dem gleichen Verfahren hergestellt wurden.
stalle
Man sieht somit, wie sich durch die Variation der
I.
und
Herstellung
magnetische Eigenschaften einiger
Ferrite
Eine Anzahl
von
Ferriten, namentlich jene, welche
von Mg, Zn, Cu, Ni, Fe,Co,Mn
Ionen
die
zweiwertigen
enthalten, besitzen eine kubische Struktur (Spinell¬
struktur) und können lückenlose Reihen von Misch¬
kristallen bilden. Die systematische Untersuchung
magnetischen Eigenschaften solcher Mischkri¬
hat Snoek3) zur Entdeckung geführt, dass
Zn-Ferrit, das einzige der erwähnten, das unmagne¬
tisch ist, die Cim'e-Temperatur eines magnetischen
Ferrites verringert. Vom Studium der ferromagnetischen Legierungen her ist bekannt, dass bei der
MgZnFerriTe
chemischen
Zusammensetzung Materialien mit den
verschiedenartigsten magnetischen Eigenschaften
hervorbringen lassen.
Die Herstellung der Ferrite kann auf sehr mannigB
1500
B
[Gauss]
-«
1000
1000
^
500
/
500
f 1
Zn0fe,0,
-20
0
k0
20
60
B0
100
H[Oe]
7
^
-10
0
10
20°lo
20
30 H
B
1500
//
1000
500
1
^
750
500
7
250
1/60%
-1
40°/o
10 H
0
1
2 H
Fig. 2.
Hystereseschleifen
von
MgZn-Ferriten
9
B
[Gauss]
Co Zn Ferrite
6000
B
4000
4000
2000
2000
0°lo
20°l°
ZnuFegOj
500
-500
1000
2000 H [Oe]
1500
-60
-40
-20
40
20
60
60 H
ß
4000
Fig. 3.
Hystereseschleifen
/ ^r
2000
f
von
CoZn-Ferriten
40%
erfolgen.
naheliegendste
Die
Methode
40 H
20
-20
fache Weise
-—
denn
die
dieser
Erzielung
Eigenschaften hängt
Bildung einer einheit¬
gut kristallisierten Ferritphase gelingt.
wohl, die Oxyde zu mischen und zusammen¬
zuschmelzen; sie scheitert jedoch daran, dass die
wesentlich davon ab, ob die
Schmelze
muss
Es
kann
Mischen fein
wäre
daher
teilweise
festen
im
dissoziiert.
Die Reaktion
stattfinden.
Zustand
Dies
beispielsweise geschehen, wenn die fein verteilten
und innig gemischten Oxyde zu einem Presskörper
verdichtet und bei hoher Temperatur gesintert wer¬
den. Eine derartige Herstellung muss sich aber be¬
sonders schwierig gestalten wegen der grossen Zahl
lichen
tionspartner dazu erforderlich
schlag
sten
beim
Versuch,
permeabilität
und
Ferrite
geringen
mit
hoher
Verlusten
Anfangs¬
herzustellen;
ist.
Methode, ein aktives Gemisch zu erhalten,
bestand darin, die Metalle aus einer Salzlösung durch
Die erste
NaOH
und
pulverisierter Oxyde eine vollständige
gewährleistet wird, sondern dass
nicht
überdies eine erhöhte chemische Aktivität der Reak¬
Diffusionsfähigkeit der
Oxyde, Pressdruck, thermische Behandlung usw. Die
Eignung eines Verfahrens erweist sich am deutlich¬
Verteilung
sich indessen, dass allein durch intensives
Reaktion
den Ablauf der Reaktion beein¬
Variablen, die
von
flussen:
und
zeigt
als
Mischhydroxyd zu fällen. Der Nieder¬
ausgewaschen, getrocknet, pulverisiert,
wurde
gepresst und gesintert. Ein NiZn-Ferrit wies nach
6stündiger Sinterung bei 1200° C im Sauerstoffstrom
langsamer Abkühlung (5°C/Min.) die in Tabelle^
angeführten Eigenschaften auf. Die langsame Abküh-
und
B
NiZn Ferrite
4000
B [Gauss]
3000
3000
//
2000
1000
0°/o
ZnOfégOj
100H[Oe]
1
1
1
/
20"h
-20
20
40
BOH
60
B
5000
4000
B
4000
3000
3000
i
2000
1000
0
-10
10
1
rf
2000
I
1000
40%
10
0
20
30
40
50 H
10
^^
f
i
I
1
Fig.
4.
Hystereseschleifen
oV'lo
NiZn-Ferriten
10
20
30
40 H
von
hat die
lung
Vermeidung
Spannungen zum
übrigen Proben
angewandt. Der Umstand, dass Zn-Hydroxyd in
Alkalien löslich ist, verbietet die Anwendung der
Lauge im Überschuss, weshalb die Fällungen meist
nicht ganz quantitativ sind. Die grössten Fehler
treten bei Mg auf, das erst bei einem pH von un¬
gefähr 11 auszufallen beginnt.
Dem kann grundsätzlich durch Einzelfällung der
Hydroxyde und mechanisches Mischen begegnet
innerer
den
Zweck und wurde auch bei allen
Anfangspermeabilität
und
Sauerstoffstrom
im
aus
einer
und
zersetzt
fünf
während
Stunden bei 900° C
weitergeglüht, wonach das Ferrit
beinahe vollständig gebildet war. Das gewonnene
Pulver wurde zur Reaktivierung erneut 16 Stunden
gemahlen, dann gepresst und drei Stunden bei
1200° C gesintert. Beim Beispiel 2b erfolgte die Sin¬
terung in Luft, was zu einer kaum feststellbaren
Dissoziation führt, die aber sogleich grössere Verluste
zur Folge hat. Beispiel 2c weist einen geringen Über¬
schuss an Fe203 auf. Das Ansteigen von ß0, das dabei
das Eisen in der aktiven Form des
Ferrite:
den besonders die
Als nächstes haben wir die Ferrite direkt
belassen und diesem die
Tabelle I.
Vorzug,
Mischung der Salze, namentlich Sulfate und Oxalate,
hergestellt. Im Fall der Beispiele Tabelle I 2, ! wurde
das Verfahren wie folgt durchgeführt: Die während
dreier Tage in der Kugelmühle fein gemahlenen und
gemischten Sulfate bzw. Oxalate wurden langsam
Hydroxydes
Oxyde der zweiwertigen
Metalle beizumischen. In Tabelle 74 sind die Daten
eines derart hergestellten MgZn-Ferrites angegeben.
Die Oxyd-Hydroxyd-Mischung wurde
drei Tage
in der Kugelmühle gemahlen, gepresst und während
sechs Stunden bei 1200° C im Sauerstoff gesintert. Es
hat sich gezeigt, dass bei dieser Methode die magneti¬
schen Eigenschaften durch den Zustand der beigemisch¬
ten Oxyde beeinflusst werden. Die Unabhängigkeit von
zu
ein
Mischfällung besitzt, fällt somit dahin.
werden. Das Fällen und Auswaschen grösserer Men¬
gen ist jedoch so umständlich, dass versucht wurde,
nur
Ausgangsstoffen,
stets beobachtet wurde, Hess sich durch grössere
Überschüsse noch weiter treiben, jedoch unter In¬
kaufnahme erhöhter Verluste.
Verlustkonstanten*),
gemessen im
Frequenzbereich
von
20 bis 200 kHz
NachwirkungsProbe-Nr.
Ausgangsmaterial
Zusammensetzung
Perme¬
Hysterese-
abilität
Konstante
Gh
Po
10«
Gn
x
10«
bei
bei
100 kHz
200 kHz
Mischhydroxyd
15
%
ZnO, 50
%
460
0,12
6
8
a
Sulfate
17,5%
32,5%
50
%
400
0,20
8
12
b
Sulfate
17,5%
32,5%
50
%
400
0,80
10
30
c
Sulfate
17,5%
32,5%
52,5%
755
0,17
6
10
3
Oxalate
17,5%
32,5%
50
%
370
0,15
11
11
4
Oxyde-Hydroxyd
25
25
%
50
%
530
2,8
43
67
1
2
*)
Die
falls
x
Konstante
Bed eutung der Konstanten siel îe
eingangs
aus
%
NiO, 35
%MgO,
Anhang.
diskutierten Mischreihen sind eben¬
den Sulfaten
Das in Tabelle
hergestellt
ist als in den anderen betrachteten Ferriten
eines
MgZn-
Resultat, das wir hier erreicht
allerdings nicht so zahl¬
reich, so dass eine Verbesserung nicht ausgeschlossen
ist, um so mehr, als die Magnetostriktion geringer
haben. Die Versuche
waren
Tabelle II.
Massekerne:
Material
und Verlustkonstanten
(nach Legg^)
Perme¬
Hysterese-
Nachwirkungs-
abilität
Konstante
Konstante
75
.
Anfangspermeabilität, die sich in der
ergab, betrug etwa 30. Dieser
geringe Wert und die grosse Hysterese sind offenbar
durch die hohe Magnetostriktion dieser Ferrite
bedingt. Es wurde deshalb keine besondere Mühe
zur Erzielung besserer Resultate aufgewendet.
Die höchste
Reihe der CoZn-Ferrite
Anfangspermeabilität
n
Mo-Permalloy-Pulver
(vgl.
Fig. lc).
worden.
74 angeführte Beispiel
Ferrites ist das beste
Fe203
125
65
Ch
x
10«
1,1
0,36
1,1
C„
x
10«
5,9
4,8
16
11
Als
sind in Tabelle II die effektive
Vergleichswerte
Permeabilität und die Verlustkonstanten
kernen
angegeben,
die
mit extrem hohem /J,0 und
gestellt sind.
von
Die
Ch
und
C„
in
die
und fi,
an
II.
einem
geschlossenen Ring gemessen werden, und den ent¬
sprechenden tg<5' und fi', die man bei gleicher In¬
duktion B an einem Ring mit Luftspalt findet,
besteht die Beziehung:
tgö
der Form -^-
sie
gibt unmittelbar Aufschluss
geplanten magnetischen Kreises
Im
Rayleigh- Gebiet
tgd
=
Materialvergleiche
für
zweckmässig,
benützen;
zu
über den
Betf
+
@n
von
+
Gmf,
wobei
Ch : Hysteresekonstante,
Cn:
denn
tg<5' eines
gegebenem fi'.
ist
Gh
1. Der
Nachwirkungskonstante,
Cw: Wirbelstromkonstante.
Die
1000
eingangs
schen Ferrite
eine
meist
Kapitels
negative Magnetostriktion
von
uns
auf.
von
Die
Fe304, alle
Magneto-
untersuchten Ferrite
Als Proben dienten
Fig. dargestellt.
hergestellte Stäbe.
5
aus
den
Bei Co-Ferrit liess sich
die Kurve mit der verwendeten
Apparatur
nehmen, da die Sättigungsfeldstärke
von
nicht auf¬
über 2000
Oerstedt nicht erreicht wurde.
Bringt man einen magnetostriktiven Stab in ein
magnetisches Wechselfeld parallel zur Achse, so
führt er Längsschwingungen von der doppelten
Frequenz des Feldes aus, da die Längenänderungen
in einem von der Feldrichtung unabhängigen Sinne er¬
folgen. Um Schwingungen von der gleichen Frequenz
zu erhalten, muss der Stab vormagnetisiert werden,
entweder durch einen
überlagerten Gleichstrom
(Fig. 6a) oder durch einen permanenten Magneten
(Fig. 6b).
2500
2000
(Allgemeines)
erwähnten kubi¬
weisen, mit Ausnahme
B
1500
Resonator
des ersten
striktionskurven der
B [Gauss]
500
sind
Ferritstäben
magnetostrictive
Sulfaten
fi'
/j,
von
Ferrite
=
Dynamische Magnetostriktions-Untersuchungen
sind in
tgj>'
=
eine Konstante
so
an
tgö
Zwischen den Werten
der
0 gesetzt werden kann.
dass Cw
Cn ist bei den Blech- und Pulverkernen in weiten
Grenzen von der Frequenz unabhängig, nicht aber
den Tabellen I und II.
Es ist daher
Wirbelstromverluste
unmessbar klein,
bei den Ferriten.
der Konstanten
Anhang : Bedeutung
Masse¬
Legierungen
geringer Hysterese her¬
Pulvern
aus
von
[Gauss]
2000
4000
6000
^60°loZn OFefl,
-2
-10
40%
40"hZnOJ
-4
-20
20°lo
MgZn Ferrite
0%
g
B
0
1000
-30
[Gauss]
2000
3000
4000
5000
-40
-50
CoZn Ferrite
\.ö 7%Zn0Jr10i
.
20%
-60
-10
40%
JL-«
-20
20%
-25
0%
NiZn Ferrite
Mg. 5.
Magnetostriktions
kurven
-30
12
von
-
Ferriten
reversiblen Permeabilität /u
///////////,
Vielfach lassen sich die
-
Magnetostriktionskurven
Gleichung
AI
h|i|i|iM-0-
aB*
(1)
l
Magnetostriktive
mit
Besonatoren
Nickel,
beschreiben. Für
näherungsweise
ta
o;
6.
Antriebs
Wirkung massgebend.
durch die
Fig.
sind für die
besonders
hoher
ein Metall
Magnetostriktion,
für
sowie
Ni-Ferrit und NiZn-Ferrit 80:20 sind die Werte der
Im
folgenden
wird stets
vorausgesetzt,
die im Stab
herrschende konstante Induktion sei viel grösser als
die Amplitude der Wechselinduktion, so dass für die
Wechselvorgänge
durch die Tangente
der
Betrachtung
striktionskurve
die
Magneto-
ersetzt werden
darf. Die Steilheit rj der Kurve und die Grösse der
Magnetische
Tabelle III.
Material
n„mx.
/u0
Ni-Ferrit.
Ersatzschaltung
der
Ni-Ferrit und NiZn-Ferrit 80:20
4tzJs
Hr
(Oe)
3,4
seien
12
—2,75
32
165
4200
5
—0,85
daher auf die
wird angenommen,
magnetisiert und längs des
Es
die
ist
3X
%2
3 (Ä0 + j «>L„) +
-"•
*
2
u
v
2
U
ü
—
4
4
2
(3)
(4)
7] E
IV
(5)
Rm
Lü, M0,
w
—
Kräfte
£v £2
=
Geschwindigkeiten
l, q
=
Länge, Querschnitt des
q, E
=
Dichte, Elastizitätsmodul des Stabmaterials
ü
Mm
\
EJQ
=
=
£i
£• Damit
folgt
aus
(6)
2
\
Impedanz
v
ist sodann
"
M
">
U
,
•
/
I
•
Fig.
7
Umgebung
rungsweise
•
q
das der
zeigt
2
Netzwerk.
wenn
v
(»)
yqE
Der
Stab
befindet
(Grundfrequenz).
2
der Resonanzstelle lässt sich
sich
8*
..2
in
Für die
QM
nähe¬
Parallelschwingkreis darstellen;
Ersatzschaltung Fig. 8a mit
als
resultiert die
V
Gleichung (8) entsprechende
=
2
ml
2
es
(9)
den Stabenden
=
v
Stabes
=
n2qE
ftv $2
=
eingespannten
3 (Ä0 + jmL0) + U2Ï
Antriebsspule
an
beiden
2tg
Induktivität, Verlustwiderstand, Windungszahl
der
=
Die elektrische
elektrische
v
n
n
=
ü
Resonanz,
=
an
yS
wobei
L0
•—
21
—
(2) und (3):
(2)
(la—fx)
ft
1(Si_+»._jkzii?vetf0tg^
S
l2
0 und
-=
=
26
—
interessierenden Fall des
nachstehenden
Glei¬
aussetzungen
elektri¬
den
zwischen
den
chungen
Zusammenhang
schen und mechanischen Grössen (in elektromagneti¬
schen Einheiten):
=
uns
32
—
Enden freien und in der Mitte
=
106
x
Unter diesen Vor¬
ungedämpft.
beschreiben
U
—1
6100
Für den
;,
1012
x
a
(Gauss"2)
3100
uns
SättigungsMagnetostriktion
Koeffizient
Stabes trete kein Streufluss auf. Die mechanischen
Schwingungen
Magnetostriktions-
Koerzitivkraft
(Gauss)
Gleichungen und die elektrische
magnetostriktiven Resonators
homogen
Nickel,
55
des Resultates.
Stab sei
magnetostriktiven
Schwinger, da sie einen hohen Wert von a mit ver¬
hältnismässig hoher Permeabilität verbinden.
600
ausführlich her. Wir beschränken
Wiedergabe
Die beiden Ferrite erweisen sich unter den
betrachteten als die wirksamsten
12
NiZn-Ferrit 80:20
des
einige weitere magnetische
Orientierung zusammen¬
zur
110
.
Masonb) leitet die
von
und
a
Tabelle III
gestellt.
SättigungsMagnetisierung
Permeabilität
Nickel
Daten
Koeffizienten
Daten in
Schallgeschwindigkeit
elektromechanisches
Beluktanz des
1
der Stabenden
q
Iß
(10)
Stabes
im Stab
Übersetzungsverhältnis
magnetischen
Pfades
die Einführung des Widerstandes R1 im
Schwingkreis ist berücksichtigt worden, dass in
Wirklichkeit die Schwingungen des Stabes gedämpft
sind. Fig. 8b zeigt den prinzipiellen Verlauf des RealDurch
13
Rr
LO
fällt, weist
nM^
AAA
--
Vormagnetisie-
ein Maximum auf. Die
0
auftritt, wollen wir als die opti¬
rung, bei der dieses
male bezeichnen.
"
VI
Untersuchungen
2.
Ï*
a) Messmethode
2
3-u
Fig.
7. Elektrische
tg
•
~
=
j
—
Ersatzschaltung
»
Impedanzverlauf (Fig. 8b)
die Impedanzgleichung in
dem
man
R + ]X und vernachlässigt bei der
Q
Berechnung Rf als klein gegenüber w2^2, so erhält
der Form
_—
des frei-freien
magnetostrik-
tiven Stabes
der
in Funktion
Imaginärteiles der Impedanz
Frequenz.
In einem nichtferromagnetischen
und
Material wird die
allein durch
Schwingungsdämpfung
Schreibt
ermittelt.
--
2
aus
plastische
=
man:
3
=
fr
A
^0 +
«2 +
^v
/ A»
+ Jw
—
«2+
\
\
—
Q,2
-
Qi2'
wobei
v
—
—
fi\
(Verstimmung)
1
2
1
VA
ft
a)
(Resonanzfrequenz
Quotient
—-
ist
Kopplung.
(9) folgt:
mechanische
(5) und
ein
Mass
man
l/fiq ein,
so
(H)
q R„
Rms
noch die Reluktanz des Stabes
erhält
Lr
(Güte).
Rx
Beschränkung auf Resonanznähe kann Q1 als
konstant angesehen werden. Der Imaginärteil weist
zwei Nullstellen auf bei den Verstimmungen
"H
2
LXQX
Ln
(14)
und
Li
2Ln
In der
1 +
V
Regel darf
L,
1—4
(
Ring
und
als
—
Lo
statt eines
nachlässigt werden,
(12)
R»,
beispielsweise
Stabes
als
—--
so
Schwinger verwenden,
dann wäre
Rm
somit eine reine Materialkonstante.
zunehmender
Vormagnetisierung
r\
ansteigt
_
i
2
klein gegen 1
ver-
dass
1
ft>,' Ä*
Wç."
=
LXG,
einen
=
CO,0
-
man:
n
man
cl*l
\2
iL
4
'^
LM
A>
Würde
Stabes)
Bei
elektro-
Gleichungen (4),
Aus den
7i
Führt
für
des
Ci
1—4
die
(13)
—
Ver¬
formung und elastische Nachwirkung verursacht. In
einem Ferromagnetikum, in dem die elastischen
Wechselspannungen Richtungsänderungen der spon¬
tritt dagegen
tanen Magnetisierung hervorrufen,
noch eine Dämpfung infolge von magnetoelastischer
Hysterese und Wirbelströmen hinzu (siehe ausführ¬
lich: Becker-Döring®*). Diese kann die rein mechani¬
sche Dämpfung um ein Vielfaches übertreffen. In
Ferriten fällt die Wirbelstromdämpfung dahin, und
kann die magnetoelastische Hysterese unab¬
man
hängig von der Frequenz leicht messen.
Der
gegebenen
eines
Ersatzgrössen
elektrischen
Die
Resonators werden
Rms
(U.£
SS
ft)j
2
t
h
+
(15)
!
Da mit
und fi
Ro
Ci
a)
Fig.
8.
Elektrische Ersatzschal¬
tung
des frei-freien
ma-
gnetostriktiven Stabes
in der Umgebung der
Resonanzfrequenz
14
und
folglich
2 Am
Li
(16)
Ln
Der
Quotient
—-
Lo
mittels
lässt sich demnach
bestimmen,
wenn
einer
Impedanzmessbrücke feststellt,
Frequenzen 3 reeu iss¬
uer Mittelwert von zwei Impedanzmessungen, etwa
10% unter- und oberhalb <w1, liefert L0 sowie -ß0
in der Umgebung der Resonanzfrequenz. Nach Glei¬
chung (16) lässt sich nun Lx berechnen.
Die Kreisgüte ermittelt man aus dem bei co1 ge¬
messenen Widerstand. Setzt man in Gleichung (13)
man
bei welchen
v
=
v,
bzw.
m
3
Da in der
cov
=
R
Regel R0
R und
es
Qi
(17)
(v-lQi)2*^ 1,
kann
ist somit
RT
~
a>1
ö
o
X
N
o
o
(18)
Lx
Fig.9 zeigt die für die Anregung der Probestäbe
verwendete Spule und die ungefähren Abmessungen
der Stäbe. Die Spule wird mit Gleichstrom und über¬
lagertem Wechselstrom gespeist. Da die Induktion
nicht an allen Stellen des Stabes gleich ist und ein
Fig.
1 MÄOT
ca.
30 mm2
u
"1 ttfe$p&$8
Fig.
Gleichstrom wird
vernachlässigbare
hörer. Die
—
1700)
Impedanzmessbrüeke
Messung
von
L0
und
R0.
Der
Normal durch eine grosse,
Seriekapazität ferngehalten. Als
vom
Messung
Überlagerer
der kleinen
Ü mit Kopf¬
Frequenzdifferenzen
zwischen den Nullstellen erfolgt nach der Überlage¬
rungsmethode mit dem Überlagerer Ü, dem geeichten
Tonfrequenzgenerator fT und dem Kopfhörer als
Schwebungsanzeiger.
60
Antriebsspule (w
Schema der
Nullinstrument dient ein
,—»-
9.
10.
Widerstand für die
177
ca.
VW-1
-VW
45
-^
.rffiffv—
.
—<W^— —IfâT*—
SiQi'
R0 +
=
gesetzt werden, und
wird
so
Tr
--rüffle
mit Probestab
b) Ergebnisse
gänzlich ausserhalb der Probe
verläuft,
Messungen nicht die Bestim¬
wahrer
Materialeigenschaften, sondern nur
mung
qualitative Vergleiche gestatten. Dies genügt jedoch
treten
hier, da
sich im wesentlichen darum handelt, die
Betriebseigenschaften von Ferritresonatoren zu unter¬
Dieses Verhalten rührt teils
suchen. Das Schema der
Permeabilität her. Wirksame Resonatoren sind da¬
Teil der Feldlinien
werden die
es
Impedanzmessbrücke,
Messungen ausgeführt wurden, ist in Fig. 10
dargestellt. In der Brücke sind symmetrische Dros¬
seln (ohne Eisenkern) und Sperrkondensatoren an¬
geordnet, damit der Gleichstrom nicht durch den
Differentialübertrager Tr fliesst. Das Verstärkervolt¬
meter V, das einem Widerstand von 10 Ohm parallel
liegt, zeigt den Wechselstrom im Messobjekt X an.
Als Vergleichsnormal N verwendet man einen varia¬
blen Widerstand bei der Bestimmung der Nullstellen
mit
der die
oder ein Variometer in
Serie mit einem variablen
Die
MgZn-
Aktivität mit Ausnahme
der
einer
zeigen keine messbare
Mg-Ferrit, wo das Auf¬
und CoZn-Ferrite
Resonanz
von
eben
Magnetostriktionskurve,
NiZn-Ferrite
feststellbar
noch
von zu
geringer
teils
von
zu
ist.
Steilheit
kleiner
Zn-Ferritgehalten bis
Untersuchungsergebnisse von drei
aus den Sulfaten hergestellten Stäben mit 0, 20 und
40% Zn-Ferrit sollen im folgenden näher betrachtet
gegen
die
etwa
40%.
mit
Die
werden.
Die Konstanten der Resonatoren sind sowohl
von
Vormagnetisierung als auch von der Wechsel¬
stromamplitude abhängig. Sie wurden zunächst als
Funktion des Magnetisierungsstromes J0 mit ver¬
der
schwindend
kleinem
Wechselstrom
gemessen.
Um
15
Daten
Tabelle IV.
„
Nr.
°/
0
/o
*I«1
ZnO-Fe203|
(cm2) \
(em)
nach
Fig.
ii
/
«'o
/„
(mA)
(kHz)
dimensionen
i
/o
NiO-Fe203
!
Stab-
,
Zusammensetzung
Stab
(Antriebsspule
NiZn-Ferrit-Resonatoren
von
Magnetisierungsstrom optimal)
9
Q
(mH)
(pH)
Vcnr/
E
x
li
10
V
0
lern' /
1
100
0
8,00
0,30
160
34,5
1/
80
295
1400
23,5
65
4,83
1,47
5500
2
80
20
7,87
0,31
160
35,1
305
1000
27,5
55
4,95
1,51
55C0
3
60
40
0,30
120
35,3
1/ 90
1/135
405
1200
55,0
75
4,67
1,39
5450
7,74
eindeutige Abhängigkeit
eine
tisierte
die
man
Proben
erhalten, entmagne¬
zu
worauf
vorerst,
nach und nach erhöhte und
jeder Messung
vor
J0
man
mehr¬
mals kommutierte. In Tabelle IV sind die Daten bei
optimalem J0 zusammengestellt. Mit grösser werden¬
dem Zn-Ferritgehalt nimmt einerseits die Steilheit
der
Magnetostriktionskurve ab, anderseits aber die
Permeabilität
zu.
—
fällt daher
anfangs
nur
allmäh-
rasch ab und ist bei 60% nahezu verschwunden.
Kristalle
piezoelektrischen
Die
pedanz auf, die das Inverse
Elemente
striktiven
*
Quotient
der
Lo
zu.
eine
Im¬
hat, kommt dort dem Verhältnis
der elektromechanischen
zität
weisen
jener der magnetoBedeutung, die hier
von
Die
ist.
Kapazität
zur
die
Belagskapa¬
Dieses ist eine Materialkonstante und be¬
keit
Fig.
von
11 ist für Stab 1
J0 dargestellt.
Resonator
L0, Lx
und
~
in
st)
Hysterese eine bleibende
Veränderung. Magnetostriktive Systeme müssen da¬
eines Resonators wegen der
sorgfältig gegen Störströme und Störfelder ge¬
schützt werden.
her
des à _K-Effektes nimmt die Resonanzfre¬
Infolge
mit
steigender Vormagnetisierung zu. Die
Frequenzänderung, bezogen auf eine J0Änderung von 1% bei optimaler Vormagnetisierung,
beträgt 2,5xl0~5 bei Stab 1 und 3,5xl0~5 bei den
Stäben 2 und 3, ist also sehr gering.
relative
In den
folgenden Versuchen wurde JQ auf den opti¬
eingestellt und der Wechselstrom variiert.
malen Wert
Bei den kleinen in Betracht kommenden Strom- bzw.
Feldstärken
gilt
induktion
und
für den
B
=
Die
Man sieht, dass ein solcher
bei hoher Konstanz des
tg e5A
als auch den
Anstieg
(X
15' 150
Ll
vom
der Induktivitäten
Magnetisierungsstrom J0
Wechsel¬
Stab
die
1
a#2.
(19)
L0
sowohl
das
=
(4a
3
71
Ht,
(20)
fia
der wirksamen Permeabilität
Ih
+ <*Hi
(21)
Anfangs- bzw. reversible Permeabilität) mit
Feldamplitude Hv Aus letzter Beziehung geht
hervor, dass L0 und il mit zunehmendem Strom an¬
steigen müssen. Die Zunahme von L0 wurde im Be¬
reich von 0,1...10 mA gemessen und beträgt je mA
0,4% bei Stab l, 0,5% bei Stab 2 und 0,8% bei Stab 3.
Diese beträchtliche Stromabhängigkeit setzt der
(jLiy
-
der
gewisse
von
Ferritresonatoren
als
Filter¬
Grenzen.
Vergrössert man in der Resonanz den Strom und
die Schwingungsamplitude des Stabes, so
beobachtet man eine Verminderung der Kreisgüte
sowie eine Abnahme der Resonanzfrequenz, ent¬
sprechend einer Abnahme des Elastizitätsmoduls.
Diese Erscheinungen werden bei einer näheren Be¬
trachtung der magnetoelastischen Hysterese ver¬
ständlich. Wegen des engen Zusammenhanges der
magnetoelastischen mit der magnetischen Hysterese
damit
(Ni-Fcrrit). Abhängigkeit
ju0H +
Rayleigh-JLonsta,nte a beschreibt
Hystereseverlustfaktors
elemente
und
von
im
Anwachsen des
Verwendbarkeit
11. Stab 1
Zusammenhang
Wechselfeldstärke
Rayleighijchc Beziehung :
Feldes als Filterelement verwendbar ist.
Fig.
werden
Abhängig¬
permanenten
Bei opti¬
maler Vormagnetisierung entspricht beispielsweise
einer «/„-Änderung von 1% eine Abweichung von L{)
und Lx von etwa 0,6%. Ein Vorteil der Abhängigkeit
besteht anderseits darin, dass sich ein vorgeschrie¬
bener Wert von Lx innerhalb gewisser Grenzen mittels
der Vormagnetisierung einstellen lässt und nicht
nur
Antriebsspule geändert
Durch eine grössere vorübergehende Störung
des magnetischen Zustandes erfahren die Konstanten
trägt beispielsweise beim Quarz (X-Sehnitt) 1/125.
In
der
Windungszahl
muss.
quenz
Lx sogar ansteigt. Überschreitet der
Zn-Ferritgehalt 40%, so nimmt die Aktivität jedoch
lieh, während
16
Qo
A«
Vi
ist
erwarten, dass bei kleinen
zu
Spannungsamplitu¬
den zwischen der
Dehnung e und der Spannung a
ebenfalls eine Rayleighsche Beziehung besteht. Lässt
man demnach den magnetischen Grössen ju, B und H
sinngemäss die mechanischen Grössen l/E, e und a
entsprechen und führt eine eslastische RayleighKonstante ae ein, so erhält man die den Gleichungen
(20) und (21) analogen Beziehungen für den magneto¬
elastischen Hystereseverlustfaktor und den Elasti¬
zitätsmodul
:
f
<g<5,
».
(22)
ffl
«e
A TT,
1
1
~
E0
E
+
(23)
<>e °"l
(23) folgt die Amplitudenabhängigkeit
Aus
ip
von
2
(24)
da1
Eliminiert
ziert,
man
erhält
so
und
(22)
aus
AE
Jl
des Verlustfaktors
1/Q1
jr
4
ITT. Elektrisch«* Filter mit
3
(25) und (26) gelten
Untersuchungen
(20)
8
dann,
gleich ist,
auch
Stellen des Stabes
n
_
/„ dtg(5e
Hysterese)
magnetostriktiven
wenn
ax nicht
Resonanzfrequenz
allen
an
wie das bei
der Fall war; denn sowohl
der
aus
hängen
unseren
tg<9,
wie
Magnetostriktive Filter (Allgemeines)
von
Schaltelementen, die dem
Ersatzschema des magnetostriktiven Resonators ent¬
sprechen, sind besonders zum Aufbau von Brücken¬
filtern geeignet. Die Brückenschaltung (Fig. 13) hat
zwar den Nachteil, dass alle Elemente
doppelt vorKombinationen
berechnete
Vierpolübertragungsmass :
vom
tude und damit die elektrische
Spannung über dem
Schwingkreis im Ersatzschema proportional. Eine
gute Bestätigung des theoretischen Ergebnisses liefert
Stab 2, wie Fig. 12 zeigt. Es sind dort der Verlust¬
tg<5
Ferrit¬
stäben
selben Mittelwert über a1 ab.
Diesem Mittelwert ist ferner die Schwingungsampli¬
faktor
bei wachsender
elektromechanischen Schwingkreis (magneto¬
am
1.
d/
_
E-Modul
(NiZn-Ferrit 80:20). Abnahme der Resonanzfre¬
Ansteigen
Quadrat der Resonanzfrequenz / pro¬
1
der
12. Stab 2
quenz f und
Spannung U
elastische
3
ist
portional
Fig.
=
E0 dtg4
auch
und differen¬
(23) a.ea1
man
_
und da E dem
E:
und die relative
-=
Änderung
th
«
2
Vi
Wellenwiderstand :
der Reso-
Vi
nanzfrequenz in Abhängigkeit von der Spannung
über dem Schwingkreis aufgetragen. Die Nachprüfung
von
Gleichung (26)
1,18. Stab
als
er
grösste
2 stellt
von
allen
3
liefert den Wert 1,2 statt
=
8
jedoch
insofern eine Ausnahme dar,
untersuchten Proben die weitaus
Amplitudenabhängigkeit
aufwies.
In
der
Regel war diese um ein Vielfaches kleiner und konnte
beispielsweise bei den Stäben 1 und 3 für eine
Nachprüfung der Theorie nicht genügend zuverlässig
gemessen werden. Der Gütefaktor war bei den mei¬
sten Proben höher als bei den hier betrachteten und
erreichte im besten Falle etwa 3000.
Der
Temperaturkoeffizient
der
an andern Proben
gemessen, und zwar nur an
solchen mit 20% Zn-Ferrit. Es ergaben sich Werte
(X-Schnitt) beträgt
er
x
10"5
je °C.
etwa —2
x
10"5
Brückenschaltung
magnetostriktiver Stab kann aber die
gleichen Stäben in den Längs- oder
Kreuzzweigen einnehmen, wenn er mit zwei getrenn¬
ten, symmetrischen Antriebswicklungen versehen
wird. Fig. 14a zeigt schematisch ein solches System,
das man als Vierpol auffassen kann. Die Gleichungen
für Ein- und Ausgangsspannung lauten:
Stelle
von
zwei
\\ =(R + \a>L + fa,) Si + Ü«>M + Qm) 82
U2
=
-
-
(joJf + Qm) Si
-
(1)
(R + i°>L + 2m) S2.
R ist der Verlustwiderstand einer
Resonanzfrequenz
wurde
zwischen —5 und —8
13.
kommen. Ein
TZ
—
Fig.
Beim
je
°C.
Quarz
Antriebswicklung,
Induktivität, M die Gegeninduktivität zwi¬
schen beiden Spulen und $m ein Viertel der elektro¬
mechanischen Impedanz, gemessen zwischen 1...2
mit T...2' verbunden. Durch Vergleich von (1) mit
den entsprechenden Gleichungen des Kreuzgliedes:
L deren
17
8l +
«1=
U2
Fig.
CV
\îl
2
8l
11
findet
Ö2
02
=
die
02
o
8l
+
Ol
T
82
02 |V
2
der
ft) .4
2
ft),
+
+
a>a2-VK2 + <ya2)2-4ov
2
„,a2
1
2
Ersatzschaltung
1
CO,
jß)(i + -af) + 23.v;82=-B + iö>(L-Jf).(3)
+
•a
V^2
+
U>a
+
O)«2)2
4
—
COß2 U>2!
(8)
und
Schaltung Fig. 14c geht aus Fig. 14b durch ein¬
Umformung hervor und ist für Messungen
zwischen beliebigen Klemmen gültig.
Die
2
(»)
(L + M)x CA
fache
&>a2
Durch
folgt
=
(
<V
1
+
bzw. Addition
Multiplikation
(10)
(L + My
von
(6) und (8)
ferner:
fox2 + cog2
-or
(6)
(?)
LXGX
14b:
8i=B
;
«>„
(2)
^2
~
Impedanzen
cv
\$2
2
iSl
"
2
man
öl
_,_
"1
Wählt
CA
man
=
so, dass œa
ft)«2 + ft>a2
=
(12)
.
co2, dann kommen die
Nullstellen a>A und o>3 symmetrisch zur Unendlich¬
keitsstelle a>2 zu liegen. Mit Hilfe von (11), (12) und
(10) findet
man
&>,
sodann:
—
a>A
V (L +
Bei
Pig.
Ersatzschaltungen des magnetostriktiven
Antriebswicklungen
14.
Lr
einem Verhältnis
=
(L + M),
Stabes mit zwei
Nullstellen also
1/100
Umgebung der Resonanzfrequenz lässt sich
8if als Parallelschwingkreis darstellen, wodurch sich
die Schaltung Fig. 151B ergibt. Man sieht nun, dass
ein Stab mit zwei Antriebswicklungen als Bandfilter
wirkt, wenn die Klemmen der einen Wicklung als
Eingang und die der anderen als Ausgang benützt
werden. Die relative Bandbreite ist
f«
-
U
L,
Da
den Wert
1/100
L+M
nur
etwa
(4)
'
kaum
übersteigt,
B
kann sie
0,5% betragen.
und besserer
Dämpfung
erhält
man
von
etwa 1%
durch Verwen¬
dung von zwei Resonatoren in Brückenschaltung
(Fig. 152).
Mit magnetostriktiven Elementen allein können
offensichtlich nur schmale Filter gebaut werden.
Der Durchlassbereich lässt sich jedoch in einfacher
Weise verbreitern, indem man Kapazitäten in Serie
zu den Elementen schaltet. Fig. 153 zeigt ein derarti¬
ges Filter. Die Gleichung der Reaktanzen lautet für
die Längszweige beispielsweise:
81
wobei
18
1
(1 —w2/co/) (1
CA
JW (1
=
—
—
w2/ft>32)
C02/û>22)
Kreuzzweigen
Bandbreite
von
15%
Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass sich
magnetostriktiven Elementen und Kondensa¬
toren auch Bandsperren sowie Tief- und Hochpass¬
filter ausführen lassen.
betrachteten Filtern sind
praktisch nur
allfällige Zusatzinduktivi¬
täten verlustbehaftet. Die entsprechenden Verlust¬
widerstände lassen sich aber auf Grund der Aequivalenzbeziehung Fig. 16 aus dem eigentlichen Filter¬
netzwerk herausnehmen, sofern sie gleich gross ge¬
und
Antriebsspulen
Dadurch
beeinflussen sie die Form
der Dämpfungskurve nicht, sondern verursachen
ledig¬
Dämpfung. Das zu¬
Restdämpfung ist das Kriterium
lich eine konstante zusätzliche
lässige
Mass dieser
für die
Spulengüte.
Komplizierte Filterschaltungen
zwei Resonatoren sind
mit mehr als
denkbar, doch
nur
ist in Betracht
ziehen, dass mit zunehmender Zahl der Elemente
zu
auch die
Fallen
Anforderungen an deren Konstanz wachsen.
Beispiel im Durchlassbereich irgendwo
zum
Nullstellen und Pole
sammen,
(«)
einer
Der
macht werden.
Ein Bandfilter mit einem Durchlass
mit
mit
In den
2(L + M)
Filter
ein
die
resultieren.
die
L,
h
würde
wären
10% voneinander entfernt, und
um
mit ebensolchen Reaktanzen in den
In der
(13)
M)x
so
von
entsteht
3i
und
zwischen
82
nicht genau zu¬
ein kleiner
ihnen
Sperrbereich, der sich in einem stärkeren Schwanken
Betriebsdämpfung bemerkbar macht. Die Gefahr
solcher Unstimmigkeiten ist um so grösser, je mehr
der
r*\
X
s
"^
Wellenwiderstand
3"
Dampfung
H
CR
3
Reaktanz
3
w
05*
3
OD
ONj
rvjö
d
-i-A'
-*
O
*'
-*o
N)
ÜI
Fig.
16.
Briiekensohaltung
ausgeglichenen Verlusten
mit
Resonanzfrequenzen das Filter besitzt, das heisst,je
besser seine Filtereigenschaften sein sollen.
Kritischer noch sind die Verhältnisse im
bereich. Es
dort für die
gilt
Sperr-
Dämpfung:
.02
oder bei
(14)
3,
2
2
grossem h:
genügend
th
b
1
—
(Iß)
2 e-».
Fig.
3
17.
Hochstzulässige Abweichung
1
Soll
nun
eine
vorgeschriebene Sperrdämpfung b0
unterschritten
stets der
werden,
weichen
muss
02
Quotient
der
er
4
—
e-b'
<
3t
(16)
< 1
3Ï
um
4e~6°
von
1 ab¬
Danach ist vorauszusehen, dass sich mit
magneto-
striktiven Elementen keine verwickelten
Schaltungen
ausführen lassen, denn ihre Daten sind
zu
sehr
von
Vormagnetisierung abhängig. Hohe Werte
der Sperrdämpfung müssen vielmehr durch Ketten¬
schaltung einfacherer Teilfilter aufgebracht werden.
Zwei derartige Filter, wie sie etwa zum Aufbau von
Kanalfiltern für die Trägertelephonie in Betracht
kämen, wurden praktisch ausgeführt und sind im
folgenden Abschnitt näher beschrieben.
Strom und
Stabes
Ferritstäben als Filter¬
is
-
Antriebsspule
A ist
der Ferritstab
F
(1
Spitzen
^
3
in der
der Schrauben S einstellen lässt. Die Stäbe bestehen
NiZn-Ferrit 80:20. Sie wurden
mit Ni- und
und sechs Stunden bei 1200° C in
20
1,0225
0,045
errechnet*)
=
symmetrisch ausgeführten Wicklungen von je 340
Windungen versehen. Ein kräftiger Stabmagnet M
dient zur Vormagnetisierung, deren Wert sich mittels
Fe-Hydroxyd
=
/o
cm,
0,2 cm2) sichtbar, der durch vier
q
Mitte festgehalten wird. Die Spule ist mit zwei genau
von
ÎB-ÎA
0,9775
einer
Mischung
Zn-Oxyd hergestellt
Sauerstoff gesintert.
aus
h
und
0,98699
(Bezeichnungen
LA
=
siehe
973
Lx
-
/o
/002
-
h
/003
=
AT
0,96F
1,035
<~>o
h
=
1,011
=
1056
h
Fig .19)
Lb
Li
L1
=
L2
/ool
man
80-kHz-Filter im Bilde. In der
«^
aus
h
Daraus
das
verwenden¬
bei
h
bei etwa 40 kHz.
zeigt
zu
optimaler Vormagnetisierung be¬
man die Windungs¬
zahl ermitteln, die für die vorgeschriebene elektromechanische Impedanz erforderlich ist. Zur Feinein¬
stellung benützt man die Vormagnetisierung. Die
elektrische Symmetrie des Systèmes erreicht man bei
symmetrischem Aufbau mit genügender Genauigkeit
auch in der elektromechanischen Impedanz, wenn
man die Antriebsspulen abseits der Resonanzfrequenz
auf gleiche Induktivität einstellt.
Für das 80-kHz-Filter haben wir die Bandgrenzen
und die Dämpfungspole, bezogen auf die Bandmitte,
folgendermassen festgelegt :
den
praktisch zu prüfen, haben wir zwei Band¬
filter nach Fig. 153 gebaut. Für das erste Filter wurde
ein relativer Durchlassbereich von 4,5% bei etwa
80 kHz gewählt, für das zweite ein solcher von 10%
18
magnetostriktiven Systeme
vor, dass man anstelle der Antriebsspule
geht
zunächst eine Probespule mit bekannter Windungs¬
elemente
Fig.
ba
man so
-
von
der
Ausführung
Bei der
Versuchsfilter
Um die Brauchbarkeit
von
18.
stimmt. Aus dem Resultat kann
(Fig. 17).
2. Zwei
Quotienten
des
zahl einsetzt und darin die Daten des
82
darf also höchstens
als Funktion
BIN]
7
nie
Ungleichung
1
genügen;
so
6
5
4
1,085
Ljl
=
W. P. and R. A. Sykes.
Employing Crystals with Normal and
Syst. Techn. J., 19 (1940), 221.
*) Berechnungsmethode siehe: Mason,
Electrical Wave Filters
Divided Electrodes. Bell
1
LB
Fig.
IS.
Verauchsausluliruiig
des
80-kHz-Filtcrs
Ausgehend
von
Tabelle V
Resonanzfrequenz
Frequenzen wie in
Wahl des Belastungs-
einem Stab mit der
sich die
/2) ergeben
angegeben. Durch
80,240 kHz (
-
die
abgeglichenen Filter gemessenen Werte der
Frequenzen und Elemente sind in Tabelle V zusam¬
mengestellt. Der Temperaturkoeffizient der Reso¬
nanzfrequenz beträgt bei beiden Stäben etwa
—7 x 10~sje °C. Auf einen Ausgleich der Verlustwider¬
Frequenzen:
bereelinct
gemessen
kHz
kHz
looi
u
78,660
79,468
79,400
stände
k
/:.
80,240
80,240
die
82,364
82,350
In
83,127
83,120
/002
83,940
(gemessen)
Kleinentc
=16,5
Lx
4,20
"ol
L'm
LA
—
=
"01
:
mH
12,10 mH
16,30 mH
255
15,4
22 Q
R'
30
01
Ha
Q
Q
=
52
=
988
R.
=-
13,52 mH
R',
=
16,30 mH
R„
L'n2=
L
U
180
<2oi
a
16
48
ß
3200
=
l0°
sichtigung
der
Strom:
I
0,5 mA
=
2700
901
=
Q
02
Qji
=
220
I
iSlioni
:
0,5 niA
=
170)
1060
Z„v
0,75
Anpassung:
Belastungswiderstand
I
160J
Wellen widerstand in der Bandmille:
Beste
=
Qa
==
RÄ und RH wurde verzichtet, da besonders
von
-
210
1
ß
32ß
=
Q'M=
01
Q2
/M
2,78 mH
02
Rt01
La
-.
"02
Qx
am
den
Antriebsspulen herrührenden Teile
Rm und R0.2 stromabhängig sind, und zwar in un¬
gleichem Masse.
Fig. 20 zeigt die Kurven der Betriebsdämpfung für
zwei verschiedene Quellenspannungen U0. Die Kurve
für U0
0,5 V verläuft erwartungsgemäss. Bei
treten dagegen Abweichungen auf. die
V
3,5
U0
:
juH
des Filters werden die Sciialteiemente
Betrage nach festgelegt, worauf sich die Win¬
dungszahlen der Antriebsspulen aus den im Vorver¬
such gefundenen Daten der Stäbe ermitteln lassen.
Die
Zusammenstellung der Daten des 80-kHz-FiIters
Tabelle V.
Widerstandes
dem
Zuo
^
=
375 ü
280
ü
230
ü
(unter Berück¬
Verluste):
R
=
Fig.
19.
Schaltung
der Versuchsfilter
21
U0=3,5V
U0=Q5V
L
1
\y
\1
kj
V/
«
S-
I
1
«0
-o
\
\
76
78
—*—*
80
J
82
84
76
86
66
84
82
80
78
f[kHz]
f[KHz]
ob
=
In
2U2
Fig.
strombedingten Impedanzänderungen in den
magnetostriktiven Systemen herrühren. Sie äussern
sich in einer Verschiebung der Dämpfungspole und
rein zufällig in einer Erhöhung der Sperrdämpfung.
Der Verlauf im Durchlass zeigt ferner, dass die Pole
und Nullstellen der Impedanzen nicht mehr überein¬
stimmen. Untersucht man die Stromabhängigkeit der
Impedanzen einzeln, so stellt man fest, dass sich die
Nullstellen bei Erhöhung des Stromes von 0,1 auf
5 mA um folgende Beträge verschieben:
von
den
fA
fB
22
um
um
—
—
145 Hz
50 Hz
/2
/3
um
—
um
—
95 Hz
180 Hz
20.
Daraus sieht
kleine
Betriebsdämpfung
man
des 80-kHz-Filters
deutlich, dass die Impedanzen
nur
Ströme führen dürfen und das Filter somit
geringe Leistung zu übertragen vermag.
vorliegenden Falle kann U0 auf etwa 1 V erhöht
werden, ohne wesentliche Beeinträchtigung des
DämpfungsVerlaufes. Die Ausgangsleistung im Durch¬
lass beträgt dann etwa 0,6 mW.
nur
eine
Im
Schliesslich haben wir noch untersucht, ob durch
die nichtlinearen
Eigenschaften des Ferritmaterials
Modulationsprodukte im Filter entstehen. Zu diesem
Zweck wurde das Filter mit zwei
schiedenen
um
1000 Hz
Durchlassfrequenzen gespeist.
Bei
ver¬
U0
—
4 V
war
am
die
Ausgang
der Differenz¬
Spannung
noch kleiner als 1 mV.
frequenz
U0=0,2V
Das zweite, bei 40 kHz arbeitende Filter war ähnlich
gebaut
Material
versehen.
----
/o
/ool
0,95
/oo2
=
h
ergibt
1,07
/o
v^y
/oo3
0,10
v/
J
0,93
=
/o
1,05
u
i
aus
Die
haben wir hier wie
Damit
gleichem
massgebenden Frequenzen
folgt gegeben:
wie das erste und mit Stäben
/o
q>
sich:
-
/o
U
0,97096
1,02974
u
und
LA
LB
187,8
226,6
-
L,
Li
LA
1,209
Die gemessenen Daten sind in Tabelle VI
zeigt
gestellt. Fig.
0,2 V. Die Spannung
21
0,6 V erhöht
leistung
von
die
Dämpfungskurve
für
U0
=
konnte ohne Nachteil auf etwa
werden, entsprechend einer Ausgangs¬
ungefähr 0,3 mW im Durchlass.
Zusammenstellung
Tabelle VI.
1
zusammen¬
der
L ~j
Daten des 40-kHï-Filters
Frequenzen:
berechnet
/ool
37,737
u
38,549
38,550
h
u
39,400
39,400
41,785
41,780
fß
42,607
42,575
/oo2
43,418
Elemente
Lx
Lol
L'n,
01
LA
^01
(gemessen)
Die
21.
Qx
7,2 mH
Ra
=
5,7 mH
B'.
=
12,9 mH
RA
46
des 40-kHz-Filters
lassen
den
Schluss
eignen, sofern nur geringe Leistungen
übertragen sind. Für den Aufbau von komplizier¬
ten Schaltungen und von Filtern mit extrem schma¬
=
LA
=
25
ü
15i2
40i3
:2800
<3oi
=
<?'<»
=
Qa
=
lem
75'
Strom
95
Durchlassbereich würde
:
80,
Strom
:
Hilpert,
von
Wellenwiderstand in der Bandmitte:
0,75
Zwo
325
Zwo
=
244
Q
R
=
magnetische Apparate.
D.R.P. 226347
und
3.
Snoek, J. L. New Development in Ferromagnetic Materials.
4.
Q
und
(1909).
Snoek, J. L. Magnetic and Electrical Properties of the Binary
System MOFe203. Physica 3 (1936), 463.
New
=
zur Herstellung magnetisierbarer Mate¬
gleichzeitig geringer elektrischer Leitfähigkeit für
S. Verfahren
2.
0,5 mA
der Verluste):
solcher
Bibliographie
1.
227785
Belastungswiderstand (unter
Konstanz
0,5 mA
187
Anpassung:
die
Elemente nicht hinreichen.
elektrische
sichtigung
Betriebsdämpfung
Untersuchungsergebnisse
rialien
Beste
44
ziehen, dass sich magnetostriktive Ferritstäbe als
:
^H
104
42
f[HHz]
zu
=
=
40
Filterelemente
69
=
38
Fig.
=
=
36
gemessen
kHz
kHz
5.
York/Amsterdam,
Magnetic
Legg,
V. E.
Syst.
Techn. J. 18
Mason,
W. P.
1947.
Materials in the
(1939),
Telephone System.
Bell
447.
Electromechanical
Transducers
and
Wave
Berlin
1939«
Filters. New York 1946.
Berück¬
200
Q
6.
Becker, R. und W. Döring. Ferromagnetismus.
23
LEBENSLAUF
Ich
wurde
am
1.
Juni
1921
in Zürich
geboren.
besuchte
Dort
ich die Primär- und Sekundärschule und anschliessend die
tonale Oberrealschule. Im Sommer 1940
prüfung
ab und
begann
der Elektrotechnik
der Studienzeit
plom
unter der
stitut
Leitung
für
in der Maschi¬
Forschung
ist
Seither arbeitete
ich
an
der
Herrn Prof. E. Baumann zuerst
von
Fernmeldetechnik
Tätigkeit
Werkstattpraktikant
Im Sommer 1946 erwarb ich das
tätig.
Elektro-Ingenieur.
industrielle
dieser
im Herbst desselben Jahres das Studium
ich als
nenfabrik Oerlikon
als
kan¬
ich die Maturitäts¬
der ETH. Während eines halben Jahres
an
war
legte
und
Di¬
ETH
am
In¬
der
Abteilung für
Physik. Aus
vorliegende Promotionsarbeit hervorge¬
später
an
des Institutes für technische
die
gangen.
Zürich, im Januar
1951
Carl W. Diethelm