Магнитные свойства материалов. Ферромагнетики. Магнитомягкие и магнитотвердые материалы.
. Магнитомягкие и магнитотвердые материалы Это материалы, главным образом ферро- и ферримагнетики, которые намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в относительно слабых магнитных полях напряженностью Н = 10-103 А/м. Наряду с малой коэрцитивной силой мерой магнитной мягкости может служить также величина статической относительной магнитной проницаемости: начальной m ~ 102 -105 и максимальной m ~ 103 -106 , а потери на магнитный гистерезис не превышают 102 Дж/м3 на один цикл перемагничивания. Типичные свойства групп магнитно-мягких материалов приведены в табл. 4.1. В переменных магнитных полях, где большей частью и используются магнитомягкие материалы, важными характеристиками их являются, удельные магнитные потери, т.е. мощность потерь на частоте перемагничивающего поля, и динамическая проницаемость md. С ростом частоты и намагниченности потери возрастают, а проницаемость снижается. По характеру применения магнитно-мягкие материалы различаются на низко и высокочастотные. На частотах f £ 104 -105 Гц в качестве магнитомягких материалов используют в основном железо и металлические сплавы, при более высоких частотах 105 -1010 Гц - тонкие магнитные пленки, ферриты и магнитные диэлектрики. Низкочастотные металлические материалы подразделяются на несколько групп: железо различной степени чистоты и низкоуглеродистые стали; сплавы железа с кремнием (так называемые электротехнические стали), прецизионные материалы, т.е. сплавы железа, никеля, кобальта (Fe-Ni, Fe-Si-Al, Fe-Al, Fe-Co). К материалам, имеющим высокую магнитную проницаемость и малую коэрцитивную силу относятся железоникелевые сплавы, называемые пермаллоями. Эти свойства во многом объясняются практическим отсутствием в пермаллоях эффектов анизотропии и магнитострикции. Хорошая технологичность позволяет получать ленты толщиной до 0.5 мкм, что создает возможность использования пермаллоя до частот 105 Гц в качестве экранов электромагнитного излучения, сердечников трансформаторов.Особую группу магнитомягких материалов образуют аморфные ферро- и ферримагнитные материалы, получаемые с помощью специальных технологий. Они сочетают определенную магнитную структуру с аморфной атомной структурой. Особенности магнитного состояния аморфных магнетиков определяются спецификой аморфного состояния вещества - отсутствием дальнего и наличием атомного ближнего порядка, термодинамической неравновесностью, флуктуациями атомных магнитных моментов. За исключением магнитных стекол, представляющих систему хаотически «замороженных» в пространстве магнитных моментов, остальные аморфные магнитные материалы обладают большим магнитным порядком. Перспективность технического использования аморфных магнетиков связана с высокой магнитной проницаемостью (~105 ), малыми магнитными потерями (~0.5 Вт/кг), большим электрическим сопротивлением. 2 Таблица 4.1. Основные группы магнитно-мягких материалов и их типичные свойства. Отличительное свойство группы М.-м.м. Марка типичного материала ВS, Тл ТС, °С НС, А/М mа mмакс r×106 , Ом×см Наибольшая намагниченность насыщения, высокая точка Кюри, ТС железо 20832 сплав Fe-Co 49 КФ 2.16 2.40 770 940 32 175 - - 5×103 4.4×103 10 20 Низкие магнитные потери Р при частоте 50 Гц электротехнич. сталь: анизотропная, 3415 (0.35 мм) изотропная, 2412 (0.35 мм) аморфный сплав на основе Fe (25 мкм) 2.0 2.0 1.56 740 740 415 - - 2.4 - - - - - - 50 50 130 Низкие магн. потери при перемагничивании в полях звуковых частот электротехнич. сталь: анизотропная, 3415 (0.05 мм) изотропная, 2412 (0.1 мм) аморфный сплав на основе Fe (25 мкм) 2.0 2.0 1.58 740 740 405 32 36 8 - - - - - - 50 51 125 Низкие магн. потери в диапазоне высоких и сверхвысоких частот феррит 150 ВЧ магнитодиэлектрик Р 100 феррит-гранат 30С46 0.35 - 0.13 400 - 280 250 - 80 170 10 70 350 - - 1012 - 1014 Наивысшая магн. проницаемость mмакс в слабых полях 79 НМ (0.05 мм) 81 НМА (0.05 мм) 0.73 0.5 450 260 1.2 0.56 3×104 1×105 2×105 3×105 55 80 Повышенное электросопроти- вление 50НХС (0.1 мм) 12Ю 1.0 1.0 360 600 10 24 3×102 1×103 2.8×104 - 90 100 Высокая индукция 50 Н (0.1 мм) 1.5 500 14 3×103 3×104 45 Прямоугольная петля гистерезиса 50 НП (0.05 мм) 68НМП (0.1 мм) 1.52 1.15 500 580 11 0.8 - - 8×104 5.5×105 45 45 Высокая магнитострикция 49К2Ф (0.2 мм) 9Ю-ВИ (0.2 мм) 2.35 1.4 960 710 160 60 7×102 - 5.5×103 1.5×103 40 90 Чаще всего используют аморфные сплавы металлов группы железа с добавкой ряда металлоидов (В, С, N, Si, P) и редкоземельных элементов. 3 Аморфные материалы находят применение при создании трансформаторов, магнитных экранов, систем магнитной памяти и головок магнитофонов. В электронике и смежных областях: радиотехнике, вычислительной технике и ряде других, наибольшее применение находят магнитные пленки. Они представляют собой слой магнитного вещества (обычно ферро- или ферримагнетиков) толщиной от нанометра до нескольких микрометров Магнитные пленки отличаются от массивных образцов магнетиков рядом физических свойств. Одной из наиболее существенных свойств магнитных пленок является сильная магнитная анизотропия, которая определяет тип магнитной доменной структуры и характер процессов намагничивания. В пленках с преобладающей продольной анизотропией вектор спонтанной намагниченности лежит в плоскости пленки и в этом случае образуются вытянутые, так называемые, плоские магнитные домены (ПМД). В пленках с преобладающей перпендикулярной анизотропией ось легкого намагничивания (ОЛМ) ориентирована по нормали к поверхности. Такие пленки в отсутствие магнитного поля обладают неупорядоченной лабиринтной доменной структурой с двумя типами доменов, намагниченность которых направлена либо вдоль, либо против нормали к поверхности пленки. При увеличении напряженности внешнего поля (поля смещения) лабиринтная доменная структура превращается в структуру изолированных ЦМД. ЦМД существуют в определенном интервале значений напряженностей поля смещения: Н1<Нс<Н2. При Нсм=Н1 он растягивается в полоску (Н1 – поле эллиптической неустойчивости), а при Нсм=Н2 возникает коллапс, т.е. схлопывание доменов (Н2 – поле коллапса). Рис. 4.4. Структуры цилиндрического магнитного домена Цилиндрические магнитные домены легко передвигаются по пленке под действием неоднородного магнитного поля. Подвижные ЦМД в феррит-гранатовых тонких пленках используются как элементы памяти в запоминающих устройствах; основой является домен с определенным направлением спонтанной намагниченности. Другое перспективное направление применения магнитных пленок в информационной технике состоит в разработке магнитооптической памяти 4 (магнитооптические диски). Информация на такие диски записывается термомагнитным способом с помощью лазеров, а считывание происходит с помощью магнитооптических эффектов Керра или Фарадея. При этом плотность записи информации может достигать 107 бит/см2 . Феррит-гранатовые пленки используются в устройствах управления оптическим пучком (дефлекторы, переключатели, модуляторы). В СВЧ технике магнитные пленки применяются при создании фильтров, фазовращателей и вентилей. Магнитомягкие пленки (в основном, пермалой 2Fe-Ni) используются при создании магнитопроводов, полюсных наконечников в магнитных головках для записи и считывания информации. К высокочастотным магнитомягким материалам относятся магнитные диэлектрики, которые обладают очень низкой электропроводностью, характерной для обычных диэлектриков. Наиболее важными их представителями являются ферриты, т.е. сложные окислы железа. В состав ферритов входят анионы кислорода О2- , образующие основу кристаллической решетки, в промежутках между которыми располагаются катионы Fe3+ и катионы переходных металлов. Большинство ферритов являются ферримагнетиками. Наиболее характерны с точки зрения практических применений ферриты со структурой шпинели с общей химической формулой МеОFe2О3, где Ме - двухвалентный металл (Ni, Co, Mn, Mg) и ферриты со структурой граната с общей химической формулой Мe3Fe5O12, где Me - трехвалентный ион щелочноземельной и редкоземельной групп таблицы Менделеева ( Y , Cd, Sm). Некоторые ферриты относятся к ферромагнетикам и антиферромагнетикам. Ферриты - шпинели и феррит - гранаты нашли широкое применение в радиотехнике как материалы с малыми потерями на вихревые точки в антеннах, сердечниках радиочастотных контуров, в сверхвысокочастотной технике в качестве активных элементов переключателей, циркуляторов, вентилей. Их использование в СВЧ электронике основано на эффекте поворота плоскости поляризации электромагнитных волн в магнитном поле (эффект Фарадея) и эффекте зависимости значения магнитной проницаемости от магнитного поля. Все ферриты обладают высокой оптической прозрачностью, что позволяет их использовать в устройствах магнитного управления параметрами оптического пучка. Магнитные полупроводники со структурой шпинели нашли применение для создания ячеек памяти, для термомагнитной и фотомагнитной записи. Эпитаксиальные пленки феррит-гранатов являются одним из лучших материалов для устройств с цилиндрическими магнитными доменами. К магнитным диэлектрикам также относят спрессованные ферромагнитные порошки (железа, магнетита и других металлов) с каким-либо диэлектриком. Так как в таких материалах не возникают вихревые токи, они получили некоторое применение в технике, но с открытием ферритов стали утрачивать свое значение. 5 Магнитотвердые материалы - ферромагнитные материалы, которые намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сравнительно сильных магнитных полях напряженностью Н ~ 103 -105 А/м. Магнитотвердые материалы характеризуются высокими значениями коэрцитивной силы НС ~ 103 -106 А/м, остаточной индукции В ~ 0,5-15 Тл, и максимальной плотностью магнитной энергии (BH)max ~ 10-103 кДж/м3 . Природа высоких значений коэрцитивной силы определяется одним (или несколькими) основным механизмом задержки процессов перемагничивания в ферромагнетиках: необратимым поворотом намагниченности MS магнитных доменов; задержкой образования или роста зародышей перемагничивания; закреплением доменных границ (стенок) на различных неоднородностях и структурных несовершенствах кристалла. По преобладающему технологическому признаку твердые материалы можно разделить на следующие группы: 1.Углеродистые легированные стали, характеризующиеся умеренными значениями коэрцетивной силы (НС ~ 5-7×103 А/м) и плотностью магнитной энергии (В×Н)мах~1-4 кДж/м3 , что ограничивает область их применения. 2. Недеформируемые литые сплавы Их основой являются тройные соединения Al-Ni-Fe с добавками кремния, кобальта, титана, ниобия, меди. Они обладают повышенными значениями НС ~10-60 кДж/м3 . 3. Деформируемые железо-кобальт-хромовые, железо-кобальт- ванадиевые сплавы, а также сплавы на основе благородных металлов : Pt-Co, Pd-Fe, Pt-Fe. Эти сплавы обычно подвергают пластической деформации под давлением в сочетании со структурным старением или упорядочением. Магнитные характеристики деформированных сплавов превышают аналогичные характеристики для недеформированных сплавов : значение (ВН)мах в них может достигать ~100 кДж/м3 . В марках магнитотвердых сплавов буквы и цифры указывают на массовое содержание процентов : алюминия (Д), ванадия (Ф), вольфрама (В), кобальта (К), меди (Д), молибдена (М), никеля (Н), титана (Т). Буква А обозначает наличие кристаллической текстуры, улучшающей свойства сплава. 4. Материалы, получаемые прессованием порошков с их последующей термообработкой. Различают металлокерамические, металлопластические материалы; оксидные материалы (ферриты). Металлокерамические материалы получают из металлических порошков методом прессования без связующего материала, например, (Sm-Со) - самарий-кобальтовые материалы. Металлопластические материалы получают прессованием порошков вместе с изолирующей связкой, полимеризующейся при высокой температуре. Из оксидных материалов наиболее известен бариевый феррит (Ba-Fe-O). Оновные магнитотвердые материалы приведены в табл. 4.2. К наиболее важным применениям магнитотвердых материалов относятся постоянные магниты как автономные источники постоянного магнитного поля. Обычно используются магнитотвердые материалы, прошедшие соответствующую термическую обработку и предварительно намагниченные 6 до насыщения. Обычно постоянные магниты входят как составная часть в магнитную систему, предназначенную для формирования магнитного поля, напряженность и конфигурация которого могут быть как постоянными так и регулируемыми. Наиболее важные характеристики постоянных магнитов: остаточная индукция Bd и энергетическое произведение (ВН). У совершенных материалов (ВН)max достигает значений 32Тл×кА/м. Пространственная последовательность магнетиков образует магнитную цепь, по которой проходит определенный магнитный поток. Если магнитный поток возбуждается постоянными магнитами, то такая цепь называется поляризованной. К магнитной цепи применимы законы Ома и Кирхгофа. F = ФRm, (4.8) где Ф - магнитный поток, Rm - магнитное сопротивление, F - магнитодвижущая сила: Rm=L/(mm0S), (4.9) где L и S соответственно длина и поперечное сечение магнитной цепи. Таблица 4.2. Основные магнитно-твердые материалы. Материал Состав
Проводники и термо-ЭДС
1. Как объясняет зонная теория различие между электрическими свойствами металлов и кристаллических диэлектриков?
при 0 К в зоне проводимости металлов имеются электроны, а в зоне проводимости диэлектриков они отсутствуют
2. Почему удельное сопротивление сплавов выше, чем чистых металлов, использованных в этом же сплаве?
При образовании твердого раствора постоянная кристаллической решетки металла-растворителя изменяется, атомы компонентов распределяются по ее узлам беспорядочно и кристаллическая решетка существенно деформируется, что приводит к сильному рассеянию электронов проводимости и росту электрического сопротивления материала.
3. Почему с увеличением температуры сопротивление металлов возрастает?
Быстрый рост удельного сопротивления при низких температурах до температуры Дебая может быть объяснен возбуждением новых частот тепловых колебаний решетки, при которых происходит рассеяние носителей заряда. Затем, когда спектр колебаний возбужден полностью, увеличение амплитуды колебаний с ростом температуры приводит к линейному росту сопротивления примерно дотемпературы плавления. При достижении температуры плавления и переходе в жидкое состояние у большинства металлов наблюдается резкое увеличение удельного сопротивления, связанное с явлениями разупорядочения кристаллической решетки.
4. Как образуется термо-ЭДС?
объясняется перемещением электронов из одного проводника в другой и выравниванием их внутренних потенциалов. В любом металле электроны проводимости образуют электронный газ, подобный идеальному газу. В связи с неодинаковой плотностью электронного газа в различных металлах его давление также неодинаково. Поэтому при соприкосновении металлов электроны из металла с большим давлением электронного газа стремятся в металл с меньшим давлением, что приводит к избытку положительного электричества в одном металле и отрицательного в другом.
Полупроводники
1. Чем обусловлен ток полупроводников?
«n-тип» отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу.для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам.
«p-тип» положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка.
Если полупроводник помещается в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного In и дырочного Ip токов: I = In+ Ip.
2. Как зонная теория объясняет электрические свойства полупроводников?
Наиболее простое объяснение физических свойств полупроводников может быть дано на основе представлений зонной теории твердого тела. При образовании кристалла полупроводника происходит расщепление в зону энергетических уровней валентных электронов и электронных уровней возбужденных состояний. В результате в кристалле полупроводника возникают две зоны (рис. 30). Первая из этих зон (/) возникает в результате расщепления низших энергетических уровней в атоме. Она заполняется валентными электронами в нормальном квантовом состоянии.
3. Как зонная теория объясняет влияние температуры на электропроводность полупроводников?
В отличие от металлов, сопротивление которых при повышении температуры увеличивается, сопротивление полупроводников при нагревании уменьшается. Дело в том, что электрпроводность любого материала (а электропроводность и сопротивление - это обратно пропорциональные величины) зависит от заряда носителей тока, скорости их упорядоченного направленного движения в электрическом поле и от числа этих носителей в единице объема вещества (концентрация). В полупроводниках с ростом температуры концентрация носителей увеличивается и, как результат, теплопродность проводника увеличивается, а сопротивление, соответственно, уменьшается.
4. Каковы свойства n-p- перехода?
При контакте двух областей n- и p- типа из-за градиента концентрации носителей заряда возникает диффузия последних в области с противоположным типом электропроводности. В p-области вблизи контакта после диффузии из неё дырок остаются нескомпенсированные ионизированные акцепторы (отрицательные неподвижные заряды) , а в n-области — нескомпенсированные ионизированные доноры (положительные неподвижные заряды) . Образуется область пространствееного заряда (ОПЗ) , состоящая из двух разноимённо заряженных слоёв. Между нескомпенсированными разноимёнными зарядами ионизированных примесей возникает электрическое поле, направленное от n-области к p-области и называемое диффузионным электрическим полем. Данное поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей через контакт — устанавливается равновесное состояние (при этом есть небольшой ток основных носителей из-за диффузии, и ток неосновных носителей под действием контактного поля. Эти токи компенсируют друг друга) . Между n- и p-областями при этом существует разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов. Потенциал n-области положителен по отношению к потенциалу p-области. Обычно контактная разность потенциалов в данном случае составляет десятые доли вольта.
5. Каковы свойства и область применения терморезисторов?
сопротивление которого меняется с температурой, изготавливаются из полупроводникового материала – спеченной керамики, изготовленной из смеси оксидов металлов,
Терморезисторы с рабочей точкой выставленной на нисходящем участке ВАХ (с «отрицательным сопротивлением») применяются в качестве пусковых реле, реле времени, в системах измерения и контроля мощности электромагнитного излучения на сверхвысоких частотах (или СВЧ), системах теплового контроля и пожарной сигнализации, в установках регулирования расхода жидких и сыпучих сред.
6. Самостоятельно нарисуйте схемы, предназначенные для снятия характеристик диодов и термо-резисторов.
Магнитные материалы
1. Какие металлы называют магнитными? Какое свойство наиболее характерно для них?
материалы, вступающие во взаимодействие с магнитным полем, выражающееся в его изменении, а также в других физических явлениях — изменение физических размеров, температуры, проводимости, возникновению электрического потенциала. Хорошая электропроводность
2. Как происходит процесс намагничивания магнитных материалов? Имеется ли аналогия между сегнетоэлектриками и ферромагнетиками? В чем конкретно она проявляется?
ферромагнетик в основном состоянии разбит на мелкие области - домены. В каждом домене своё направление намагниченности. В сумме они дают нулевую намагниченность.
Если приложить внешнее магнитное поле, то энергетически выгодными окажутся те домены, намагниченность которых направлена вдоль поля. Чем меньше угол между направлением поля и направлением намагниченности, тем энергетически выгоднее.
Поэтому во внешнем магнитном поле границы между доменами начнут смещаться так, что объем невыгодных доменов будет уменьшаться, а объем выгодных увеличиваться.
В очень сильном внешнем поле остается один единственный домен с объемом равным объему образца и с намагниченностью, направленной вдоль поля.
Схожесть свойств ферромагнетиков и сегнетоэлектриков проявляется прежде всего в том, что в обоих случаях наблюдается явление гистерезиса, и в обоих случаях это явление объясняется наличием доменных структур: спонтанной намагниченности определенных микрообластей в ферромагнетиках и спонтанной поляризации определенных микрообластей в сегнетоэлектриках.
5. Какие материалы называют магнитомягкими и магнитотвердыми и какова область их применения?
Магнитомягкие материалы – это материалы с большой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой, быстро намагничиваются и быстро теряют магнитные свойства при снятии магнитного поля. применение для элементов оперативной памяти электронно-счетных устройств для записи звука
Магнитотвердые материалы (постоянные магниты) – материалы с малой магнитной проницаемостью и большой коэрцитивной силой для изготовления постоянных магнитов
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 992; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!