Х в , % 100

0 Х в , % 100

Рисунок 1.4

Сплавы имеют значительно более высокие значения удельного сопротивления, чем чистые металлы. С другой стороны, как следует, в частности, из выражения (1.8), сплавы термостабильнее чистых металлов, то есть, их ТКr существенно ниже (рисунок 1.4). Оба этих свойства можно использовать для изготовления резисторов – проволочных и плёночных.

r

0 Х в , % 100

Рисунок 1.5

Закон Нортгейма и соотношение для ТКr хорошо выполняются лишь для сплавов, представляющих собой физический раствор компонент А и В (смесь фаз). В ряде случаев, растворы могут образовывать так называемые интерметаллические соединения – по сути, новые химические вещества со своей кристаллической структурой, в которой атомы двух компонент строго упорядочены. Например, в сплавах Mg – Zn могут образовываться следующие соединения MgZn, Mg2Zn3, Mg2Zn4, Mg2Zn6 с регулярными собственными кристаллическими системами. На диаграммах «свойство-состав» таких сплавов на фоне общего максимума, при определённых соотношениях в составе, наблюдаются резкие провалы, соответствующие чистой металлической фазе (рисунок 1.5).

2. Диэлектрики 2.1 Функции, выполняемые диэлектриками в РЭА

Диэлектрики имеют чрезвычайно большое значение для радиоэлектронной техники. Теоретические вопросы, связанные со строением диэлектриков с точки зрения зонной теории, были рассмотрены в пункте 1.1. В простейших случаях своего применения, диэлектрики используются в качестве электроизоляционных материалов. Назначение электрической изоляции сводится к тому, чтобы воспрепятствовать прохождению электрического тока по путям, нежелательным для работы данной электрической схемы. Однако, помимо пассивных, изолирующих функций, некоторые виды диэлектриков выполняют активные функции, порой более сложные, чем полупроводниковые материалы. Дадим некоторый (не полный) перечень функций, выполняемых диэлектриками в РЭА и элементов, в которых они используются.

Пассивные функции

1) Электроизоляция проводников тока;

2) Поляризационно – изорирующая межобкладочная среда конденсаторов;

3) Подзатворная изоляция полевых транзисторов;

4) связующая среда магнитодиэтектриков;

Активные функции

5) Вариконды, датчики температуры, нелинейные усилительные элементы (на основе сегнетоэлектриков);

6) Пьезоэлектрические генераторы, резонаторы, трансформаторы. Элементы акустоэлектроники (на основе пьезоэлектриков, акустооптических материалов);

7) Источники постоянного электрического поля (на основе электретов);

8) Электролюминофоры, фотолюминофоры, сцинтилляторы;

9) Модуляторы света;

10) Оптические запоминающие устройства;

11) Индикаторы (на основе жидких кристаллов);

12) Рабочие оптические лазерные среды.

2.2 Виды поляризаций

Свободные заряды – заряды способные двигаться под действием электрического поля на расстояния, намного превышающие межатомные.

Связанные заряды – заряды, смещающиеся под действием электрического поля на расстояние, соизмеримые, или меньшие, чем межатомные расстояния.

Поляризация – направленное перемещение в материале большого количества связанного заряда на ничтожно малые расстояния, соизмеримые, или меньшей, чем межатомные расстояния.

Физически процесс поляризации может протекать по-разному и сопровождаться различными явлениями, поэтому, с учётом физических тонкостей поляризацию разделяют на виды и классы (рисунок 2.1). Принципиальные отличия упругих и неупругих видов поляризации отображены в таблице 2.1. Спонтанная поляризация – относительно редкое и уникальное явление, свойственное некоторым кристаллическим диэлектрикам. В отличие от остальных видов поляризации, упругих и неупругих, спонтанная поляризация обладает свойством нелинейности.

ПОЛЯРИЗАЦИИ

Упругие Неупругие

Релаксационные Миграционные Спонтанная

1. Электронно- 1. Ионно- 1. Межслоевая

упругая релаксациооная 2. Высоковольтная

2. Ионно-упругая 2. Дипольно-

релаксационная

3. Дипольно- 3. Электронно-

упругая релаксационая

Рисунок 2.1 – Виды поларизации

Таблица 2.1 – Особенности упругих и неупругих видов поляризации

Упругие виды	Неупругие виды
1. Малое время установления t < ~ 10-12 c.	1. Относительно большое время установления t < ~ 10-7 c.
2. малые смещения связанных зарядов (в пределах упругих сил), на расстояния значительно меньшие межатомных.	2. Смещение связанных зарядов происходит на расстояния порядка межатомных (упругие силы преодолеваются).
3. отсутствие рассеяния энергии в виде тепла на радиочастотах.	3. имеют место потери энергии в виде тепла в процессе установления на радиочастотах.

Указанные в таблице отличия взаимно обусловлены. Если заряды связаны сильным внутренним полем, а внешнее электрическое поле и тепловые колебания не способны разорвать эти связи, то происходит небольшое смещение заряда в пределах действия упругих сил. Энергия внешнего источника поля, затраченная на смещение зарядов, практически полностью возвращается источнику после снятия поля, - в процессе обратного смещения во внешней цепи индуцируется ток, имеющий противоположное направление по отношению к току прямого смещения. Время установления упругих поляризаций мало, так как оно определяется динамическим смещением микрочастиц при воздействии на них поля.

Если заряды «привязаны» к своему месту относительно слабо и способны, преодолев упругие силы, сместиться на расстояние, равное одному или нескольким межатомным расстояниям, то с неизбежностью возникает их взаимодействие с окружающими частицами. Таким образом, в процессе неупругой поляризации часть энергии внешнего поля будет передана среде в виде тепловой энергии. Следует отметить, что причиной возникновения неупругих поляризаций является совместное действие внешнего электрического поля и теплового движения частиц среды. Одно внешнее поле не способно разорвать даже слабые связи, поэтому релаксационная поляризация должна быть термоактивирована. Вследствие этого, характерное время установления поляризации определяется не динамикой смещения частиц в поле, а характерным временем термоактивационного прыжка.

Название «релаксационные» большинство неупругих видов поляризации получило из-за того, что процесс их установления во времени t описывается релаксационными законами, содержащими затухающие экспоненты типа exp(-t / t). Параметр t, который называется временем релаксации, по сути определяет время установления данной поляризации. Любая релаксационная поляризация связана с перемещением связанного заряда на расстояния, соизмеримые или большие, чем межатомные расстояния.

2.3 Диэлектрические потери

Мощность, выделяющаяся в диэлектрике в виде тепла при воздействии на него электрического поля, называется диэлектрическими потерями.

Мерой потерь является плотность мощности тепловой энергии, то есть, количество тепла, выделяемого в единице объёма материала за единицу времени [w] = [Вт / м3].

При воздействии электрического поля в любом материалле выделяется тепло в том числе и в диэлектрике. Потери в диэлектриках вызываются различными процессами, поэтому их подразделяют на несколько видов (рисунок 2.2)

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

Связанные с током проводимости Связанные с током смещения

Jпр = g Е Jсм = dD/dt (поляризацией)

Потери проводимости Релаксационные потери

Ионизационные потери Резонансные потери

Миграционные потери Сегнетоэлектрические потери

Рисунок 2.2 – Виды диэлектрических потерь

Как следует из рисунка существуют две главные причины потерь. Первая причина – сквозной ток, или ток проводимости, обусловленный наличием некоторого количества свободного заряда, создающего проводимость. Вторая причина – поляризация. Поляризация, как и любой реальный физический процесс, сопровождается потерей определённой порцией энергии при смещении связанного заряда (при возникновении тока 0,смещения).

Потери проводимости. Для большинства твёрдых диэлектриков сквозная проводимость обусловлена движением слабо закреплённых ионов, находящихся в относительно неглубоких потенциальных ямах. Движение ионов носит характер отдельных скачков, вызванных сообщением им со стороны отдельного коллектива частиц порций энергии, достаточных для преодоления барьеров. Электрическое поле, создаёт дисбаланс в вероятности скачков против и по направлению поля, и за счёт этого движение происходит преимущественно в одном направлении.

Ионизационные потери возникают в диэлектриках, имеющих внутри себя газообразные поры. Примером может служить керамика, или некоторые рыхлые полимеры. Электрическая прочность газов относительно низка, поэтому, если в диэлектрике создано достаточно сильное поле, то газообразные включения пробиваются, и в них зажигаются так называемые частичные разряды. В разряде выделяется тепло, которое составляет часть потерь диэлектрика. Частичные разряды могут быть причиное постепенного разрушения материала за счёт взаимодействия ионов и электронов, ускоренны в разряде, с основным веществом. Постепенная эрозия вещества при частичных разрядах приводит к старению и, в конце концов, к пробою диэлектрика.

Особенностью ионизационных потерь является их сильная зависимость от напряжения выше некоторого порогового значения Е0.

Ионизационные токи, как и другие токи проводимости, млжно охарактеризовать величиной проводимости, однако проводимость будет сложным образом зависима от напряжённости поля.

Миграционные потери имеют место в сильно неоднородных диэлектриках, состоящих из отдельных фаз. Даже если прохождение свободных зарядов сквозь границы раздела фаз затруднено, свободные заряды могут мигрировать в пределах зёрен, создавая кратковременные токи проводимости и потери. Миграционные потери дают максимумы на частотных зависимостях тангенса угла диэлектрических потерь, подобные релаксационным максимумам.

Релаксационные потери. В случае, если в диэлектрике значительная релаксационная поляризация, то неизбежно возникают потери связанные с этой поляризацией. В процессе смещения связанных зарядов возникают силы сопротивления со стороны окружающих молекул, подобные силам трения. При этом, каждый диполь передаёт материалу определённую порцию энергии. Как только смещение произошло, тепловые потери прекращаются. Поэтому, говорить о релаксационных потерях имеет смысл лишь тогда, когда на диэлектрик действует переменное поле си смещение зарядов совершается периодически.

В силу инерционности установления релаксационной поляризации, при скачкообразном изменении внешнего поля, равновесная поляризованность (для данной напряжённости) может установиться лишь через некоторое время.

Резонансные потери. Потери, создаваемые упругими видами поляризации, пренебрежимо малы если поляризация происходит под действием переменных полей радиочастотного диапазона. Из-за малой амплитуды смещения частиц, они остаются в поле упругих сил. В условиях резонанса (инфракрасный диапазон частот) может резко измениться амплитуда и характер колебаний частиц, что приводит к нарушению условия упругости сил и возникновению потерь. Поэтому, резкому изменению диэлектрической проницаемости при резонансе частиц соответствует максимум тангенса диэлектрических потерь.

Сегнетоэлектрические потери обусловлены движением границ доменов в диэлектриках, обладающих спонтанной поляризацией (такие диэлектрики называют сегнетоэлектриками). Эти потери существенны даже у условиях предельно низких частот и определяются чистотой и совершенством внутренней структуры кристалла. О больших потерях в сегнетоэлектриках может свидетельствовать ярко выраженная петлеобразность характеристики D(E).

3. Магнитные материалы. 3.1. Классификация веществ по магнитным свойствам

По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно подразделить на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Перечисленным видам магнетиков соответствуют пять различных видов магнитного состояния вещества: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм.

К диамагнетикам относят вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и ее производные), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и др.), большинство полупроводников (кремний, германий, соединения А3В5, А2В6) и органических соединений, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла и др. Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии.

К парамагнетикам относят вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. К числу парамагнетиков относят кислород, окись азота, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.

К ферромагнетикам относят вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью (до 10⁶), которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.

Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (Ce, Nd, Sm, Tm и др.). Типичными антиферромагнетиками являются простейшие химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и т.п.

К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Наряду с этим ферримагнетики характеризуются и рядом существенных отличий от ферромагнитных материалов.

Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные металлические сплавы, но, главным образом, - различные оксидные соединения, среди которых наибольший практический интерес представляют ферриты.

3.2. Классификация магнитных материалов

Применяемые в электронной технике магнитные материалы подразделяют на две основные группы: магнитотвердые и магнитомягкие. В отдельную группу выделяют материалы специального назначения.

К магнитотвердым относят материалы с большой коэрцитивной силой Н_с. Они перемагничиваются лишь в очень сильных магнитных полях и служат для изготовления постоянных магнитов.

К магнитомягким относят материалы с малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. Они обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Магнитомягкие материалы используются в основном в качестве различных магнитопроводов: сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов , магнитных систем электроизмерительных приборов и т. п.

Условно магнитомягкими считают материалы, у которых Н_с < 800 А/м, а магнитотвердыми - с Н_с > 4 кА/м. Необходимо, однако, отметить, что у лучших магнитомягких материалов коэрцитивная сила может составлять менее 1 А/м, а лучших магнитотвердых материалах ее значение превышает 500 кА/м. По масштабам применения в электронной технике среди материалов специального назначения следует выделить материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), ферриты для устройств сверхвысокочастотного диапазона и магнитострикционные материалы.

Внутри каждой группы деление магнитных материалов по родам и видам отражает различия в их строении и химическом составе, учитывает технологические особенности и некоторые специфические свойства.

Свойства магнитных материалов определяются формой кривой намагничивания и петли гистерезиса. Магнитомягкие материалы применяются для получения больших значений магнитного потока. Величина магнитного потока ограничена магнитным насыщением материала, а потому основным требованием к магнитным материалам сильноточной электротехники и электроники является высокая индукция насыщения. Свойства магнитных материалов зависят от их химического состава, от чистоты используемого исходного сырья и технологии производства. В зависимости от исходного сырья и технологии производства магнитомягкие материалы делятся на три группы: монолитные металлические материалы, порошковые металлические материалы (магнитодиэлектрические) и оксидные магнитные материалы, кратко называемые ферритами.

 

3.3 Ферриты

 

Ферриты представляют собой химические соединения, в общем случае имеющие формулу МFe₂O₄, где М - чаще всего двухвалентный ион металла, например, Cu, Zn, Mg, Ni, Fe, Co и Mn. В отличие от порошковых сердечников ферриты представляют собой монолитные материалы. Магнитомягкие ферриты кристаллизуются в кубической системе и имеют структуру шпинели - минерала состава MgAl₂O₄. Чаще всего применяются ферриты следующих типов:

MnO*ZnO x 2Fe₂O₃ - марганцево-цинковый феррит;

Nio*ZnO x 2Fe₂O₃ - никель-цинковый феррит;

MgO*MnO*2Fe₂O₃ - магний-марганцевый феррит.

Ферриты имеют высокое удельное электрическое сопротивление порядка 10-10⁹ Ом*см и благодаря этому низкие потери на вихревые токи. Индукция насыщения составляет приблизительно 20-25% от индукции насыщения железа.

Ферриты делятся на три подгруппы:

а) ферриты с гарантированными потерями и проницаемостью;

б) ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса;

в) ферриты со специальными свойствами.

Марганец-цинковые ферриты по сравнению с никель-цинковыми имеют меньшие потери. Оба эти вида ферритов относятся к первой подгруппе. Т.к. никель-цинковые ферриты имеют более высокое электрическое сопротивление, то их целесообразно применять в области частот от 500 кГц до 200 МГц и выше, т.е. для цепей высокочастотной техники. Магний-цинковые ферриты предназначены для применения в диапазоне от звуковых частот до нескольких МГц.

Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса бывают никель-цинковыми или магний-марганцевыми. В технике УКВ также применяются магний-марганцевые ферриты, однако соотношение отдельных составных частей в тройной системе отличается от состава магний-марганцевых ферритов с прямоугольной петлей гистерезиса. Эти ферриты вместе с магнитострикционными материалами относятся к группе материалов со специальными свойствами.

Благодаря своим свойствам, ферриты имеют очень широкий диапазон применения. В настоящее время ферриты применяются в производстве реле,сетевых трансформаторов устройств связи, дросселей, электромеханических преобразователей и резонаторов и т.п. Однако наибольшее распространение ферриты получили в производстве сердечников для катушек (феррокатушек), запоминающих и переключающих цепей и т.п.

3.3.1 Особенности ферримагнетиков

Строение ферримагнетиков. Ферримагнетики получили свое название от ферритов, под которыми понимают химические соединения окисла железа Fe₂O₃ с окислами других металлов. В настоящее время используют сотни различных марок ферритов, отличающихся по химическому составу, кристаллической структуре, магнитным, электрическим и другим свойствам.

Наиболее широкое применение нашли ферриты со структурой природного минерала шпинели. Химический состав ферритов-шпинелей отвечает формуле МеFe₂O₄, где под Ме понимают какой-либо двухвалентный катион. На примере этих соединений рассмотрим наиболее характерные особенности магнитных свойств ферримагнетиков.

Исследования показывают, что наличие или отсутствие магнитных свойств определяется кристаллической структурой материалов и, в частности, расположением ионов двухвалентных металлов и железа между ионами кислорода. Элементарная ячейка шпинели представляет собой куб, в состав которого входит восемь структурных единиц типа МеFe₂O₄, т.е. 32 иона кислорода, 16 ионов трехвалентного железа и 8 ионов двухвалентного металла. Кислородные ионы расположены по принципу плотной кубической упаковки шаров. При этом возникают междуузлия двух типов: тетраэдрические, образованные окружением четырех ионов, и октаэдрические, образованные окружением шести ионов кислорода. В этих кислородных междуузлиях находятся катионы металлов. Всего в элементарной ячейке шпинели может быть заполнено 8 тетраэдрических промежутков (назовем их позициями типа А) и 16 октаэдрических мест (позиции типа В).

Структуру, в которой все катионы двухвалентного железа занимают позиции типа А, а катионы трехвалентного железа распределяются в междуузлиях типа В, называют нормальной шпинелью. Учитывая такой характер распределения катионов по кислородным междуузлиям, формулу феррита со структурой нормальной шпинели можно представить в следующем виде:

(Мe²⁺)[Fe³⁺Fe³⁺]O₄

где в круглых скобках указаны ионы, занимающие позиции типа А, а в квадратных - ионы в позициях типа В. Стрелками условно показано направление магнитных моментов катионов. В структуре нормальной шпинели кристаллизуются ферриты цинка (ZnFe₂O₄) и кадмия (CdFe₂O₄). Как будет показано далее, ферриты со структурой нормальной шпинели немагнитны.

Чаще встречаются ферриты с иным характером распределения катионов по кислородным междуузлиям. Структура, в которой катионы Ме²⁺ находятся в позициях типа В, а катионы трехвалентного железа поровну распределяются между позициями А и В, получила название обращенной шпинели. Формулу обращенной шпинели с учетом распределения катионов можно записать в виде:

(Fe³⁺)[Me²⁺Fe³⁺]O₄

Структуру обращенной шпинели имеют ферриты никеля, кобальта, меди и некоторых других элементов.

Большинство реальных ферритов характеризуется некоторым промежуточным распределением катионов, когда и ионы Ме²⁺, и ионы трехвалентного железа Fe³⁺ занимают позиции того и другого типов. Такие структуры называют амфотерной шпинелью. Промежуточному распределению катионов соответствует структурная формула

(Me²⁺_1-x Fe³⁺_x)[Me²⁺_x Fe³⁺_1-x]O₄

где параметр х характеризует степень обращенности шпинели. Структуре нормальной и обращенной шпинели отвечают значения х, равные, соответственно, нулю и единице.

Природа магнитного упорядочения. В ферритах магнитоактивные катионы находятся достаточно далеко друг от друга, поскольку разделены анионами кислорода, не обладающими магнитным моментом. Поэтому прямое обменное взаимодействие между катионами оказывается очень слабым или отсутствует вообще. Их электронные оболочки практически не перекрываются.

3.4 Природа обменного взаимодействия

Элементы с недостроенными внутренними оболочками называются переходными.

На рисунке 3.1 схематично показана структура атома железа, который содержит 26 электронов в четырёх оболочках. Цифры указывают количество электронов на подоболочках, направления спинов условно обозначены «+» и «-». На внешней 4s-оболочке находится два электрона со спинами, имеющими противоположное направление (спины скомпенсированы). Однако на внутренней подоболочке 3d находится шесть электронов, из них у четверых электронов спины не скомпенсированы. Иными словами, эта подоболочка является недостроенной. Между соседними атомами возникает обменное взаимодействие, характеризуемое значением интеграла обменной энергии. Оказывается, что величина и знак обменной энергии А зависит от отношения расстояния между атомами к радиусу незаполненной оболочки (рисунок 3.2). схематичный график зависимости А(a/r) показан на рисунке 3.3. различные участки этой зависимости характеризуют резко различающиеся друг от друга состояния магнитных сред, рассмотрены ниже.

1) Ферромагнитное состояние. Интеграл обменной энергии положителен лишь при a/r > 3.2. Этому соотношению отвечают кристаллы элементов Gd, Dy, Ho, Er ,Tb, Tm. Положительный знак обменной энергии означает, что энергетически выгодным состоянием для системы является такое, при котором электронные спины незавершённых оболочек соседних атомов одинаково направлены (имеют одинаковый знак проекций спина на выделенную пространственную ось). Магнетики, обладающие таким свойством называются ферромагнетиками. Распространяя это свойство на каждую пару атомов, можно прийти к выводу, что спины электронов на незавершённых внутренних оболочках у всех атомов вещества стремятся сориентироваться в одном направлении, и при этом достигается минимум энергии тела.

1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s

+1 +1 +3 +1 +3 +5 +1

26

-1 -1 -3 -1 –3 –1 -1

Рисунок 3.1 – Электронные оболочки в атоме железа

r r

a

Рисунок 3.2 – Размеры, определяющие величину обменной энергии

А

0 1 2 3 4 5 6 7 8 a/r

Рисунок 3.3 – Зависимость обменного интеграла от отношения межатомного расстояния a к радиусу r незаполненной электронной оболочки

В итоге получается, что ферромагнетик в любой своей области спонтанно намагничен практически до насыщения I = Is = const. В то же время, опыт показывает, что равновесное состояние ферромагнетиков характеризуется отсутствием среднего общего момента и собственного магнитного поля. Это может быть объяснено лишь тем, магнетик «разбит» на довольно протяжённые области (10-5 - 10-2 см) – домены, имеющие каждый свою ориентацию вектора Is. Этот вектор резко изменяет направление при переходе от домена к домену. Такая структура со взаимнокомпенсирующими моментами является энергетически выгодной, так как она не генерирует внешнее магнитное поле, которое в противном случае, являлось бы значительным резервуаром энергии.

Направления спонтанной намагниченности доменов определяются кристаллографическими направлениями, вдоль которых энергия обменного взаимодействия максимальна. Например, для железа, имеющего кубическую объемно-центрированную структуру, такими направлениями являются шесть направлений, соответствующих трём взаимно перпендикулярным осям типа [100], для гранецентрированной решетки никеля – восемь, направлений, соответствующим осям типа [111], для гексагональной решётки кобальта – лишь два направления, соответствующих оси призмы [0001]. Эти направления (оси) называются направлениями (осями) лёгкого намагничивания (ОЛН). В то же время следует выделить и направления (оси) трудного намагничивания (ОТН). Энергию, затрачиваемую внешним магнитным полем на поворот вектора намагниченности из направления лёгкого намагничивания в направление трудного намагничивания, называют энергией естественной магнитной кристаллографической анизотропии.

2) Антиферромагнитное состояние. При условии a/r < 3.2 интеграл обменной энергии отрицателен. Этому соотношению отвечают кристаллы элементов Mn, Cr, а также редкоземельные элементы Ce, Pr, Nd, Sm, Eu. Для таких магнетиков, называемых антиферромагнетиками, энергетически выгодна антипараллельная ориентация соседних спинов. В силу этого, у антиферромагнетиков имеет место взаимная компенсация магнитных моментов атомов в любом участке кристалла. Следует отметить, что в отличие от парамагнетиков, в которых компенсация моментов обусловлена их хаотичным расположением, в антиферромагнетиках компенсация связана со строгим порядком в ориентации моментов.

Кроме перечисленных простых кристаллов, существует большое количество сложных по составу антиферромагнетиков – оксиды, хлориды, фториды, сульфиды, карбонаты переходных элементов. В кристаллах сложных антиферромагнетиков в отличие от элементарных кристаллов, обменное взаимодействие непосредственно между магнитоактивными атомами невозможно из-за относительно больших расстояний между ними. В таких веществах решающую роль играет косвенное обменное взаимодействие, осуществляемое при участии непереходных элементов. В оксиде марганца, например, ионы кислорода играют роль «переносчика» спиновых взаимодействий. Внешняя 2-p оболочка кислородного иона O2- полностью заполнена электронами, причём спиновые моменты попарно скомпенсированы. Вследствие того, что внутренняя 3d- оболочка катиона марганца заполнена не полностью, возможна передача электрона с оболочки кислорода на эту оболочку. Но при этом должно выполняться правило Хунда, в соответствии с которым спин переходящего электрона антипараллелен спиновому моменту 3d-оболочки. Отдавая электрон, ион кислорода приобретает магнитный момент и участвует в обменном взаимодействии с другим соседним катионом марганца. Благодаря сильному перекрытию электронных оболочек (a/r < 3.2) это взаимодействие носит антиферромагнитный характер. Конечным результатом такого взаимодействия является антипараллельная ориентация магнитных моментов соседних катионов.

Из-за низкой магнитной восприимчивости антиферромагнетики не находят приминения на практике в качестве магнитных материалов. Однако большое значение имеют некоторые так называемые нескомпенсированные антиферромагнетики, или ферримагнетики.

3.5 зависимость магнитных свойств от температуры

спонтанная намагниченность ферро- и ферримагнетика имеет место лишь в ограниченном сверху диапазоне температур. Критическая температура, соответствующая фазовому переходу 2-го рода из ферромагнитного в парамагнитное состояние, называется температурой Кюри или точкой Кюри Тк. Эта температура пределается значением обменной энергии Тк = A/k (k – постоянная Больцмана). В области температур ниже и вблизи точки Кюри намагниченность насыщения зависит от температуры по следующему закону:

(3.1)

где  – константа для данного материала;

 - намагниченность насыщения при температуре абсолютного нуля.

Точка Кюри, определённая выражение (3.1), называется ферромагнитной точкой Кюри (Ткf).

Температурная зависимость намагниченности насыщения при температуре свыше точки Кюри подчиняется закону Кюри – Вейса:

(3.2)

где С – константа для данного материала, называемая постоянной Кюри – Вейса.

Точка Кюри, определённая выражением (3.2), называется парамагнитной точкой Кюри (Ткp). Для типичных ферромагнетиков значения Ткf и Ткp близки по значению.

Не все перечисленные выше элементы имеют ферромагнитное состояние при нормальных условиях – соотношение А > kТкомн выполняется лишь для элементов группы железа (Fe, Ni, Co Gd).

Для антиферромагнетиков магнитный порядок сохраняется до температуры Т = ТН, называемой температурой Нееля, выше которой вещество переходит в парамагнитное состояние.

Список литературы

1.) Нефедцев Е. В. «РАДИОМАТЕРИАЛЫ И РАДИОКОМПОНЕНТЫ» Томск 2000 г.

2.) Пасынков В.В., Сорокин В.С. «Материалы электронной техники»

Москва 1986 г.

3) Тареев Б.М. «Электрорадиоматериаллы» Москва 1978 г.