Вопросы для самопроверки. 1. Приведите общую классификацию материалов по электрическим свойствам

1. Приведите общую классификацию материалов по электрическим свойствам. Что общего и в чём различия между ними?

2. Какие основные виды проводников электрического тока вам известны?

3. Что называется поляризацией диэлектрика? Какие виды поляризации можно считать мгновенными, а какие являются замедленными?

4. Что понимать под линейными и нелинейными, полярными и неполярными диэлектриками?

5. Каков механизм электропроводности твёрдых диэлектриков? Как влияет температура на их удельную проводимость?

6. Что называют сегнетоэлектрической точкой Кюри?

7. Каковы основные эксплуатационные характеристики диэлектриков?

8. Какими материальными частицами осуществляется электропроводность полупроводников?

3.4. Магнитные свойства материалов.

Все вещества и материалы взаимодействуют с внешним магнитным полем, то есть обладают определёнными магнитными свойствами. Это связано с тем, что любое вещество и материал содержат множество различных электрически заряженных частиц, находящихся в беспрерывном движении: электронов, протонов, ионов и т.д. Магнетизм веществ обусловлен наличием внутренних электрических токов, связанных преимущественно с движением (вращающимся по орбитам) электронов в атомах и ионах. Магнетизм, вызванный движением других заряженных частиц, ничтожно мал по сравнению с магнетизмом, вызванным движением электронов. Таким образом, магнитные свойства вещества определяются двумя факторами: а) магнитным состоянием электронов и б) взаимодействием магнитных моментов электронов соседних атомов. Для того чтобы судить о магнитных свойствах материала, необходимо знать его атомарный состав, необходимо рассмотреть электронное строение атомов, составляющих данный материал.

Любое вещество, помещённое в магнитное поле, приобретает магнитный момент М. (Уточнить, р_М А* м²) Магнитный момент единицы объёма V называется намагниченностью J_m= M /V [A*м²/м³ = А/м].

В каждой точке J_m может быть разной и направленной по-разному, то есть J_m является векторной величиной: J_m = dM /dV.

Намагниченность прямо пропорциональна напряжённости магнитного поля H:

J_m = k_mH, (3.19)

где k_m – безразмерная величина, называемая магнитной восприимчивостью, Н – размерность А/м.

Электромагнитная теория Максвелла, кроме напряжённости магнитного поля H, содержит параметр B – магнитную индукцию, являющуюся суммой внешнего и собственного магнитного поля. Эти магнитные величины связаны друг с другом соотношением: (размерности, сравни 3.20 и В с/м²)

B = m_абсH, (3.20)

где В - имеет размерность В * с/м² = Тесла (Т), Н – размерность А/м; m_абс - абсолютнаямагнитная проницаемость, равная m_абс = mm_о;m_о = 4p10^-7 Гн/м - магнитная постоянная (или магнитная проницаемость вакуума). Чаще всего используют относительную магнитную проницаемость m, которая является характеристикой материала, в котором возникает магнитное поле, эта величина безразмерная. В зависимости от магнитных свойств вещества и материалы делятся на пять типов: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Диамагнетики имеют низкие отрицательные значения k_m ~ -10^-5 – они очень слабо намагничиваются, при этом их магнитный момент направлен против направления намагничивающего поля, они выталкиваются из неоднородного магнитного поля. m меньше 1 и в большинстве случаев не зависит от напряжённости магнитного поля и температуры. К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, вода, нефть и другие органические вещества, алмаз, NaCl, SiO₂, стекло, а также некоторые металлы – Be, Cu, Zn, Ga, Ge, Sr, Ag, Au, Bi, Si, Pb, и др.

Наиболее сильные диамагнетики – сверхпроводники. Выталкивающая сила в них настолько велика, что практически используется для создания так называемых магнитных подушек, удерживающих массивные детали, для создания «подшипников» без трения. А ротор со сверхпроводящей обмоткой диаметром 3 метра, вращающийся с большой скоростью, является хорошим накопителем электроэнергии атомных электростанций для покрытия пиковых нагрузок и заменяет гидроэлектростанцию средней мощности.

Парамагнетики – вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряжённости магнитного поля. Величина k_m для парамагнетиков равна 10^-3 – 10^-5. Парамагнетики втягиваются в неоднородное магнитное поле. В парамагнетиках магнитные моменты есть всегда, но в разупорядоченном состоянии, как диполи в полярных диэлектриках. В магнитном поле электронные орбитали ориентируются в направлении поля и результирующий магнитный момент атомов ориентирован в направлении поля. Фиксации ориентированного состояния материалов мешает тепловое движение. Чем ниже температура, тем чётче фиксируется намагниченность парамагнетика. Зависимость k_m от температуры выражается законом Кюри: k_m = С/Т, где С – постоянная Кюри, зависящая от природы материала, а Т – абсолютная температура.

К парамагнитным материалам относятся все переходные металлы с нескомпенсированными моментами свободных электронов (Ti, Cr, Mn, Pd, Pt и др.), щелочные металлы, Аl, W, Sn, соли Fe, Co, Ni и редкоземельных металлов, О₂, N₂, эбонит др.

Ферромагнетики – вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью k_m – до 10⁶. В ферромагнетиках k_m сильно зависит от температуры, напряжённости магнитного поля, им присуща внутренняя магнитная упорядоченность в пределах так называемых «доменов» – макроскопических областей с одинаково направленными (ориентированными) магнитными моментами. Границы доменов фиксированы и, по существу, являются границами фаз. Главная особенность ферромагнетиков заключается в способности намагничиваться до насыщения в относительно слабых магнитных полях. Намагничивание ферромагнетиков происходит неравномерно в зависимости от напряжённости магнитного поля и состоит в смещении доменных границ (перестройке размеров доменов) и в самой ориентации магнитных моментов внутри доменов, причём первый процесс идёт более легко, а второй – более трудно.

В слабых полях имеет место обратимое намагничивание, состоящее в упругом смещении доменных границ (увеличение объёма доменов). На второй стадии смещение доменных границ (стенок) носит необратимый, скачкообразный характер. Если в этом диапазоне напряжённостей подсоединить наушники к ферромагнетику, то будут слышны характерные щелчки (так называемый эффект Барнгаузена). На этой стадии кривая намагничивания имеет наибольшую крутизну.

На третье стадии происходит вращение магнитных диполей – ориентация магнитных моментов доменов. Этот процесс протекает более трудно, рост магнитной проницаемости m = В/Н начинает замедляться – проходит через максимум.

На четвёртой стадии все магнитные моменты доменов ориентируются вдоль поля, наступает техническое насыщение магнитной индукции В_s.

С уменьшением напряжённости магнитного поля Н вплоть до нуля кривая намагниченности снижается, но не до нуля, а до величины В_r. При дальнейшем увеличении поля Н обратной полярности только при напряжённости Н_с происходит изменение знака намагниченности. Это напряжённость поля, при которой В = 0, называется коэрцитивной силой. Фигура, получающаяся в координатах В – Н при циклических изменениях Н называется петлёй гистерезиса. На рис.3.15 представлена кривая намагничивания и петля гистерезиса ферромагнетика.

Рис.3.10. Кривая намагничивания и петля гистерезиса ферромагнетика.

По величине Н_с материалы подразделяются на магнитно-мягкие (с Н_с < 800 А/м) и магнитно-твёрдые. Магнитно-мягкие материалы имеют узкую петлю гистерезиса и малые потери на перемагничивание. Магнитно-твёрдые материалы, с большой Н_с, обычно больше 4000 А/м, имеют широкую петлю гистерезиса и большие потери на перемагничивание. Некоторые материалы имеют прямоугольную петлю гистерезиса (ППГ) – их выделяют в отдельную группу.

На рис. 3.16 приведены зависимости В(Н) и μ(Н) для разных типов магнитных материалов, а на рис. 3.17 – зависимость μ от температуры.

Рис. 3.11. Рис. 3.12

Рис. 3.11. Кривые зависимости магнитной индукции В (кривые намагничивания) (рис. а) и магнитной проницаемости m (рис. б) от напряжённости внешнего магнитного поля Н.

1 – железо особо чистое; 2 – железо чистое (99,98 % Fе); 3 - железо технически чистое (99,92 % Fе); 4 – пермалой (78 % Ni); 5 – никель; 6 – сплав железо – никель (26 % Ni).

Рис. 3.12. Типичная зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от температуры.

На рис.3.11 (а) приведена зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля для первичной намагничиваемости ферромагнетика. Значение m = В/m₀Н при Н стремящемся к нулю, называется начальной магнитной проницаемостью. Это значение m определяют в слабых полях, менее 0,1 А/м. Наибольшее значение m называется максимальной m_мах (определяется по максимальному углу наклона прямой, проведённой от нуля до касания с кривой намагничивания).

Температурные зависимости магнитной проницаемости (рис. 3.12) имеют экстремальный характер и при температуре, называемой температурой Кюри Т_к, обращается в нуль. Увеличение намагниченности с ростом температуры связано с облегчением смещения доменных стенок и облегчением ориентации доменов. Спад намагниченности связан с резким уменьшением спонтанной намагниченности доменов – разрушением доменной структуры. При температурах выше Т_к ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние.

При намагничивании происходит изменение геометрических размеров ферромагнетика. Это явление называется магнитострикцией, она ослабляет намагниченность и снижает эффективное значение m. Разные материалы могут иметь разные знаки магнитострикции, их размеры могут как увеличиваться, так и уменьшаться. Так, железо и никель имеют разные знаки магнитострикции. Это позволяет изготавливать материалы с большой магнитной проницаемостью m - сплавы группы «пермалой».

К ферромагнетикам относятся a-Fe, Co, Ni, Gd и некоторые другие редкоземельные металлы, некоторые сплавы на основе железа.

Антиферромагнетики – это вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решётки. Например, в кристаллах оксида марганца МnO чередующиеся атомы Мn имеют противоположное направление магнитных моментов. В этих веществах магнитная восприимчивость k_m = 10^-3 – 10^-5, причём k_m сильно зависит от температуры. При нагревании атомы ферромагнетика переходят в парамагнитное состояние (при точке Нееля, аналогичной точке Кюри). К антиферромагнетикам относятся Cr, Mn, редкоземельные металлы церий Ce, неодим Nd, самарий Sm, а также галогениды, сульфиды, карбонаты, всего более 1000 соединений.

Ферримагнетики – вещества с нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Как у ферромагнетиков, у них высокая магнитная восприимчивость k_m, зависящая от напряжённости магнитного поля и температуры. К этим веществам относятся многие упорядоченные металлические сплавы и оксиды, особенно ферриты.

Таким образом, по магнитным свойствам вещества делятся на слабомагнитные – диа-, пара- и антиферромагнетики и сильномагнитные – ферро- и ферримагнетики.

Дата добавления: 2014-12-26