Материал: 551

31

прессуется в соответствующих пресс-формах, затем производится обжиг заготовки при высокой температуре.

Для снижения электрического сопротивления углеродистых материалов применяют добавки порошкового металла.

Угольные порошки используют при изготовлении высокоомных резисторов, а также в микрофонах для создания сопротивления, изменяющегося от звукового давления.

Графит наиболее широко применяется в электротехнике благодаря таким свойствам, как высокая химическая и нагревостойкость (температура плавления порядка 3900 оС), легкость механической обработки. Его используют для изготовления различных нагревателей, тиглей и т.п. Является полупроводниковым материалом, при увеличении температуры его удельное сопротивление снижается (рисунок 4.3).

Композиционные проводящие материалы − это механическая смесь проводящего наполнителя с диэлектрической связкой. Путем изменения состава компонентов можно управлять электрическими свойствами таких материалов. В качестве компонентов проводящей фазы используют металлы, графит, сажу. Связующими служат органические и неорганические диэлектрики (например, стекла или синтетические смолы).

На основе органических смол изготавливаются контактолы – токопроводящие клеи, краски. Они служат для получения электрических контактов между металлами, металлами и полупроводниками, для создания электродов на поверхности диэлектриков и т.п.

Керметы – композиционные материалы с неорганическим связующим, чаще всего стеклом или моноокисью кремния SiO . Предназначены для изготовления пленочных резисторов. Сопротивление таких резисторов зависит от процентного содержания проводящих компонентов и от режимов термообработки при изготовлении. Проводящей компонентой обычно служит мелкодисперсный порошок хрома или дисилицида хрома.

32

Проводящие окислы.

Подавляющее большинство окислов металлов является диэлектриками. Однако при неполном окислении пленки двуокиси олова

( SnO2 ) и окиси индия ( In2O3 ) показывают довольно большую про-

водимость. Удельное сопротивление пленок зависит от степени нарушения стехиометрического состава и может достигать 10 мкОм м. Сочетание высокой оптической прозрачности и повышенной электрической проводимости позволяет применять их в качестве прозрачных проводящих покрытий на внутренних стенках стеклянных электровакуумных приборов, электродов в жидкокристаллических индикаторах, усилителях изображения и т.п.

34

Диамагнетизм - это свойство вещества слабо намагничиваться противоположно внешнему магнитному полю. Диамагнетики – единственный класс материалов, у которых суммарный магнитный момент атома в отсутствии внешнего магнитного поля равен нулю. Диамагнетизм обусловлен изменением движения электронов под действием сил приложенного поля. Дополнительные индуцированные токи, обусловленные изменением движения электронов, в соответствии с законом Ленца вызывают появление локальных магнитных моментов, направленных противоположно приложенному полю. Диамагнетизм присущ всем без исключения веществам, но проявляется слабо и часто маскируется другими эффектами. (Примеры: медь, золото.)

Парамагнетизм – свойство вещества слабо намагничиваться согласованно с внешним полем. Парамагнетизм присущ веществам, у которых суммарный магнитный момент атома не равен нулю. При отсутствии внешнего поля направление магнитных моментов атомов вследствие теплового движения носит неупорядоченный характер и намагниченность равна нулю. При наложении поля происходит частичное ориентирование магнитных диполей по направлению поля. Магнитная восприимчивость парамагнетиков зависит от температуры, т.к. тепловое движение атомов нарушает ориентировку их магнитных моментов. (Примеры: алюминий, платина.)

Рисунок 5.1 − Схематичное изображение магнитных моментов атомов в различных классах материалов:

а) парамагнетик; б) ферромагнетик; в) антиферромагнетик; г) ферримагнетик

Ферромагнетизм - это свойство вещества сильно намагничиваться во внешнем поле и частично сохранять намагниченность при удалении поля. Ферромагнетики отличаются от парамагнетиков наличием доменов, т.е. областей спонтанного (самопроизвольного) намагничивания. Внутри доменов ферромагнетик самопроизвольно намагничивается практически до насыщения без воздействия внешнего поля и магнитные моменты атомов параллельны.

35

При повышении температуры ориентация магнитных моментов атомов внутри домена постепенно расстраивается, что приводит к со-

ответственному уменьшению намагниченности. При достижении Тк вещество теряет ферромагнитные свойства и становится парамагнети-

ком. Условие km = 0 определяет точку Кюри, когда доменная структура разрушена тепловым движением и ферримагнетик перешел к структуре парамагнетика. (Примеры: железо, никель, кобальт.)

Антиферромагнетизм характеризуется антипараллельным расположением нескомпенсированных магнитных моментов соседних атомов. Доменная структура не возникает, т.к. магнитные поля соседних атомов взаимно компенсируются. В магнитном отношении антиферромагнетики подобны слабым парамагнетикам, но отличаются тем, что с повышением температуры их восприимчивость возрастает, достигая максимума в точке Нееля, а затем снижается, как в парамагнетиках. (Пример: хром.)

Ферримагнетизм (магнетизм ферритов) - это нескомпенсированный антиферромагнетизм, когда расположенные антипараллельно нескомпенсированные моменты соседних атомов неодинаковы по величине или когда неодинаковы числа атомов с противоположно направленными моментами. Поэтому ферримагнетизмом могут обладать только соединения элементов. Ферритами называются двойные окис-

лы типа MeO Fe2O3, где Me - металл (Ni, Mn, Mg, Fe, Co, Cu и

т.д.), а Fe2O3 - окись железа. Ферриты, как и ферромагнетики, обладают доменной структурой. В электрическом отношении ферриты принадлежат к классу полупроводников с удельным сопротивлением

ρ = 10-1 - 103 Ом м.

5.2. Магнитные свойства ферро- и ферримагнетиков

Качественно поведение ферритов в магнитном и температурном поле такое же, как у ферромагнетиков. Количественные же характеристики существенно различаются. Результирующий магнитный момент кристаллической ячейки феррита всегда значительно меньше результирующего момента ферромагнетика. Поэтому намагниченность насыщения (индукция насыщения) ферритов, как правило, не превышает 0,25 намагниченности насыщения железа.

Температура Кюри у ферритов значительно ниже, чем у ферромагнетиков, и лежит в пределах 100-500 оС. Высокое удельное электрическое сопротивление ферритов ограничивает величину вихревых токов и, следовательно, уменьшает их размагничивающее действие,

36

потери на вихревые токи, что позволяет использовать ферриты в высокочастотной технике. Ферриты - это магнитная керамика, поэтому способы получения изделий из них, а также их механические свойства подобны электроизоляционной керамике.

Свойства ферро- и ферримагнитных материалов описываются зависимостями магнитной индукции, магнитной проницаемости, потерь энергии на гистерезис и вихревые токи от напряженности магнитного поля, температуры материала и частоты перемагничивания материала.

Если образец материала был полностью размагничен, то при наложении монотонно возрастающего поля индукция будет изменяться по кривой начального намагничивания (рисунок 5.2). На начальном участке 1 происходит обратимое смещение границ между доменами и увеличение объема тех доменов, вектор намагниченности которых образует наименьший угол с направлением намагничивающего поля. Этот процесс обратим и при уменьшении поля до нуля размеры доменов восстанавливаются. На участке 2, содержащем точку перегиба, происходит необратимое смещение границ доменов и поворот их векторов намагниченности. При этом все векторы оказываются ориентированными вдоль той оси легкого намагничивания, направление которой составляет наименьший угол с направлением намагничивающего поля. На участке 3 (зоне насыщения) происходит процесс вращения векторов намагниченности доменов из направления вдоль оси легкого намагничивания в направление, параллельное намагничивающемуся полю.

При перемагничивании материала в переменном поле индукция в материале изменяется по петле гистерезиса. Если намагничивание производится до насыщения, то получается петля гистерезиса с характерными точками (см. рис. 5.3):

Bs - индукция насыщения; Br - остаточная индукция;

37

Hc - коэрцитивная сила (поле, необходимое для уменьшения намагниченности до нуля после полного насыщения).

На практике в качестве характеристики магнитных материалов используют близкую к кривой начального намагничивания, так называемую основную кривую намагничивания, представляющую собой геометрическое место вершин гистерезисных петель, получающихся при циклическом перемагничивании образца в переменном поле возрастающей амплитуды.

По основной кривой намагничивания можно определить магнит-

ную проницаемость µ (рис. 5.2, пунктир).

Наклон касательной на начальном участке кривой характеризует

начальную магнитную проницаемость µн. Наклон прямой, проведенной из начала координат в точку верхнего перегиба, соответствует максимальной проницаемости.

Большое влияние на намагниченность ферро- и ферримагнетиков

оказывает температура. Намагниченность насыщения JMSs монотонно уменьшается при повышении температуры (рисунок 5.4). Вблизи точки Кюри наблюдается резкий ее спад, который можно описать соотношением:

Точку Кюри определяют как продолжение крутого участка зависимости до пересечения с осью температур. В случае, когда нагреву

подвергается слабо намагниченный образец, JM возрастает с ростом

38

температуры. Это объясняется ослаблением энергии связи между отдельными доменами, что облегчает их ориентацию по полю. Дальнейший рост температуры вызывает уменьшение намагниченности. Это происходит вследствие возрастания теплового движения атомов и, следовательно, уменьшения степени упорядоченной ориентации магнитных моментов внутри доменов. При температуре Кюри доменная структура полностью разрушается тепловым движением, и ферромагнетик или феррит превращаются в парамагнетик.

5.3. Особенности ферримагнетиков

Поскольку ферримагнетики это нескомпенсированные антиферромагнетики, то их намагниченность можно рассматривать как разность намагниченностей двух подрешеток А и В:

JmS = JmB − JmB .

В зависимости от характера температурного спада намагниченностей отдельных подрешеток результирующая зависимость Jm от тем-

пературы может принципиально различаться. У большинства ферритов, как и у ферромагнетиков, намагниченность насыщения монотонно уменьшается при нагревании и обращается в нуль при температуре перехода в парамагнитное состояние (температура Кюри). У некоторых ферритов разность намагниченностей двух подрешеток может обращаться в нуль ниже температуры Кюри. В этом состоянии материал превращается в антиферромагнетик, а соответствующая температу-

ра называется точкой компенсации Тком (рис. 5.5).

Рисунок5.5 − Возможные зависимостинамагниченностинасыщенияферритовоттемпературы:

а) безточкикомпенсации; б) сточкойкомпенсации

39

В более сложных случаях для описания свойств ферритов необходимо рассматривать три и более магнитные подрешетки.

По сравнению с ферромагнетиками ферриты имеют:

•более высокое удельное сопротивление;

•меньшую индукцию насыщения;

•более низкую температуру Кюри.

5.4. Магнитные материалы в переменном поле

В переменном магнитном поле ферро- и ферримагнетики нагреваются, т.к. происходят потери энергии на перемагничивание. Наиболее значительные потери энергии составляют потери на гистерезис (т.е. на отставание намагниченности от внешнего магнитного поля) и на вихревые токи.

Мощность PГ, обусловленная потерями на гистерезис в единице объема, выражается следующей формулой:

где Bm - максимальная индукция в образце, n - показатель степени, равный 1,6 – 2,

f - частота переменного поля,

η - коэффициент, пропорциональный площади статической петли гистерезиса (т.е. петли гистерезиса, полученной при медленном изменении напряженности магнитного поля).

Для снижения данного вида потерь следует выбирать материалы с узкой петлей гистерезиса.

Мощность PТ, затрачиваемая на протекание вихревых токов в единице объема, равна

где ξ - коэффициент, пропорциональный удельной проводимости материала. Таким образом, чем лучше магнитный материал проводит электрический ток, тем больше потери на вихревые токи.

Полные потери складываются из PГ и PТ.

Для уменьшения магнитных потерь на вихревые токи необходимо использовать магнитный материал с высоким удельным сопротивлением или собирать сердечник из тонких листов, изолированных друг от друга диэлектрическим слоем, например, лаковой пленкой.

40

Для характеристики потерь в магнитном материале удобно пользоваться параметром, который называется тангенс угла магнитных

потерь, или tgδm. С его помощью легко рассчитать мощность PА, которая выделяется в сердечнике, помещенном внутрь индуктивной катушки.

где I - ток, протекающий через обмотку, ω - круговая частота переменного тока,

L - индуктивность катушки с сердечником.

Величина, обратная tgδm, называется добротностью сердечника.

Индуктивность соленоида, длина которого велика по сравнению с диаметром, равна

где µ - магнитная проницаемость сердечника, n - число витков,

l - длина соленоида,

S - площадь поперечного сечения.

Напряженность магнитного поля, создаваемого внутри катушки при протекании через ее обмотку тока I, равна

При нахождении материала в переменном магнитном поле наблюдается поверхностный эффект, по физической природе аналогичный эффекту, наблюдаемому в проводниковых материалах при высоких частотах. Суть явления в том, что магнитная индукция максимальна в приповерхностной области и минимальна в центре образца.

где ∆ - глубина проникновения магнитного поля в вещество, вычисляется по формуле 3.14.