- •ЭЛектрорадиоматериалы
- •Электрорадиоматериалы. Методические указания к лабораторным работам/ – Одесса: Одесская национальная морская академия, 2010. – 56 с.
- •Вступление
- •Лабораторная работа № 1 исследование температурной зависимости диэлектрической проницаемости некоторых диэлектриков
- •Методика проведения эксперимента
- •Емкость плоского конденсатора рулонной конструкции (рис.1.1 б) определяется как: , (1.2)
- •Ход работы
- •Задание к лабораторной работе
- •Теоретические знания
- •1 Диэлектрические материалы
- •2 Поляризация диэлектрика
- •3 Виды поляризации диэлектрика
- •4 Классификация диэлектриков по видам поляризации
- •5 Диэлектрические потери
- •6 Расчет мощности потерь и тангенса угла диэлектрических потерь в диэлектрике
- •7 Виды диэлектрических потерь
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2 определение параметров собственного и примесного германия
- •Методика проведения эксперимента
- •Ход работы
- •Задание к лабораторной работе
- •Теоретические знания
- •1 Полупроводниковые материалы
- •2 Структура и зонная диаграмма собственных и примесных полупроводников
- •3 Параметры собственных полупроводников
- •4 Параметры примесных полупроводников
- •5. Электропроводность примесных полупроводников.
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 3 исследование температурной зависимости удельного сопротивления металлических проводников
- •Методика проведения эксперимента
- •Ход работы
- •Задание к лабораторной работе
- •Теоретические знания
- •Проводниковые материалы
- •2. Влияние температуры на удельное сопротивление металлов
- •3 Влияние примеси на удельное сопротивление проводников
- •4 Классификация проводниковых материалов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 4/м Исследование свойств магнитомягких материалов
- •Методика проведения эксперимента
- •Домашнее задание
- •Задание к лабораторной работе
- •Теоретические знания
- •1 Магнитные материалы
- •2 Классификация веществ по магнитным свойствам
- •3 Намагничивание ферромагнетиков
- •4. Потери в магнитных материалах
- •5 Магнитная проницаемость
- •6 Классификация магнитных материалов
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Содержание
- •ЕлектроРадіоматеріали
- •65029, М. Одеса, вул. Дідріхсона, 8
- •Publish@ma.Odessa.Ua
Теоретические знания
1 Магнитные материалы
Любое вещество, которое помещено в магнитном поле приобретает некоторый магнитный момент. Магнитный момент единицы объема вещества называется намагниченностью
. (4.3)
Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля
, (4.4)
где χ - магнитная восприимчивость.
Намагниченное тело, которое находится во внешнем магнитном поле, образует собственное магнитное поле, которое может быть параллельно или антипараллельно внешнему полю. Поэтому суммарная магнитная индукция в веществе определяется так
, (4.5)
где μ0 = 4.10−7 Гн/м − магнитная постоянная;
μ − относительная магнитная проницаемость, которая показывает в сколько раз магнитная индукция поля в данной среде больше, чем в вакууме.
2 Классификация веществ по магнитным свойствам
По реакции на внешнее магнитное поле и характеру магнитного упорядочивания все вещества делятся на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики, и ферримагнетики (ферриты).
К диамагнетикам принадлежат вещества, в которых магнитная проницаемость меньше чем единица и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля.
Парамагнетики − это вещества с магнитной проницаемостью, немного большей единицы и которая не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Парамагнетизм обусловлен преимущественно ориентацией магнитных моментов отдельных атомов, которые находятся в тепловом хаотическом движении, в одном направлении при внесенные вещества в магнитное поле.
Ферромагнетики − это вещества со значительной магнитной проницаемостью, которая сильно зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Ферромагнетизм имеет внутреннее упорядочивание, которое выражается в наличии макроскопических областей, внутри которых существует параллельная ориентация магнитных моментов атомов даже при отсутствии внешнего магнитного поля (рис. 4.2). Такие области называются доменами. Основная особенность ферромагнетиков − их способность намагничиваться к насыщению в относительно слабых магнитных полях.
В антиферромагнетиках, в отличии от ферромагнетиков ниже некоторой критической температуры Нееля возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых ионов (см. рис. 4.2). Поэтому, невзирая на магнитное упорядочивание, суммарная намагниченность антиферромагнетика в отсутствии магнитного поля равняется нулю.
К ферримагнетикам (ферритам) принадлежат вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом (см. рис. 4.2). Они имеют свойства, характерные для ферромагнетиков, но отличаются от них высоким удельным сопротивлением и низкой индукцией насыщения. Их высокое удельное сопротивление обусловлено тем, что это окислы металлов MеO·Fe2O3, где Me − символ двухвалентного металла. Низкая индукция насыщения связана с антипараллельной ориентацией магнитного момента отдельных атомов.
В технике используются в качестве магнитные материалы только ферромагнетики и ферриты.
Известно, что магнитные свойства вещества определяются спиновыми и орбитальными магнитными моментами электронов, а также магнитными моментами ядер атомов. Для того, чтобы атом имел результирующий магнитный момент, который отличается от нуля в отсутствии магнитного поля, должны быть не скомпенсированы магнитные моменты спинов электронов. Это возможно только в атомах с незаполненными внешними оболочками. К ним относят атомы элементов переходной группы − железа, никеля, кобальта и редкоземельных элементов.
Однако наличие магнитных моментов атомов еще не является достаточным условием для существования ферромагнетизма. Явление ферромагнетизма возможно при наличии взаимной ориентации постоянных магнитных моментов групп атомов в одном направлении. Поэтому между магнитными моментами отдельных соседних атомов должно быть сильное взаимодействие. Подобное обменное взаимодействие невозможно описать с помощью классических моделей, она представляет собой квантовый эффект.
При взаимодействии атомов, которые имеют нескомпенсированные спины, с моментом количества движения SKі и SiК обменная энергия пропорциональна этим моментам
, (4.6)
где А - обменный интеграл.
Если расстояние между атомами мало, то обменный интеграл отрицателен и энергетически выгодным является размагниченное состояние вещества, то есть антипараллельная ориентация соседних спинов атомов (ри.4.3). Когда обменный интеграл значительный и положительный, что возможно при большем расстоянии между атомами, то минимуму энергии системы отвечает намагниченное до насыщения состояние вещества, то есть параллельная ориентация спинов у соседних атомов. Если же обменный интеграл малый (расстояние между атомами большое), то преимущественная ориентация спинов отдельных атомов отсутствует и вещество обладает слабыми магнитными свойствами (рис. 4.3). На основе изложенного критерий перехода от антиферромагнитного состояния к ферромагнитному состояниюа/d > 1,5. Это позволяет создать ферромагнитные сплавы, которые состоят даже из полностью немагнитных материалов (сплавы Гейслера), например, Cu2MnAl.
Наличие ферромагнитных свойств в таких сплавах легко объяснить из рис. 4.3. Небольшое увеличение межатомного расстояния между ионами марганца за счет внедрения в решетку немагнитных компонентов приводит к появлению ферромагнетизма.