Материал: Учебное пособие ЭТМ

При нормальных условиях (20 ° С и 760 мм рт. ст.) ЭТМ подразделяются следующим образом:

проводники: ρ менее 10- 5 Ом·м. Представители проводников с высокой электропроводностью: серебро ρ = 1,6·10- 8 Ом·м, медь ρ = 1,7·10- 8 Ом·м и другие;

диэлектрики: ρ более 108 Ом·м. Представители диэлектриков, имеющих столь высокое ρ,: оксид алюминия (Al2O3), фторопласт-4 (тефлон, фторлон), диоксид кремния (SiO2) и другие;

полупроводники: ρ более10- 6 и менее 109 Ом·м. Представители полупроводников: германий ρ = 0,47 Ом·м, кремний ρ = 2000 Ом·м и другие.

Схематично распределение ЭТМ по поведению в электрическом поле приведено на рис. 2.1.

r, Ом×м

Рис. 2.1. Распределение ЭТМ по поведению в электрическом поле

У полупроводников при нагреве удельное электрическое сопротивление снижается, и они могут перейти (по величине ρ) в группу проводников, а при охлаждении удельное электрическое сопротивление, наоборот, растет и полупроводник приобретает свойства диэлектрика. Иными словами, в широком интервале температур при росте температуры у полупроводников и диэлектриков увеличивается удельная электропроводность; при уменьшении температуры, наоборот, электропроводность диэлектриков и полупроводников уменьшается. При температуре близкой к 0 К все полупроводники переходят в группу диэлектриков с величиной γ, стремящейся к 0. Что же касается проводников, то при температуре 0 К у проводников, кроме случая сверхпроводников, ρ больше 0. Причина такого поведения в том, что проводящее состояние для проводников является основным, в то

13

время как для диэлектриков и полупроводников это возбужденное состояние. Таким образом, при температуре близкой к абсолютному нолю, по величине γ все полупроводники являются диэлектриками, в то время как проводники остаются проводниками.

Блок-схема, иллюстрирующая классификацию ЭТМ по поведению в электрическом поле, представлена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Классификация ЭТМ по поведению

вэлектрическом поле

2.2.КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПО ПОВЕДЕНИЮ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Магнитные свойства материалов, в первую очередь, определяются характером движения электронов в атоме. Влияние движения нуклонов в атомных ядрах на магнитные свойства веществ пренебрежимо мало. Электроны в атоме, в первом приближении, участвуют в двух видах движения: вращение электрона вокруг собственной оси («спин») и орбитальное (круговое) движение электрона вокруг атомных ядер. Эти движения создают круговые токи. Из электродинамики известно, что движение электрического заряда (в данном случае — электрона) приводит к возникновению магнитного момента и магнитного поля в окружающем пространстве. Это поле будет взаимодействовать как с внешним магнитным полем, так и с внутренними магнитными полями, в результате движения электронов в атомах,

14

составляющих вещество. Последнее предопределяет зависимость магнитных свойств материала от его структуры.

Критерием для классификации является величина относительной магнитной проницаемости, обозначаемая согласно ГОСТ 1494−77 символом µr. (Далее в тексте с целью упрощения нижний индекс r (от английского слова relative — относительный) не используется). Относительная магнитная проницаемость определяется следующим выражением:

где В — магнитная индукция, (Тл); Н — напряженность магнитного поля, (А/м); µ0 = 4π·10- 7 Гн/м — магнитная постоянная.

По величине относительной магнитной проницаемости все материалы подразделяются на слабомагнитные и сильномагнитные материалы.

Слабомагнитные ЭТМ (µ приблизительно равно 1). Слабомагнитные материалы по поведению в магнитном поле

подразделяются на диамагнетики, парамагнетики и антиферромагнетики.

Диамагнетики имеют µ меньше 1 при отсутствии зависимости µ от напряженности магнитного поля и температуры µ ≠ f (Н, Т).

Представители: водород (Н2), все инертные газы, серебро (Ag), медь (Cu), золото (Au), бериллий (Be), хлорид натрия (NaCl), сверхпроводники при температуре менее Тс, нефть, вода, кремний, германий и другие. (Например, µ меди = 0,9999906). Характерная особенность — диамагнетики выталкиваются из магнитного поля. Диамагнетизм присущ в той или иной степени всем веществам, независимо от их структуры.

Парамагнетики с величиной µ больше 1 при отсутствии зависимости µ от напряженности магнитного поля µ ≠ f (Н) и при наличии зависимости µ от температуры.

15

Представители: кислород (O2), оксид азота (NO2), воздух, платина (Pt), алюминий (Al), натрий (Na) и другие. (Например,

µ воздуха = 1,000003).

Антиферромагнетики с величиной µ больше 1 при наличии зависимости µ от напряженности магнитного поля и температуры

µ = f (Н, Т).

Представители: марганец (Mn), хром (Cr), РЗО (редкоземельные оксиды) и РЗЭ (редкоземельные элементы (лантаноиды): № 57 (лантан) ÷ № 71 (лютеций)). Антиферромагнетики при нагреве претерпевают фазовый переход и становятся парамагнетиками.

При расчетах в технике для слабомагнитных материалов принимают значение µ равное 1.

Сильномагнитные ЭТМ (µ много больше 1 (до 106) и

µ = f (Н, Т)) — представляют большой интерес для техники в отличие от слабомагнитных материалов и широко применяются.

Сильномагнитные материалы имеют специфическую структуру, которая обусловлена наличием доменов. («Домéн» от французского слова «domine» — область). Доменная структура присуща и слабомагнитным материалам, но влияние этой структуры, кроме случая антиферромагнетиков, менее ярко выражено, чем в сильномагнитных материалах. Внутри доменов имеет место спонтанная ориентация магнитных моментов частиц, что приводит к большому суммарному магнитному моменту домена. Домены имеют макроскопические размеры с объемом 0,001 ÷ 10 мм3. В отсутствии внешнего магнитного поля (Н) магнитные моменты доменов ориентируются хаотически и компенсируют взаимное влияние. При наличии внешнего магнитного поля появляется преимущественная ориентация магнитных моментов (рис. 2.3), все дипольные моменты в доменах выстраиваются преимущественно по направлению магнитного поля, и материал приобретает большую намагниченность и имеет высокое значение магнитной проницаемости.

16