Ферромагнетики (железо, никель, кобальт и их сплавы)

1.   Ферромагнетики (железо, никель, кобальт и их сплавы)

2.   Ферримагеники (ферриты r>r_Fe d 10⁶-10¹¹ раз)

Феррит – это соединение оксида железа с оксидом другого метеалла (ВаО*6Fe₂O₃ – барриевый феррит)

Достоинства ферритов : У них из-за высокого r потери на вихревые токи в высокочастотных электромагнитных полях(10⁸ Гц) малы.

Первые ферриты появились в конце 70-х. Зависимость магнитной индукции В от напряженности Н при цикличном намагничивании образует петлю.

Петля Гистерезиса:

1 - Кривая намагничивания

2-3 Петля Гистерезиса

Площадь петли характеризует потери энергии за 1 цикл перемагничивания на необратимое смещение градиц доменов и др процессы. Значение В_r при Н=0 называется остаточной нидкуцией. З начение Н_с при В=0 – коэрцетивная (заднрживающая ) сила.

По величине Н_с магеники делят на:

1.   магнтомягкие Н_с<800 A/м

2.   магнитотвердые Н_с>4 к A/м

Помимо них бывают еще магнитные материалы спциального назначения.

3.2 Сильно магнитные материалы.

Типичные виды магнитомягких материалов:

1.   Технически чистое железо (сплав Fe и C 0,05%)

2.   Электротехническая сталь (сплав Fe и C<0,8% и кремния 0,5%) Количество Si определяет удельное сопротивление стали.

3.   Пермаллой – сплав Fe c никелем < 80% или Fe C Ni c Co и с добавьением малибдена, хрома и других элементов.

Из чистого железа, электротехнической стали, пермаллоя делают сердечники магнитов и трансфориаторов.

4.   Магнитдиэлектрик – диэлектрик с внедрением в него частиц мягкомагнитного материала

5.   Ферриты, например марганцево – цинковые. Их, как и магнитодиэлектрики испльзуют на высоких частотах тк вихревые токи в них малы

6.    Альсифер (Al 6% Si 10% Fe) по магнитным свойствам не уступают пермаллою, хотя и не содержат диффицитных материалов (Ni Co малибден). Из него делают частицы магнитодиэлектрика. Извесны следующие магнитотвердые материалы, используемые как постоянные магниты:

1)   мантрситная сталь, которая содержит добавки хрома, вольфрама, кобальта (для ее получения необходимо быстрое охлаждение)

2)   сплав Кунифе (50% Сu 20% Ni 20% Fe)

сплав Кунико (50% Сu 21% Ni 20% Сo)

3)   магнитодиэлектрик – диэлектрик с частицами магниттвердого материала, его наносят например на ленту для записи информации.

4)   Магнитотвердые ферриты (бариевый ферит BaO6Fe₂O₃)

Магнетики специального назначения делят на 6 групп

1)   сплавы с высокой магнитострикцией (сильная деформация в магнитном поле)

Например 54%Pl ;46%Fe или 50%Co и 50%Fe

Чистый никель и его сплавы имеют высокую магнитострикцию, используемую в генераторах звуковых колебаний.

2)   Сплавы, отличающиеся незначительным изменением магнитной проницаемости n при изменении напряженности магнитного поля H. Например : сплав железа, никеля и алюминия.

3)   Сплавы с сильной зависимостью магнитной проницаемости n от T(термомагнитные сплавы). Например, из сплава 70% никеля и 30% купрума делают сопротивление для компенсации температурной погрешности.

4)   Магнитные пленки и монокристаллы со спецефическими доменными структурами. Перемещение полосовых доменов под воздействием внешнего поля используется в управляемых магнитным полем дифракционных решетках.

5)   Магнитная жидкость. На рис. Приведена схема магнито-жидкосного герметезатора.

 М/у разделяемыми областями А и В есть 2 магнитных диска 1. Один из них заострен. М/у дисками установлен постоянный колцевой магнит 2, намагниченный в осевом направлении. Тк гермитизированный вад 3 изготовлен из магнитного материала, то образуется магнитная цепь, которая замыкает магнитный поток 4. Магнитная жидкость 5 втянута в обасть самого сильного магнитного поля те в зазор м/у валом и заостренной кромкой одного из дисков 1. Они образуют кольцо, разделяющее области А и В

6)   Магнто-оптические материалы.

Например для записи лазером, изменяющие магнитные свойства компакт дика при записи.

3.3 Классификация по поведению в магнитном поле.

Каждой орбите электрона твердого тела соответствуетсвое значение энергии. W – энергетический уровень. Из-за притяжения ядра электроны полностью заполняют нижние энергетические уровни те орбиты ближайшие к ядру, а верхние энергтические уровни остаются свободныим(см рис).

Зонная диаграмма.

I – зона проводимости

II – запрешенная зона

III – валентная зона

· - электрон

1 – уровни возбужденного состояния электрона

2 – нормальные уровни

Энергетические уровни, заполненние эектронаминазывают валентной зоной (III). Что бы вырвать электрон из этой зоны и вовлечь его в поток зарядов, необходимо сообщить электрону энергию, те перевести в зону проводимости(в свободную зону I).

Энергетическуюцель м/у валентной зоной и зоной проводимости называют запрещенной зоной D W (зона II). В зависимости от значений r, a_r , D W веществ при атомном давлении делят на проводники, полупроводники и диэлектрики.

r [Ом*м] – удельное электрическое сопротивление.

a_r =  - температурный коэфициент удельного сопротивления

 - удельная электрическая проводимость

Один и тот же материал в зависимости от условий его использования может являться и проводником и полупроводником и диэлектриком. Например, металлы, являющиеся в твердом состоянии проводниками, оказываютс ядиэлектриками в газообразном.

§4 Диэлектрики.

Диэлектрики – материалы с удельным сопротивлением r³10⁸ Ом*м при t=20ºC и нормальном атмосферном давлении. Важным свойством диэлектрика является его способность к поляризации.

Поляризация – процесс ограниченногосмещения или ориентации связанных электрических зарядов в теле под действием электрического поля, который происходит в объеме и сопровождается появлением зарядов на поверхности материала у электронодов (см рис)

Расположение зарядов в поляризованном диэлектрике плоского конденсатора

При этом образец пиобретает полярность. Отсюда термин – поляризация. На практике мерой поляризации служит относительная диэлектрическая проницаемомть , где С и С₀ – емкости кондесатора с диэлектриком и без него соответственно. E_A – абсолютная проницаемость дилектрика E₀ – диэлектрическая проницаемость вакуума.

При нормальных условиях у твердых образцов с неполярными молекулами (неполярными диэлектриками)

E = 2- 5, а у полярных диэлектриков E = 10-40

Диэлектрики делят на пассивные и активные:

Пассивные диэлектрики сохраняют свои свойства при внешних воздействиях

Активные сильно меняют свои свойства.

Пассивные диэлектрики используют в качестве электрической изоляции в обычных конденсаторах. Электрическая изоляция препятствует прохождению тока нежелательным путем.

Широко примееняют следующие активные диэлектрики :

1.   Пъезоэлектрики – Значение их E сильно зависит от механических напряжений (например кристаллический кварц). Пьезоэлектрики используют для стабилизаторов частоты, фильтров с высокой избирательной способностью

2.   Пироэлектрики – Значение их E сильно зависит от температуры(например LiNbO₃). Использут в датчиках температуры.

3.   Сегнетоэлектрики – Значение E сильно зависит от напряженности электрического поля, что используют в варикондах (переменных емкостях). Наличие петли Гистерезиса в переменном электрическом поле – основное свойство сигнетоэлектриков, отличающее их от других классов диэлектриков (Титонат бария BaTiO₃ и материалы на его основе). Поляризованные сигонтоэлектрики используют в качестве пъезоэлектриков.

Зависимость заряда q отнапряжения U и электрической проницаемости E от температуры T сигнетоэлектрика.

Точка B соответсткует насыщению – вседлины ориентированны по полю. Важным параметром сигнетоэлектрика является точка Кюри T_k  - температура, при которой диэлектрическая проницаемость E мксимальна.

4.   Электреты – электрические аналоги постоянных магнитов – десятки лет сохраняют постоянный заряд, создающий в окружающем пространстве электричесое поле. Один из способов их получения – “бомбардировка” заряженными частицами поверхности диэлектрика.

5.   Жидкие кристаллы – органические жидкости с сильно вытянутыми нитевидными молекулами, одинаково ориентированными. Внешнее электричекое поле меняет направление их ориентации и тем самым прохрачность жидкого кристалла, часто используют в индикаторах.

6.   Лазерные диэлектрики с резонаторми генерируют когерентное излучение, при этом возбужденные атомы теряют энергию те электроны переходят с верхнего энергетического уровня на нижний. Например твердый диэлектрик лазера (ZnO,Al₂O₃, SiO₂ и др)должен быть прозрачным на частоте возбуждения генерации, оптически однородным, твердым для тщательной полировки и обладать высокой проводимостью.