Фролов работа. КЛ ОП.06 Материаловедение, ЭРМ и РК 11.02.16 Фролов. Конспект лекций по дисциплине оп. 06 Материаловедение, электрорадиомате риалы и радиокомпоненты для студентов специальности 11. 02. 16 сост. Фролов А. Л
 Скачать 0.49 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Самарской области Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Самарской области «САМАРСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ» (ГБПОУ «СЭК») А. Л. Фролов ОП.06 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, ЭЛЕКТРОРАДИОМАТЕРИАЛЫ И РАДИОКОМПОНЕНТЫ Конспект лекций для студентов специальности 11.02.16 Монтаж, техническое обслуживание и ремонт электронных приборов и устройств Самара 2 Конспект лекций по дисциплине ОП.06 Материаловедение, электрорадиомате- риалы и радиокомпоненты для студентов специальности 11.02.16 / сост.: Фролов А.Л. – Самара: ГБПОУ «СЭК». – 34 с. Издание содержит конспект лекций по дисциплине ОП.06 Материаловедение, электрорадиоматериалы и радиокомпоненты. Замечания, предложения и пожелания направлять в ГБПОУ «СЭК» по адресу: 443001, г. Самара, ул. Самарская 205-А или по электронной почте info@sam-ek.ru ГБПОУ «СЭК» 3 Раздел 1 Основы материаловедения Тема 1.1 Строения и свойства материалов 1. Общие сведения о строении материалов. Классификация материалов по составу, свойствам и техническому назначению. Основные механические, химические и электрические свойства применяемых в электронной технике материалов Все материалы в зависимости от их электрических свойств можно разделить на диэлектрики, проводники и полупроводники. Различие между диэлектриками, про- водниками и полупроводниками наиболее наглядно можно показать с помощью энер- гетических диаграмм зонной теории твердых тел [2]. В энергетической диаграмме твердого тела различают три зоны: заполненная электронами, запрещенная (такие энергии электроны данного материала иметь не могут) и зона проводимости (свобод- ная зона) (рис. 1). У диэлектрика запрещенная зона настолько велика ( 3,5 эВ), что свободные электроны практически не возникают и электроны в обычных условиях не наблюда- ется, так как энергию 3,5 эВ имеют лишь фотоны космических лучей и радио- активного излучения. Полупроводники имеют узкую запрещенную зону (3,5 < < 0), которая может быть преодолена за счет внешних воздействий (облучение полупроводника, нагрев и т. д.), и у материала появляется проводимость. У проводников заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне проводимо- сти или даже перекрывается ею ( ). Вследствие этого электроны из заполнен- ной зоны могут свободно переходить на незанятые уровни зоны проводимости под влиянием слабой напряженности электрического поля и вызывать протекание тока. Рис. 1. Энергетические диаграммы диэлектриков (а), полупроводников (б), проводников (в) Классификация материалов по магнитным свойствам По магнитным свойствам все материалы можно разделить на две группы: Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает магнитный момент. Если взять катушку и поместить в нее сердечники из разных материалов, то магнитное поле, возникающее внутри сердечника, будет усиливать или ослаблять внешнее поле в 4 1); 1) слабомагнитные (µ 2) сильномагнитные (µ >> 1). Слабомагнитные материалы в технике применяются редко, поэтому их рассматривать не будем. В энергетике в качестве магнитных материалов используются лишь мате- риалы, у которых µ >> 1. Таким образом, в разделе «Электротехнические материалы» будут рассмотрены сле- дующие группы материалов: 1. диэлектрики; 2. проводники; 3. полупроводники; 4. магнитные материалы (µ >> 1). Конструкционные материалы – твѐрдые материалы, предназначенные для изготов- ления изделий, подвергаемых механическому нагружению. Они делятся на типы, основными из которых являются: − металлы и сплавы; − неметаллические материалы (пластмассы, полимеры, древесина и др.); − композиционные материалы. Раздел 2 Электрорадиоматериалы Тема 2.1 Проводниковые радиоматериалы 1. Физическая природа электропроводности металлов и сплавов. Классификация про- водниковых материалов. Основные свойства и характеристики проводниковых мате- риалов. Благородные металлы. Тугоплавкие металлы. Металлы различного примене- ния. Материалы высокого сопротивления. Контактные материалы. Припои. 1. По агрегатному состоянию 1. Газообразные Газы при низких значения напряжѐнности электрического поля не являются провод- никами. При высоких значениях напряжѐнности электрического поля, начинается ударная ионизация – носители заряда электроны и ионы. При сильной ионизации и равенстве в единице объеме электронной и ионов – плазма. Применение: газоразрядные приборы. 2. Жидкие а) Электролиты (водные растворы кислот, щѐлочей, солей) – носители заряда ионы вещества, при этом состав электролита постепенно изменяется, и на электродах вы- деляются продукты электролиза. Применение: электролитические конденсаторы, покрытие металлов слоем другого металла (гальваностегия), получение копий с предметов (гальванопластика), очистка металлов (рафинирование). 5 б) Расплавленные металлы (имеют высокую температуру, ртуть Hg t плавHg =-39 0 С и галлий Ga t плавGa =29,7 0 С) – носители заряда электроны. Применение: в литейном производстве, ртутные лампы, галлий в полупроводниковой технике (легирующий элемент для германия), низкотемпературные припои. 3. Твѐрдые Металлы и сплавы – носители заряда электроны. Применение: токопроводящие части электрических машин, аппаратов и сетей. 2. По удельному электрическому сопротивлению 1. Высокой проводимости (ρ≤0,05 мкОм∙м) а) Серебро Ag. Применение: контакты, электроды конденсаторов, радиочастотные кабели. б) Медь Cu. Применение: жилы проводов и кабелей. в) Золото Au. Применение: контакты, электроды, фотоэлементы. г) Алюминий Al. Применение: провода для ЛЭП, жилы проводов и кабелей. д) Железо Fe. Применение: провода ЛЭП не большой мощности. е) Металлический натрий Na. Применение: провода и кабели в полиэтиленовой оболочке. 2. Высокого сопротивления (ρ≥0,3 мкОм∙м). а) Манганин сплав Cu – Mn – Ni. Применение: образцовые резисторы. б) Константан сплав Cu – Ni – Mn. Применение: реостаты и электронагревательные приборы. в) Сплавы на основе железа (нихромы Fe – Ni – Cr, фехрали Fe – Cr – Al). Применение: электронагревательные элементы. 3. Сверхпроводники (ρ=0) при температурах близких к абсолютному нулю по шкале Кельвина -273,15 0 С. Алюминий Al, олово Sn, свинец Pb. 4. Криопроводники (ρ≈0) при температурах ниже -173 0 С, но не переходя в сверхпроводящее состоянии. Алюминий Al, медь Cu, бериллий Be. Применение: провода ЛЭП большой мощности, жилы кабелей, электрические маши- ны, трансформаторы. Электропроводность проводниковых материалов. Электропроводность твѐрдых проводников Металлы и сплавы являются кристаллическими телами. Кристаллическое строение характеризуется закономерным (упорядоченным) расположением атомов в 6 пространстве, связанных с соседними при помощи валентных электронов, которые могут перемещать. Если соединить атомы линиями, то получиться пространственная кристаллическая решѐтка. Электроны в металле, при отсутствии внешнего электрического поля, совершают хаотическое движение, а ионы в узлах кристаллической решѐтки совершают тепло- вые колебания. Под действием внешнего электрического поля электроны приобрета- ют направленное движение, причѐм энергия, которую электрическое поле затрачива- ет на перемещение электронов, переходит в запас самих электронов. Когда на пути электронов оказывается ион, происходит столкновение, это и есть сопротивление проводника. Во время столкновений электроны отдают энергию ионам и начинают новый разбег и т.д. Ион, получив от электрона энергию, начинает колебаться с боль- шей амплитудой, поэтому увеличивается температура проводника. Удельная проводимость металлов и сплавов (1) где q – заряд электрона; n – число электронов в единице объѐма; µ – подвижность электрона; λ – средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами решѐтки; m – масса электрона; υ т – средняя скорость теплового движения свободного электрона. Тема 2.2 Полупроводниковые материалы 1. Свойства полупроводников Простые и сложные полупроводники. Получение и применение полупроводниковых материалов Из десяти элементов, обладающих свойствами полупроводников, наибольшее приме- нение в технике нашли германий и кремний. Германий –один из наиболее тщательно изученных полупроводников, и многие яв- ления, характерные для полупроводников, впервые экспериментально были обнару- жены на этом материале. Содержание германия в земной коре невелико, около 7·10 -4 %. Для полупроводников необходим тщательно очищенный германий. Один из способов очистки – метод зон- ной плавки. Германий применяется для изготовления выпрямителей, транзисторов, фоторезисторов, фототранзисторов и т. д. Рабочий диапазон температур германиевых приборов – от –60 до +70 о С. Германиевые приборы должны быть защищены от дей- ствия влажности воздуха. Кремний, как и германий, относится к IV группе таблицы Д. И. Менделеева. Он яв- ляется одним из самых распространенных элементов в земной коре, его содержание составляет примерно 29 %. Однако в свободном состоянии в природе он не встреча- ется. 7 Технический кремний (около одного процента примесей), получаемый восстановле- нием из диоксида (SiO 2 ) в электрической дуге между графитовыми электродами, ши- роко применяется в черной металлургии как легирующий элемент (например, в элек- тротехнической стали). Технический кремний как полупроводник использован быть не может. Он является исходным сырьем для производства кремния полупроводни- ковой чистоты, содержание примесей в котором должно быть менее 10 -6 %. Техноло- гия получения кремния полупроводниковой чистоты очень сложна, она включает не- сколько этапов. Конечная очистка кремния может выполняться методом зонной плавки, при этом возникает ряд трудностей, так как температура плавления кремния значительно выше температуры плавления германия. В настоящее время кремний является основным материалом для изготовления полу- проводниковых приборов: диодов, транзисторов, стабилитронов, тиристоров и т. д. У кремния верхний предел рабочей температуры приборов может составлять в зависи- мости от степени очистки материалов 120–200 о С, что значительно выше, чем для германия. Полупроводниковые химические соединения (бинарные соединения) Полупроводниковыми свойствами обладают не только простые полупроводники (германий, кремний), но и целый ряд химических соединений. Среди них наибольшее распространение получили двойные (бинарные) соединения А III В V , А II B VI , А IV B IV и др. Соединения А III В V являются ближайшими аналогами кремния и германия. Они обра- зуются в результате взаимодействия элементов III подгруппы таблицы Менделеева (бор, алюминий, галлий, индий) с элементами V подгруппы (азот, фосфор, мышьяк, сурьма), которые соответственно называются нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды. Среди соединений А III В V особое поло- жение занимает арсенид галлия (GaAs). У него ширина запрещенной зоны превышает ширину запрещенной зоны германия и кремния, но ещѐ не очень велика (1,43 эВ). Полупроводниковые приборы из арсенида галлия по частотному пределу превосхо- дят германиевые, а по максимальной рабочей температуре (до 450 о С) – кремниевые. Соединения А II B VI образуются в результате взаимодействия элементов II подгруппы (цинк, кадмий, ртуть, медь, висмут) с элементами VI подгруппы (сера, селен, теллур, кислород), которые соответственно называются сульфиды, селениды, теллуриды, ок- сиды. Технология изготовления полупроводниковых соединений А II B VI разработана гораздо менее полно. Это связано с тем, что они обладают высокими температурами плавления. Обычно их выращивают в запаянных кварцевых ампулах. К этой же группе относится оксид цинка ZnO, имеющий ΔW = 3,2 эВ, который широ- ко используется в ограничителях перенапряжения. Но о нѐм подробнее будет расска- зано в разделе «Керамические полупроводники». Карбид кремния (SiC) является единственным бинарным соединением, образован- ным элементами IV подгруппы (А IV B IV ) и относящихся к полупроводникам. Этот по- лупроводниковый материал с большой шириной запрещѐнной зоны (ΔW = 2,8–3,1 8 эВ) применяется для изготовления полупроводниковых приборов, работающих при высоких температурах (до 700 о С). Карбид кремния является одним из наиболее твер- дых веществ, он устойчив к окислению до температуры свыше 1 400 о С. Тема 2.3 Диэлектрические материалы 1. Свойства, классификация и область применения диэлектрических материалов. Электропроводность диэлектриков. Твердые органические диэлектрики. Твердые не- органические диэлектрики. Активные диэлектрики. Большинство неорганических твердых диэлектриков имеют ионно-кристаллическое строение, отличаются высокой нагревостойкостью и электрической прочностью. Слюда Слюда - минерал ионно-кристаллического строения, обладающий способностью расщепляться на пластины. По химическому составу слюда представляет собой вод- ные алюмосиликаты. Основные диэлектрические характеристики слюды: •ε = 5…7; •tgδ = (5…50).10-4; •ρ = 1013 Ом·м; •Епр = 12 МВ/м. Слюда относится к электроизоляционным материалам высшего класса нагревостой- кости: температура начала резкого ухудшения свойств составляет 700...900°С. Слюда применяется для конденсаторов, штампованных деталей электронных и осветитель- ных ламп, для изоляции коллекторных пластин электрических машин. Стекла Стекла - материалы аморфного строения, состоящие из оксидов различных элемен- тов. В качестве стеклообразующих оксидов используются SiO2, B2O3, Al2O3, P2O5. Наибольшее распространение получили силикатные стекла на основе двуокиси крем- ния SiO2, благодаря химической стойкости, дешевизне и доступности сырья. При охлаждении расплава имеются две характерные точки: температура текуче- сти Тт, выше которой стекло проявляет текучесть, и температура стеклования Тс, ни- же которой проявляется хрупкость стекла. Для большинства силикатных стекол Тт = 900...700 °С, Тс=600...400°С. Интервал температур между Тт и Тс называют интерва- лом размягчения, когда стекло обладает пластичными свойствами. Чем шире интер- вал размягчения, тем технологичнее стекло. Формовку изделий осуществляют путем выдувания, центробежного литья, вытяжки, прессования, прокатки, отливки и т.д. Изготовленные изделия подвергают отжигу для снятия внутренних напряжений. При отжиге изделие нагревают до 300...400°С и мед- ленно охлаждают. Группы силикатных стекол: • щелочные стекла - это большинство обычных стекол, в которых помимо стеклооб- разующих оксидов содержатся оксиды щелочных металлов (Na2O, K2O), понижаю- 9 щие интервал размягчения стекла. Они отличаются пониженными электрическими свойствами, невысокой нагревостойкостью, но легко обрабатываются; • бесщелочные стекла не содержат оксидов щелочных металлов. Стекла данной группы обладают более высокой нагревостойкостью и высокими электрическими свойствами; • щелочные стекла с добавлением оксидов тяжелых металлов (PbO, BaO и др.) удовлетворительно обрабатываются, а по электрическим свойствам приближаются к бесщелочным стеклам. Стекла - это неорганические диэлектрики с ионным типом поляризации. По механи- ческим свойствам они обладают высокой прочностью на сжатие, но малой прочно- стью на растяжение, твердостью в сочетании с хрупкостью. Оптические свойства стекол характеризуются прозрачностью, коэффициентом преломления и т.д. Их элек- трические свойства зависят от состава и меняются в следующих пределах: •ε = 3,8…16; •tgδ = (1…100).10-4; •ρ = 106...1016 Ом·м; •Епр = 30...150 МВ/м. Наилучшими характеристиками обладает кварцевое стекло - материал на основе чис- той двуокиси кремния SiO2. Его получают при температуре выше 1700°С. Стекло- масса обладает очень узким интервалом размягчения и даже при температурах выше 1700°С имеет высокую вязкость. Основу микроструктуры кварцевого стекла состав- ляют кремний - кислородные тетраэдры [SiO4]4- (рис. 27), которые, соединяясь друг с другом через кислородные ионы, образуют сплошные трехмерные сетки. В принци- пе, кварцевое стекло можно рассматривать как неорганический пространственный полимер. Свойства кварцевого стекла: • высокие механические свойства (ζсж = 2500 МПа, ζраст = 60 МПа, что в 4-5 раз выше, чем у остальных стекол), • высокая нагревостойкость (до 1000°С); • низкий температурный коэффициент линейного расширения (αl = 0,01.10-6 К-1), • высокая химическая инертность; • высокая прозрачность в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной области спек- тра до λ = 4 мкм, радиопрозрачность. Кварцевое стекло находит широкое применение во многих областях техники: в про- изводстве лабораторной посуды (реакторы, тигли, лодочки, ампулы и т.д.), оптиче- ских линз, призм, баллонов ламп ультрафиолетового излучения, стабилизаторов час- тот и т.д. Применение стекол: Электровакуумное стекло применяется для изготовления баллонов и других дета- лей электровакуумных приборов. По химическому составу электровакуумные стекла относятся к группе боросиликатных (B2O3+SiO2) или алюмосиликатных 10 (Al2O3+SiO2) с добавками щелочных оксидов. Для них важное значение имеет тем- пературный коэффициент линейного расширения, который должен быть близок к αl соответствующего металла. Электровакуумные стекла подразделяются на: •платиновые - αl = (8,5…9,2).10-6 К-1; •молибденовые - αl = (4,6…5,2).10-6 К-1; •вольфрамовые - αl = (3,5…4,2).10-6 К-1. Изоляторные стекла используются для герметизации вводов в металлических кор- пусах различных приборов (конденсаторов, диодов, транзисторов, и др.). Для таких проходных изоляторов в полупроводниковых приборах применяют щелочное сили- катное стекло. Цветные стекла - обычные силикатные стекла с добавками, придающими стеклам соответствующую окраску: CaO - синюю, Cr2O3 - зеленую, MnO2 - фиолетовую и коричневую, UO3 - желтую, что используется при изготовлении светофильтров, эма- лей и глазурей. Лазерные стекла применяются в качестве рабочего тела в твердых лазерах. Центра- ми излучения являются активные ионы, равномерно распределенные в диэлектриче- ской, прозрачной матрице. Наиболее часто применяют баритовый крон (BaO-K2O- SiO2), активированный ионами неодима Nd3+. Преимущество лазерных стекол перед монокристаллами - оптическая однородность, изотропность свойств, высокая техно- логичность, низкая теплопроводность, что важно для генерации импульсов высокой мощности. Стекловолокно получают из расплавленной стекломассы вытяжкой через фильеру с быстрой намоткой на вращающийся барабан (d = 4...7 мкм). Из стекловолокна мето- дом текстильной технологии ткут ткани, ленты, делают шланги. Преимущества стек- ловолокнистой изоляции состоят в высокой нагревостойкости, значительной прочно- сти, малой гигроскопичности и хороших электроизоляционных свойствах. Световоды используются в оптоэлектронике для передачи различной информации от источника к приемнику с помощью тончайших волокон. Отдельные волокна соеди- няются в световые кабели (жгуты) с внутренними межволоконными светоизолирую- щими покрытиями. Чтобы предотвратить прохождение света из одного волокна в другое их покрывают светоизолирующей оболочкой из стекла с меньшим показате- лем преломления, чем у сердцевины. Тогда световой луч, падая из среды, оптически более плотной (сердцевина), на поверхность раздела со средой, оптически менее плотной (оболочка) под углом больше предельного, будет испытывать многократное полное внутреннее отражение и пойдет вдоль волокна практически без потерь энер- гии. 2.4. Магнитные радиоматериалы 1. Основные характеристики магнитных материалов. Классификация магнитных ма- териалов. Магнитотвердые и магнитомягкие материалы. Магнитные материалы спе- циального назначения. 11 Электрическая прочность диэлектриков Электрической прочностью называется свойство диэлектрика сохранять свое элек- трическое сопротивление при приложении напряжения. Потери диэлектриком своих изоляционных свойств при превышении напряженности поля некоторого критическо- го значения называется пробоем, напряжение – пробивным напряжением. Электрическую прочность определяю величиной пробивного напряжения, отнесен- ного к толщине диэлектрика в месте пробоя. Пробой диэлектриков может наступать в результате электрических, тепловых, а так- же электрохимических процессов, происходящих под действием электрического по- ля. Механизм пробоя лучше всего рассматривать в зависимости о агрегатного со- стояния вещества. Электрическая прочность измеряется в вольтах на единицу расстояния (обычно В/см) и сильно варьирует с диэлектриком: - cлюда, кварц и другиe твѐрдые диэлектрики с хорошими изолирующими свойства- ми обладают прочностью до 106-107 В/см; - электрическая прочность жидкого диэлектрика очень сильно зависит от его чистоты и также может достигать 106 В/см; - электрическая прочность газов линейно зависит от давления (закон Пашена) и су- щественно — от толщины слоя («отклонения» от закона Пашена); в случае воздуха в нормальных условиях с толщиной слоя 1 см электрическая прочность составляет приблизительно 3×104 В/см, у элегаза — в 2-4 раза выше. Определение магнитных материалов Магнитными материалами называют материалы, основным свойством которых явля- ется способность намагничиваться под влиянием внешнего магнитного поля. Некото- рые из них сохраняют свою намагниченность и после прекращения воздействия маг- нитного поля. К магнитным материалам относятся материалы на основе чистого железа, никеля, ко- бальта и их сплавов. Основные типы магнитного состояния вещества (диамагнетики, парамагнетики, фер- ромагнетики, ферримагнетики, антиферромагнетики) В соответствии с магнитными свойствами все материалы делятся на следующие группы: диамагнитные, парамагнитные, ферромагнитные, антиферромагнитные и ферримагнитные. Диамагнетизм наблюдается во всех веществах и связан тем, что внешнее магнитное поле оказывает влияние на орбитальное движение электронов, вследствие чего инду- цируется магнитный момент, направленный навстречу внешнему полю. После снятия внешнего магнитного поля индуцированный магнитный момент диамагнетика исче- зает. Магнитная восприимчивость диамагнетиков кd (отрицательная) по абсолютно- му значению очень мала; она не зависит ни от температуры, ни от напряженности магнитного поля. Диамагнетик выталкивается из магнитного поля. 12 К диамагнитным веществам относятся инертные газы, водород, медь, цинк, свинец (вещества, состоящие из атомов с полностью заполненными электронными оболоч- ками). Магнитный момент их атомов равен нулю. Парамагнитные вещества отличаются тем, что состоят из атомов с не полностью за- полненными оболочками, т.е. обладающих магнитными моментами. Но такие атомы находятся друг от друга достаточно далеко, так, что взаимодействие между ними от- сутствует. Поэтому у парамагнетиков магнитные моменты атомов ориентируются в направление внешнего магнитного поля и усиливают его. Магнитная восприимчивость парамагнетиков положительна, имеет небольшое значе- ние от 10-5 до10-2 и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля, но за- висит от температуры. К парамагнетикам относятся Na и редкоземельные элементы, поскольку их атомы всегда обладают магнитными моментами. Парамагнетик втяги- вается в магнитное поле. Ферромагнитные вещества содержат атомы, обладающие магнитным моментом (не- заполненные электронные оболочки), однако расстояние между ними не так велико, как в парамагнетиках, в результате чего между атомами возникает взаимодействие, которое называется обменным (предполагается, что соседние атомы обмениваются электронами). В результате такого взаимодействия энергетически выгодной в зави- симости от расстояния становится параллельная ориентация магнитных моментов со- седних атомов (ферромагнетизм) либо антипараллельная (антиферромагнетизм). Под воздействие обменных сил параллельная ориентация магнитных моментов ато- мов ферромагнитного вещества происходит в определенных областях, называемых доменами. В пределах домена материал в отсутствие внешнего поля намагничен до насыщения благодаря обменному взаимодействию отдельных атомов. Это взаимо- действие действует только до определенной критической температуры, которая назы- вается температурой Кюри. Выше температуры Кюри домены разрушаются и ферро- магнетик переходит в парамагнитное состояние. Ферромагнитные вещества легко намагничиваются в слабых магнитных полях. Магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость ферромагнетиков велики (до 106) и сильно зависят от температуры, а также от напряженности магнитного поля. Антиферромагнетиками называют материалы, в которых во время обменного взаи- модействия соседних атомов происходит антипараллельная ориентация их магнит- ных моментов. Так как магнитные моменты соседних атомов взаимно компенсиру- ются, антиферрромагнетики не обладают магнитным моментом, а характеризуются магнитной восприимчивостью, которая близка к восприимчивости парамагнетиков. Выше некоторой критической температуры, которая получила название температуры Нееля (аналогична температуре Кюри), магнитоупорядоченное состояние антифер- ромагнетика разрушается и он переходит в парамагнитное состояние. К феррримагнетикам относятся вещества, в которых обменное взаимодействие осу- ществляется не непосредственно между магнитноактивными атомами, как в случае ферромагнетизма, а через немагнитный ион кислорода. Такое взаимодействие назы- вают косвенно обменным или сверхобменным. Это взаимодействие в большинстве 13 случаев в ферримагнитных веществах приводит к антипараллельной ориентации маг- нитных моментов соседних ионов (т.е. к антиферромагниному упорядочению). Одна- ко количество ионов с магнитными моментами, ориентированными условно вверх и вниз, а также величины их моментов неодинаковы. Поэтому магнитные моменты ио- нов не полностью компенсируются и ферримагнитные вещества обладают магнит- ным моментом и имеют доменную структуру, которая исчезает выше температуры Кюри. Диа- пар- и антиферромагнитные вещества относятся к слабомагнитным, а ферро- и ферримагнитные вещества являются сильномагнитными и поэтому именно они на- шли техническое применение в качестве магнитных материалов в электротехнике. Общие сведения о группах магнитных материалов (магнитомягкие, магнитотвердые, материалы специализированного назначения) Магнитные материалы в зависимости от их свойств классифицируются следующим образом: 1. Магнитомягкие материалы – материалы с высокой проницаемостью в слабых и средних полях и низкой коэрцитивной силой. К ним относятся электротехнические стали, пермаллой, викаллой, термаллой. Магнитомягкие материалы применяются для изготовления магнитопроводов элек- трических машин, магнитопроводов трансформаторов и реакторов, полюсных нако- нечников, сердечников, катушек, дросселей электромагнитов и т.д. 2. Магнитотвердые материалы с высокой коэрцитивной силой. Применяются для из- готовления постоянных магнитов электрических машин, электроизмерительных при- боров, магнитных муфт и т.д. 3. Прецизионные материалы со специальными свойствами (высокой магнитострикци- ей, термомагнитными, коррозионностойкими и другими свойствами). Магнитные прецизионные материалы со специальными свойствами применяются для изготовления магнитострикционных преобразователей, магнитопроводов систем, ра- ботающих в агрессивных средах, магнитных шунтов измерительных приборов. Магнитные материалы классифицируются также в соответствии с их основой. Разли- чают: металлические материалы, неметаллические материалы, магнитодиэлектрики. Металлические магнитомягкие материалы – это чистое железо, листовая электротех- ническая сталь, железо-армко, пермаллои ( железно-никелевые спавы) и др. Металлические магнитотвердые материалы – это легированные стали, специальные сплавы на основе железа, алюминия, никеля и легирующих компонентов (кобальт, кремний). Неметаллические магнитные материалы – это материалы, получаемые из порошкооб- разной смеси окислов некоторых металлов, и окиси железа – ферриты. Ферриты де- лятся на магнитомягкие и магнитотвердые. Прессованные ферритовые изделия под- вергают высокотемпературной обработке – обжигу при температуре 1300 – 1500?С. 14 Магнитодиэлектрики – это композиционные материалы которые включают 70-80% порошкообразного магнитного материала и 30-20% органического высокополимер- ного диэлектрика. Магнитодиэлектрики и ферриты отличаются от металлических магнитных материа- лов большими значениями удельного электрического сопротивления. Это значитель- но снижает потери на вихревые токи, что позволяет использовать эти материалы в технике высоких частот. Магнитные свойства материалов характеризуются рядом физических величин или магнитными характеристиками: петлей гистерезиса, кривой намагничивания, маг- нитной проницаемостью, потерями энергии при перемагничивании. Основные физические свойства магнита определяются характером размагничиваю- щей ветви петли магнитного гистерезиса материала, из которого изготовлен магнит. Чем больше коэрцитивная сила Hc и остаточная магнитная индукция Br материала, то есть чем более магнитно-твѐрдым является материал, тем лучше он подходит для магнита. Индукция в магните может равняться наибольшей остаточной индукции Br лишь в том случае, если он представляет собой замкнутый магнитопровод. Обычно же магнит служит для создания магнитного потока в воздушном зазоре, на- пример, между полюсами подковообразного магнита. Воздушный зазор уменьшает индукцию (и намагниченность) магнита; влияние зазора подобно действию некоторо- го внешнего размагничивающего поля Hd. Значение поля Hd, уменьшающего оста- точную индукцию Br до значения Bd, определяется конфигурацией магнита. Таким образом, при помощи магнита могут быть созданы магнитные поля, индукция кото- рых В ≤ Br. Действие магнита наиболее эффективно в том случае, если состояние магнита соот- ветствует точке кривой размагничивания, где максимально значение (BH) max, то есть максимальна магнитная энергия единицы объѐма магнитного материала. Важным условием для достижения наивысших магнитных характеристик магнита яв- ляется его предварительное намагничивание до состояния магнитного насыщения. Другое важное требование – неизменность магнитных свойств со временем и при воздействии неблагоприятных условий внешней среды. Магнитная индукция и напряженность магнитного поля Магнитная индукция B – векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства. Определяет, с какой силой магнитное поле действует на заряд, движущийся в маг- нитном поел с определенной скоростью. Единица измерения в системе СИ: Тесла. Напряжѐнность магнитного поля Н — векторная физическая величина, равная разно- сти вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности M. Единица измерения в системе СИ: амперы на метр (А/м). 15 Намагниченность Намагниченность – векторная физическая величина, характеризующая магнитное со- стояние макроскопического физического тела. Обозначается обычно М или J. Определяется как магнитный момент единицы объѐма вещества. Единица измерения в системе СИ: А/м-1. Магнитная проницаемость Для характеристики поведения магнитных материалов в поле с напряженностью Н пользуются понятиями абсолютной магнитной проницаемости μа и относительной магнитной проницаемости μr: μа= В/Н μа= μ0 · μr , где μ0 = 4·π · 107 - магнитная постоянная, Гн/м. Относительную магнитную проницаемость материала μr получают по основной кри- вой намагничивания. Для простоты индекс и слово «относительная» не упоминается. Наиболее часто используют понятия нормальной μ, начальной μн, максимальной μмах, дифференциальной μдиф и импульсной μимп магнитной проницаемости. Раздел 3 Радиокомпоненты, применяемые при производстве радиоэлектронных приборов и устройств |