|
|
Экзамен материалы. 1. Классификация материалов по электрическим свойствам. Виды проводников, полупроводников, диэлектриков с примерами
Термоэлектреты формируются при нагревании диэлектрика в сильном электрическом поле. При этом за счет термической диффузии электронов или ионов происходит разделение различных по знаку частиц (гетерозаряд). После окончания температурной поляризации диэлектрик охлаждают в приложенном электрическом поле, что приводит к "замораживанию" поляризации.
Фотоэлектретами называются диэлектрики с высокой фоточувствительностью к изменению поляризации. Формирование электрического заряда происходит при одновременном оптическом облучении и приложении электрического поля. Под действием оптического пучка происходит генерация подвижных носителей заряда (электронов и дырок), которые под действием электрического поля мигрируют по диэлектрику и закрепляются на ловушках.
Подобным образом происходит формирование электронного состояния при облучении диэлектрика рентгеновским пучком или - лучами. Возбужденные электроны после миграции в электрическом поле захватываются примесными или структурными заряженными центрами (ловушками).
Принципиально остаточная поляризация может быть создана в любом твердом диэлектрике путем нагревания в электрическом поле за счет закрепления термоактивирующих подвижных носителей на заряженных дефектах структуры. Однако для практических целей необходимы электретные материалы с достаточной механической прочностью и временной стабильностью электрического поля
К реально используемым электретным материалам относятся:
- сегнетокерамика, а в частности титанат цирконат свинца, остаточная поляризация которого обусловлена ориентацией доменов (термоэлектреты). Фотоэлектретными свойствами обладают Bi12SiO20, селен, оксид цинка, сульфиды и селениды цинка;
- полимерные материалы, например, поливинилиденфторид, (термоэлектрет), политетрафторэтилен (электроэлектрет).
27. Жидкие кристаллы. Виды жидких кристаллов. Применение жидких кристаллов
Жидкие кристаллы – вещества в состоянии, промежуточном между твердым кристаллическим и жидким. Жидкие кристаллы сохраняя основные черты жидкости, например, текучесть, обладают характерной особенностью твердых кристаллов – анизотропией свойств.
Виды жидких кристаллов
Термотропные ЖК, образующиеся в результате нагревания твердого вещества и существующие в определенном интервале температур и давлений.
Лиотропные ЖК, которые представляют собой двух или более компонентные системы, образующиеся в смесях стержневидных молекул данного вещества и воды (или других полярных растворителей). Эти стержневидные молекулы имеют на одном конце полярную группу, а большая часть стержня представляет собой гибкую гидрофобную углеводородную цепь. Такие вещества называются амфифилами.
Термотропные ЖК подразделяются на три больших класса:
1, Нематические жидкие кристаллы. В этих кристаллах отсутствует дальний порядок в расположении центров тяжести молекул, у них нет слоистой структуры, их молекулы скользят непрерывно в направлении своих длинных осей, вращаясь вокруг них, но при этом сохраняют ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Они ведут себя подобно обычным жидкостям. Нематические фазы встречаются только в таких веществах, у молекул которых нет различия между правой и левой формами, их молекулы тождественны своему зеркальному изображению (ахиральны). Примером вещества, образующего нематический ЖК, может служить N-(пара-метоксибензилиден)-пара-бутиланилин.
2, Смектические жидкие кристаллы имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться относительно друг друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул (преимущественно, длиной парафинового «хвоста»), однако вязкость смектиков значительно выше, чем у нематиков, и плотность по нормали к поверхности слоя может сильно меняться. Типичным является терефтал-бис (nара-бутиланилин):
3, Холестерические жидкие кристаллы — образуются, в основном, соединениями холестерина и других стероидов. Это нематические ЖК, но их длинные оси повернуты друг относительно друга так, что они образуют спирали, очень чувствительные к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии образования этой структуры (порядка 0,01 Дж/моль). В качестве типичного холестерика можно назвать амил-пара-(4-цианобензилиденамино)- циннамат
Жидкие кристаллы применяют в модуляторах, системах отображения информации – калькуляторах, ручных часах, измерительных приборах автомобилей, устройствах для отклонения светового потока и др.
28. Магнитные материалы. Виды магнитных материалов. Образование спонтанной намагниченности. Магнитомягкие и магнитотвердые материалы. Их применение.
К магнитным материалам относятся вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью при температуре ниже температуры магнитного упорядочения.
Это ферромагнетики, у которых магнитные моменты спонтанно, т.е. в отсутствие внешнего магнитного поля, ориентированы параллельно; и ферримагнетики, у которых ориентация различных по величине суммарных моментов магнитных подрешеток антипараллельны. Ответственным за магнитное упорядочение является так называемое обменное взаимодействие, стремящееся установить магнитные моменты (спины) соседних атомов параллельно друг другу, или антипараллельно для ферримагнетиков
В антиферромагнитных материалах в отличие от ферримагнетиков суммарный магнитный момент равен нулю, поскольку антипараллельные магнитные моменты уравновешивают друг друга.
При переходе в магнитоупорядоченное состояние магнетики разбиваются на ряд макроскопических областей, отличающихся направлением намагниченности, которые называются магнитными доменами. Возникновение доменных магнитных структур определяется минимумом полной внутренней энергии магнетика, включающей энергию обменного взаимодействия между магнитными моментами, энергию магнитной анизотропии, магнитостатическую и магнитоупругую энергии (рис. 4.2). Обменное взаимодействие выстраивает элементарные магнитные моменты параллельно друг другу. Под действием постоянного магнитного поля магнитная доменная структура перестраивается и при достаточно больших значениях поля Н она полностью исчезает. Вещество становится монодоменным.
Магнитные материалы можно классифицировать и по величине электропроводности на магнитные металлы, магнитные полупроводники и магнитные диэлектрики, аморфные магнетики и магнитные стекла
К магнитным металлам относятся металлы группы железа (Fe, Co, Ni), редких земель (Gd, Di), а также их сплавы и соединения
Магнитные полупроводники - это вещества, сочетающие полупроводниковый тип электропроводности с различными видами магнитного упорядочения (ферромагнитным, антиферромагнитным).
В свою очередь, магнитные диэлектрики - это ферро-, ферри- и антиферримагнетики, обладающие очень низкой электропроводностью.
Аморфные магнетики - это материалы, сочетающие определенную магнитную структуру с аморфной атомной структурой в определенном температурном диапазоне.
Магнитные стекла, которые также называются металлическими стеклами, являются разновидностью аморфных металлов и характеризуются металлическим типом проводимости и отсутствием дальнего порядка в расположении атомов
К основным характеристикам магнитных материалов относятся:
1. Температура магнитного упорядочения: точка Кюри ТC – для ферромагнетиков и точка Нееля ТN для антиферромагнетиков. Выше точки магнитного упорядочения вещества становятся парамагнитными. В парамагнитном состоянии упорядоченность в расположении магнитных моментов нарушается за счет тепловых колебаний атомов.
2. Намагниченность – характеристика магнитного состояния вещества, определяемая как суммарный магнитный момент единицы объема магнетика М. Намагниченность вещества зависит от величины внешнего магнитного поля Н и температуры М(Н,Т). Связь между намагниченностью и магнитным полем описывается посредством магнитной восприимчивости
3. Намагниченность насыщения Ms- предельное значение намагниченности в приложенном магнитном поле. В ферромагнетиках намагничивание из состояния с нулевой индукцией изображается кривой намагничивания (рис.4.3). Намагниченность с ростом поля Н достигает предела Ms. При перемагничивании зависимость В(Н) или М(Н) образует характерную S - образную кривую - петлю гистерезиса. Точки пересечения петли гистерезиса с осью ординат дают значения остаточной индукции или остаточной намагниченности Mr, а точку пересечения с осью абсцисс определяют значения коэрцитивного поля
В ферромагнитных и ферримагнитных материалах процесс намагничивания происходит в основном за счет двух механизмов: смещению границ между доменами и ориентации векторов магнитных моментов в направлении внешнего поля. Вначале под влиянием магнитного поля происходит увеличение размеров тех доменов, магнитные моменты которых имеют наименьший угол с направлением поля, за счет соседних доменов. После завершения процессов смещения в каждом кристалле остается всего лишь один домен, намагниченность которого ориентирована вдоль какой-либо оси легкого намагничивания. Затем происходит процесс ориентации всех магнитных моментов вдоль приложенного поля. При завершении этих процессов достигается техническое магнитное насыщение.
Остаточная намагниченность Мr зависит от магнитных свойств материала, его магнитной предистории, количества циклов перемагничивания, термомагнитной обработки и и других воздействий, температуры, вибраций.
Дифференциальная магнитная восприимчивость dM/dH с увеличением магнитного поля достигает максимума, а затем уменьшается (кривая Столетова).
4. Магнитная анизотропия, т.е. зависимость магнитных свойств магнетика от выделенного направления в образце. Особенно сильно анизотропия наблюдается в монокристаллах. Зависимость намагниченности от ее направления относительно кристаллографических осей в кристаллах называется естественной кристаллографической магнитной анизотропией. Кроме того, магнитная анизотропия может возникать вследствие магнитоупругих деформаций (наведенная магнитная анизотропия). Магнитная анизотропия существенно влияет на процессы намагничивания, образование доменной структуры и другие свойства магнетиков. Поскольку магнитная анизотропия зависит от симметрии кристалла, то намагниченность будет также зависеть от ориентации поля относительно кристаллографических осей. В кристаллах выделяют направления легкого намагничивания, вдоль которого расположен вектор спонтанного намагничивания в отсутствие внешнего магнитного поля, и направление трудного намагничивания. Во внешнем поле вектор спонтанного намагничивания Ms поворачивается, приближаясь к направлению магнитного поля с возрастанием его величины. Критическое значение магнитного поля, при котором вектор Ms устанавливается вдоль поля Н при намагничивании в трудном направлении, называется полем анизотропии.
Мерой магнитной анизотропии является также работа намагничивания, необходимая для поворота вектора М из положения легкого намагничивания в новое положение - вдоль поля Н. Эта работа определяет плотность свободной энергии магнитной анизотропии Еa (Дж/м3 )
5. Магнитная проницаемость характеризует реакцию среды на воздействие внешнего магнитного поля. Она, с точки зрения законов электродинамики, аналогична диэлектрической проницаемости . В анизотропной среде магнитная проницаемость анизотропна и описывается тензором. Магнитная проницаемость в магнетиках зависит от напряженности поля Н, поскольку намагниченность М в этом случае является нелинейной функцией Н. Магнитную проницаемость называют начальной при Н0, а максимальное значение называется максимальной магнитной проницаемостью. Также введено понятие дифференциальной магнитной проницаемости d
В магнитном поле функция (Н) сначала растет, достигая максимума при коэрцитивной силе Нс, а затем уменьшается. Зависимость (Н) может быть обратимой, например, в магнитомягких материалах, или необратимой, что характерно для магнитотвердых материалов. В переменном магнитном поле с угловой частотой =2f магнитная проницаемость так же как и диэлектрическая проницаемость, обладает дисперсией и представляется в комплексной форме
Мнимая часть μ описывает поглощение, т.е. потери электромагнитной энергии в веществе. Существуют несколько факторов, обуславливающих потери и приводящие в конечном итоге к нагреву материала. В материалах с большой проводимостью существенную роль играют вихревые токи, индуцируемые в массе ферромагнетика. В высокоомных материалах потери вызваны релаксационными процессами, связанными с отставанием намагниченности от изменения напряженности внешнего поля. Этот эффект также называется потерями на гистерезис. Теряемая за один полный цикл перемагничивания энергия равна интегралу НdМ , определяющему площадь петли гистерезиса. Мощность, расходуемая на гистерезис, определяется эмпирической формулой.
где - коэффициент, зависящий от состава материала, В – максимальная индукция, n – эмпирический коэффициент.
6. Магнитострикция- изменение размеров и формы магнитного тела при его намагничивании. Магнитострикция наиболее эффективного проявляется в сильно магнитных веществах – ферро-, ферри- и антиферромагнетиках. Различают объемную магнитострикцию, характеризуемую относительным изменением объема тела (V/V), и анизотропную магнитострикцию, характеризуемую относительным изменением размеров тела (L/L) почти без изменения объемов тела.
По характеру использования магнитных материалов в различных областях техники, а также из совокупности магнитных свойств они подразделяются на магнитно-мягкие, магнитно-твердые
Лекция 17. Магнитомягкие и магнитотвердые материалы
Это материалы, главным образом ферро- и ферримагнетики, которые намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в относительно слабых магнитных полях напряженностью Н = 10-10^3 А/м. Наряду с малой коэрцитивной силой мерой магнитной мягкости может служить также величина статической относительной магнитной проницаемости: начальной
10^2 -10^5 и максимальной = 10^3 -10^6 , а потери на магнитный гистерезис не превышают 10^2 Дж/м3 на один цикл перемагничивания
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 d. С ростом частоты и намагниченности потери возрастают, а проницаемость снижается. По характеру применения магнитно-мягкие материалы различаются на низко и высокочастотные. На частотах f 10^4 -10^5 Гц в качестве магнитомягких материалов используют в основном железо и металлические сплавы, при более высоких частотах 10^5 -10^10 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.
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 (10^5 ), малыми магнитными потерями (0.5 Вт/кг), большим электрическим сопротивлением.
Аморфные материалы находят применение при создании трансформаторов, магнитных экранов, систем магнитной памяти и головок магнитофонов.
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: Н1НсН2. При Нсм=Н1 он растягивается в полоску (Н1 – поле эллиптической неустойчивости), а при Нсм=Н2 возникает коллапс, т.е. схлопывание доменов (Н2 – поле коллапса).
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 10^7 бит/см2 . Феррит-гранатовые пленки используются в устройствах управления оптическим пучком (дефлекторы, переключатели, модуляторы)
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. |
|
|
Скачать 5.09 Mb.