Магнитные свойства

Электрические свойства.

Тема: Свойства вещества и материалов.

Электрические свойства — совокупность свойств, характеризующих способность веществ и материалов проводить электрический ток в электрическом поле. К электрическим свойствам, наиболее широко используемым для исследования материалов (особенно металлических) и оценки возможности их практического применения, в первую очередь относится удельная электропроводность (γ) и обратная ей величина — удельное электрическое сопротивление (ρ), а также температурный коэффициент удельного электросопротивления (α).

Электропроводность (электрическая проводимость) — способность материала пропускать электрический ток под воздействием электрического поля, а также физическая величина, количественно характеризующая эту способность.

Электропроводность определяется наличием подвижных носителей заряда. Механизмы переноса заряда при различных агрегатных состояниях вещества сильно различаются. Однако величина переносимого заряда всегда равна целому числу элементарных электрических зарядов.

Электрическое сопротивление (электросопротивление) — свойство материала, определяющее силу его противодействия электрическому току при заданном напряжении электрического поля.

Удельное электрическое сопротивление (ρ₀) — характеристика, применяемая для оценки электросопротивления, Ом • м:

ρ₀ = RS/l,

где S и I — соответственно, электрическое сопротивление, площадь и длина проводника электрического тока.

Температурный коэффициент удельного электросопротивления (α) — относительное изменение удельного электрического сопротивления (р₀)° деленное на величину изменения температуры АТ, 1/К^-1:

Все материалы, применяемые в технике, по своим электрическим свойствам делят на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Различаются эти материалы по величине электросопротивления, характеру его температурного изменения и типу проводимости. Резкой границы между диэлектриками и полупроводниками провести нельзя. По величине удельного электросопротивления принято следующее деление: проводники — 10~⁵...10~⁸ Ом - м и менее; полупроводники — 10~⁶...10⁷ Ом м; диэлектрики — 10⁷...10¹⁸ Ом м.

Электрическое сопротивление у диэлектриков и полупроводников с повышением температуры уменьшается, а у проводников растет. У некоторых металлов при внешних воздействиях (например, уменьшении температуры) сопротивление скачком уменьшается практически до нуля (явление сверхпроводимости).

Характер изменения электрических свойств различных материалов при внешних воздействиях можно объяснить, если рассмотреть, что является в них носителем зарядов.

Проводники по типу носителей зарядов делятся на электронные (металлы и сплавы), ионные (электролиты) и смешанные, где имеет место движение как свободных электронов, так и ионов (например, плазма). Чистые металлы обладают малым удельным электросопротивлением (р₀ = 0,0150... 0,105 мкОм м). Исключением является ртуть, у которой удельное электросопротивление составляет 0,943...0,952 мкОм • м. Сплавы имеют более вы­сокие значения удельного электросопротивления (р₀ = 0,30...1,8 мкОм • м). К группе сплавов с повышенным удельным электросопротивлением относятся жаро- и коррозионностойкие сплавы, которые применяются в электронагревательных приборах и реостатах.

Для полупроводников носителями зарядов являются электроны проводимости (электронная проводимость «n-типа) и дырки (дырочная проводимость р- типа). Электронами проводимости являются электроны, способные перемещаться по кристаллу. Дырка — электронная вакансия в кристалле полупроводника, обладающая подвижностью. Дырки — положительно заряженный носитель тока в полупроводнике.

В чистом полупроводнике, проводимость которого обусловлена тепловым возбуждением, одинаковое число электронов и дырок движется в противоположных направлениях (собственная проводимость). Собственная проводимость возрастает при повышении температуры.

Электроны проводимости в полупроводниковых материалах могут образоваться под действием света (внутренний фотоэффект). При достаточно большой энергии светового потока проводимость полупроводниковых материалов возрастает. Техническое применение: фотосопротивления.

Проводимость полупроводника можно увеличить добавлением атомов других элементов (легированием), в результате возникает примесная проводимость. Примесная проводимость может быть обусловлена электронами или дырками. При этом в одном и том же образце полупроводникового материала один участок может обладать р -проводимостью, а другой — «п -проводимостью. р—п-переход работает как выпрямитель, пропуская ток только из р области в «п -область. Полупроводниковый материал с р— «п -переходом называется диодом и используется для выпрямления переменного тока.

Основные характеристики диэлектрических матери­алов. Для диэлектрических материалов наибольшее практическое значение среди электрических свойств и характеристик имеют поляризация, диэлектрические потери, пробой и электрическая прочность.

Поляризация — это процесс упорядочения (смещения и деформации) электронных оболочек связанных электрических зарядов вещества под действием приложенного электрического поля.

Механизмы поляризации веществ различны и зависят от характера химической связи (рис.).

Например, в ионных кристаллах (NaCl и др.) поляризация является результатом деформации электронных оболочек отдельных ионов (электронная поляризация) и сдвига ионов относительно друг друга (ионная поляризация). В кристаллах с ковалентной связью (например, в алмазе) поляризация обусловлена главным образом смещением электронов, осуществляющих химическую связь. В полярных диэлектриках (например, в твердом; H₂S), в которых молекулы или радикалы представляют собой электрические диполи, поляризация вызывается их преимущественной ориентацией (ориентационная поляризация). Такая ориентационная поляризация типична для жидкостей и газов. Сходный механизм поляризации часто наблюдается в веществах с водородной связью (например, у льда), где ионы водорода имеют несколько положений равновесия. В таких веществах поляризация происходит «перескоком» под действием электрического поля отдельных ионов из одних положений равновесия в другие.

В кристаллических диэлектриках, где ионы разного знака расположены упорядоченно, поляризация может существовать и в отсутствие электрического поля, например при деформации — пьезоэлектрики, при повышении температуры — пироэлектрики. Разновидностью пироэлектриков являются сегнетоэлектрики (титанат бария, сегнетова соль и др.), в которых поляризация может существенно изменяться как по величине, так и по знаку, например при понижении температуры.

В основе пьезоэффекта лежит смещение ионов в кристаллической решетке при упругой деформации. Пьезоэффект анизотропен и характеризуется пьезомодулем — зарядом, который появляется на поверхности пластин пьезо- электрика под действием единичной силы. От пьезоэлектриков требуются высокие значения пьезомодуля и малые потери.

Диэлектрическая проницаемость — величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме.

Диэлектрическую проницаемость определяют с помощью конденсаторов. В зависимости от конденсатора (с воздухом или вакуумом), выбранного для сравнения, различают относительную (е₀) и абсолютную ε_а диэлектрические проницаемости.

Абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ф/м:

где ε = 8,85 10^-12 Ф/м — электрическая постоянная.

Диэлектрические потери — часть энергии (мощности) электрического переменного поля, которая при переполяризации превращается в диэлектрике в теплоту и нагревает его.

Количественно они характеризуются величиной тангенса угла диэлектрических потерь tgδ (угол δ — разность фаз между векторами поляризации электрических зарядов и напряженности электрического поля). У твердых диэлектриков величины диэлектрических потерь находятся в пределах 2...5-10^-3. Наименьшими значениями диэлектрических потерь обладают неионизированные газы, которые все являются диэлектриками.

Диэлектрические потери диэлектрика, включенного под постоянное напряжение, значительно меньше. При этом неравенство потерь энергии при действии постоянного или переменного напряжений наблюдается только в диэлектриках. Особенно значительные потери мощности могут возникать при больших нагреве диэлектрика и его преждевременном разрушении.

Разрушение твердых диэлектриков под действием электрического тока может быть двух видов: пробой толщи материала и разряд по его поверх­ности. Наибольшие разрушения вызывает пробой.

Пробой — резкое возрастание электропроводности вещества в электрическом поле, напряженность которого превышает определенное значение. Пробой проходит в три стадии: формирование разряда, завершение разряда и послепробойная стадия. При пробое протекание тока происходит по узкому каналу и сопровождается, как правило, необратимыми разрушениями вещества: образуется сквозное отверстие или проплавляется канал. Наличие в материале пор, воздушных и газовых включений создает благоприятные условия для пробоя, так как в них возникают дополнительные микроразряды.

Различают, пробои тепловой, происходящий при существенном тепловом воздействии на материал, и чисто электрический, вызванный увеличением напряжения внешнего поля до критического значения (электрической прочности).

Электрическая прочность — величина критического напряжения однородного электрического поля при пробое, позволяющая оценить способность материала противостоять его разрушению электрическим напряжением.

Числовые значения электрической прочности твердых диэлектриков очень большие (несколько миллионов вольт на 1 м толщины материала). Электрическая прочность чистых однородных жидких диэлектриков по величине близка электрической прочности твердых диэлектриков, но наличие примесей и загрязнений существенно ее понижают.

Диэлектрика используются главным образом как электроизоляционные материалы. Пьезоэлектрики применяются для преобразования звуковых колебаний в электрические и наоборот; пироэлектрики — дтя индикации и измерения интенсивности инфракраснго излуче ния; сегнетсэлектрики — как нелинейные элементы в радиоэлектронике. Из жидких диэлектриков наибольшее применение имеют минеральные масла (в трансформаторах, конденсаторах и т.д.).

Требования к электроизоляционным материалам рудничного оборудования (ГОСТ F 51330.20—99). Рудничное электрооборудование может иметь два уровня изоляции — 1 или 2.

Рудничное электрооборудование с изоляцией уровня 1 должно быть рассчитано для работы при относительной влажности окружающей среды (98±2)% (с конденсацией влаги) при температуре (35±2)°С. Электрооборудование с изоляцией уровня 2 должно быть рассчитано для работы при относительной влажности окружающей среды (98±2)% при темпе­ратуре (25±2)°С.

Электрооборудование, предназначенное для работы в угольных шахтах, должно иметь уровень изоляции 1.

Электроизоляционные материалы, применяемые для изготовления деталей рудничного оборудования, классифицируются по сравнительному индексу mpикингостойкости (СИТ) на группы а,..., г.

Трекинг — последовательное образование токопроводящих мостиков, которые формируются на поверхности твердого электроизоляционного материала вследствие совместного действия электрического напряжения и наличия загрязнений на его поверхности. Количественно трекинг характеризуется сравнительным индексом трекингостойкости и контрольным индексом трекингостойкости.

Сравнительный индекс трекингостойкости — числовое значение максимального напряжения в вольтах, при котором материал выдерживает воздействие 50 капель электролита без образования трекинга.

Контрольный индекс трекинга — числовое значение контрольного напряжения в вольтах, при котором материал выдерживает 50 капель электролита без образования трекинга.

Для рудничного электрооборудования и электрооборудования угольных шахт не допускается применение гигроскопических диэлектриков, имеющих влагопоглощение за 24 ч более 2% (например, шифер, мрамор, древесина и т.п.). Электроизоляционные материалы для деталей рудничного и шахтного оборудования должны обладать:

• функциональными свойствами, например прочностью и твердостью, гарантирующими их работоспособность;

• ударной вязкостью, кДж/м², не менее, для материалов:

керамических — 3;

пластических масс, слоистых пластиков, литых смол и компаундов — 4;

изоляционных для изготовления электрических соединителей — 7;

• теплостойкостью — не менее чем на 20°С выше их наибольшей рабочей температуры.

Изоляционные части, изготовленные из пластмассы или пластин, в которых полностью или частично удален поверхностный слой, должны покрываться изоляционным лаком, имеющим значение СИТ не ниже, чем первоначальный слой.

2. Магнитные свойства

Магнитное состояние веществ определяет магнетизм.

Магнетизм — особая форма взаимодействия, осуществляемого магнитным полем, между движущимися электрически заряженными частицами (телами) или частицами (телами) с магнитным моментом.

Магнитный момент М — векторная величина, характеризующая вещество как источник магнитного поля. Полный магнитный момент свободного атома равен геометрической сумме орбитальных и спиновых моментов всех его электронов. Упорядоченно ориентированные магнитные моменты атомов вещества создают макроскопический магнитный момент.

Характеристикой магнитного состояния вещества является намагниченность J, которая определяется как отношение магнитного момента М вещества к его объему V. При этом достижение максимально возможного для данного вещества значения намагниченности J_беск называется магнитным насыщением.

Совокупность атомов с упорядоченно ориентированными магнитными моментами может образовать самостоятельный элемент структуры вещества — домен.

Домен — элемент субструктуры химически однородного вещества, характеризующийся спонтанной (самопроизвольной) намагниченностью. Обычно домены имеют размеры ~10~⁵...10^-2 см и доступны непосредственному наблюдению.

Вещества в соответствии со схемами ориентации магнитных моментов их атомов классифицируются по магнитному состоянию на парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Вещества даже одного и того же химического состава в зависимости от кристаллического строения и фазового состава могут находиться в различных магнитных состояниях. Например, Fe, Со и Ni с кристаллическим строением ниже определенной температуры (точка Кюри) обладают ферромагнитными свойствами, а выше этой температуры они парамагнитны. Переход из парамагнитного состояния в антиферромагнитное происходит при понижении температуры (ниже темпертуры Нееля T _n) и представляет собой фазовое превращение 2-го рода. У некоторых редкоземельных металлов между ферро- и парамагнитной температур­ными областями существует антиферромагнитная область.

Под влиянием внешнего магнитного поля в веществах протекают процессы намагничивания, т.е. изменения намагниченности, и возникают дополнительные магнитные моменты:

«диамагнитный, обусловленный орбитальным движением электронов;

• парамагнитный, складывающийся из спиновых магнитных моментов атомов и движения свободных электронов.

Преобладание той или другой составляющей определяет магнитные свойства материалов, характеризующие их способность намагничиваться при воздействии внешнего магнитного поля.

Диамагнетизм — свойство веществ (диамагнетиков) намагничиваться в направлении, противоположном действующему на них внешнему магнитному полю. Диамагнетизм присущ всем веществам, однако во многих случаях он маскируется парамагнетизмом, ферромагнетизмом и др. Диамагнетиками являются инертные газы (N₂, Н₂), некоторые ме­таллы (Si, Р, Bi, Zn, Си, Аи, Ag, Hg), растворы, сплавы и химические соединения (например, галогенов), а также многие органические и неорганические соединения с неполярной связью. Намагниченность, связанная с диамагнетизмом, обычно невелика, и исключение представляют сверхпроводники, которые иногда относят к диамагнетикам.

Парамагнетизм — свойство веществ (парамагнетиков), помещенных во внешнее магнитное поле, намагничиваться в направлении, совпадающем с направлением этого поля. В парамагнетиках происходит ориентация хаотически колеблющихся магнитных моментов атомов или ионов в направлении поля. Парамагнетизм наблюдается у щелочных (Li, К, Na и др.), щелочно-земельных (Са, Ra, Ва) и переходных металлов (кроме Fe, Ni, Со, Мп, Сг).

Основные магнитные характеристики материалов.

К основным магнитным характеристикам материалов относятся магнитная восприимчивость, магнитная индукция и магнитная проницаемость.

Магнитная восприимчивость (к) — величина, характеризующая связь намагниченности вещества J с напряженностью магнитного поля Н.

к = J/H.

Магнитная восприимчивость может быть как положительной, так и отрицательной. Отрицательной магнитной восприимчивостью обладают диамагнетики, они намагничиваются против поля; положительной — парамагнетики и ферромагнетики, они намагничиваются по полю.

Магнитная восприимчивость характеризует способность веществ к намагничиванию под действием магнитного поля. Она определяется главным образом содержанием ферромагнитных включений, а также их формой, размером и расположением друг относительно друга.

Магнитная индукция (В) — среднее результирующее магнитное поле вещества, представляющее собой среднее значение суммарной напряженности микроскопических магнитных полей, созданных отдельными электронами и другими элементарными частицами, Тл:

В=μ₀(H+J), (19)

где μ₀= 1,257 • 10^-6 Гн/м — магнитная постоянная.

Магнитная проницаемость μ — величина, показывающая во сколько раз увеличивается (уменьшается) магнитная индукция в веществе при воздействии магнитного поля напряженностью Н. Различают начальную магнитную проницаемость измеряемую в очень слабых магнитных полях — при значениях напряженности магнитного поля Н, близких к нулю, и максимальную магнитную проницаемость

Параметрами магнитной проницаемости являются:

• относительная магнитная проницаемость — μ₀;

абсолютная магнитная проницаемость — μ_а, Гн/м: μ_а,=μ μ₀

Между величинами магнитной восприимчивости и магнитной про­ницаемости существует зависимость:

к = μ-1.

Дата добавления: 2014-01-05