Магнитные материалы. Проводниковые материалы. Полупроводниковые материалы. Диэлектрики. Классификация и основные свойства. – Катков

Магнитные материалы. Проводниковые материалы. Полупроводниковые материалы. Диэлектрики. Классификация и основные свойства.

Магнитные материалы - вещества, обладающие магнитными свойствами и изменяющие магнитное поле, в которое они помещены. Ими могут быть металлы и сплавы (гл. обр. ферромагнетики, такие, как Fe, Co, Ni, Cu, редкоземельные элементы), диэлектрики и полупроводники (ферри – и антиферромагнетики, напр. ферриты-шпинели МFe₂O₄, где М – Fe, Ni, Cо, Mn, Мg, Zn, Cu, интерметаллиды и др.). Различают магнитомягкие, магнитотвёрдые, термомагнитные, магнитооптические и магнитострикционные материалы.

Магнитомягкие материалы – это материалы с большой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой (такое размагничивающее внешнее магнитное поле напряженностью, которое необходимо приложить к ферромагнетику, предварительно намагниченному до насыщения, чтобы довести до нуля его намагниченность или индукцию магнитного поля внутри), быстро намагничиваются и быстро теряют магнитные свойства при снятии магнитного поля.

Основной магнитомягкий материал – чистое железо и его сплавы с никелем и кобальтом. Для повышения электросопротивления легируют кремнием, алюминием. Для улучшения прессуемости сплавов вводят до 1 % пластмассы, которая полностью испаряется при спекании. Пористость материалов должна быть минимальной.

Они обладают свойствами ферромагнетика (такое вещество, которое, при температуре ниже точки Кюри, способно обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля) или ферримагнетика (ферримагнетики характеризуются спонтанной намагниченностью, различные подрешётки в них состоят из различных атомов или ионов, например, ими могут быть различные ионы железа, Fe2+ и Fe3+). Такие материалы также обладают высокой магнитной проницаемостью (физическая величина, коэффициент (зависящий от свойств среды), характеризующий связь между магнитной индукцией и напряжённостью магнитного поля в веществе) и малыми потерями на гистерезис.

 

Петля гистерезиса

 

Магнитотвердые материалы отличаются относительно малой магнитной проницаемостью, но большой коэрцитивной силой и энергией, отдаваемой в окружающую среду. Эти материалы применяют для изготовления постоянных магнитов. К ним относятся: углеродистые, вольфрамовые, хромистые, кобальтовые стали, коэрцитивная сила которых равна 5000...13000 А/м, а остаточная индукция – 0,7...1,0 Т.

Магнитострикционные материалы обладают повышенной способностью деформироваться при намагничивании, используются в излучателях и приёмниках звука и ультразвука, преобразующих энергию магнитного поля в механическую и обратно; основные материалы – никель, сплавы никеля (пермендюр) и железа (с Аl, Ni, Pt, Ni и Co, Ni и Cr, Co и Сr), интерметаллиды редкоземельных элементов. Никель, обладающий хорошими магнитострикционными, механическими, антикоррозионными свойствами. Его недостатки — сравнительно низкая величина электросопротивления, невысокая индукция насыщения, относительно невысокая температура Кюри (360°). Сплав пермендюр - имеет большие значения магнитострикционных постоянных, высокую магнитострикцию и индукцию насыщения, Q в 4 раза больше, чем у никеля, высокие динамические характеристики в состоянии остаточного намагничивания, высокую температуру Кюри (960°). Недостатки сплава — коррозионная нестойкость и низкая пластичность.

Магнитооптические материалы. Ряд веществ, в том числе ферромагнетики, обладают магнитной оптической активностью. Наведенная магнитным полем оптическая активность проявляется и двух эффектах - Фарадея и Керра. Эффект Фарадея сводится к повороту плоскости линейной поляризации светового луча, проходящего через магнитооптическую среду. Угол поворота при направлении магнитного поля вдоль луча пропорционален напряженности магнитного поля. Нечто похожее наблюдается и при отражении линейно поляризованного луча света от поверхности ферромагнитного материала в присутствии магнитного поля. Этот эффект именуют эффектом Керра. Прошедший или отраженный свет несет, таким образом, информацию о текущем значении напряженности магнитного поля на поверхности ферромагнитного материала, зафиксированную углом поворота плоскости поляризации луча.

 

Эффект Фарадея

 

Эффект Керра

 

Термомагнитные материалы ферромагнитные сплавы с сильной зависимостью намагниченности насыщения Js от температуры Т в заданном магнитном поле. Обычно подразделяют на две группы: термомагнитные (компенсационные) сплавы (ТКС) и многослойные термомагнитные (компенсационные) материалы (ТКМ). К ТКС относятся сплавы Ni—Fe—Cr (компенсаторы), Ni—Cu (кальмаллои), Ni—Fe (термаллои). К преимуществам компенсаторов относится обратимость свойства в диапазоне температур ±70°С, хорошая воспроизводимость характеристик (в частности, зависимость Js от Т), несложная механическая обработка. ТКМ обладают рядом преимуществ по сравнению с ТКС: возможность расчёта магнитных свойств и разнообразие характеристик, достижение насыщения (Js) в слабых полях, слабая зависимость насыщения от поля.

Проводниковые материалы. Называются вещества, внутри которых в случае электростатического равновесия электрическое поле равно нулю, т.е. некомпенсированные заряды проводников локализуются в бесконечно тонком поверхностном слое, а если электрическое поле отлично от нуля, то в проводнике возникает электрический ток.

Проводниковые свойства проявляют как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы.

В электротехнике из твердых проводников наиболее широко используются металлы и их сплавы, различные модификации проводящего углерода и композиции на их основе.

Металлические проводниковые материалы подразделяются на материалы высокой проводимости и сплавы высокого сопротивления. Металлы высокой проводимости используются в тех случаях, когда необходимо обеспечить минимальные потери передаваемой по ним электрической энергии, а сплавы высокого сопротивления, наоборот, в тех случаях, когда необходима трансформация электрической энергии в тепловую.

К жидким проводникам относятся расплавы и электролиты. Если при прохождении тока через жидкие проводники на электродах не происходит выделение продуктов электролиза, то они относятся к проводникам первого рода. Расплавы ионных кристаллов и электролиты относятся к проводникам второго рода, так как при прохождении через них тока происходит перенос вещества, а на электродах выделяются продукты электролиза.

Газы и парообразные вещества становятся проводниками лишь в определенных диапазонах значений давления, температуры и напряженности электрического поля. Близка к газам по своему агрегатному состоянию особая проводящая среда — плазма.

При наличии градиентов температуры и потенциала в одном или нескольких соединенных проводниках возникает ряд термоэлектрических эффектов. Самые важные из них — эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона.

Полупроводниковые материалы - вещества с чётко выраженными свойствами полупроводников (в широком интервале температур, включая комнатную (~ 300 К), являющиеся основой для создания полупроводниковых приборов. Удельная электрическая проводимость σ при 300 К составляет 104−10~10 Ом−1·см−1 и увеличивается с ростом температуры. Для полупроводниковых материалов характерна высокая чувствительность электрофизических свойств к внешним воздействиям (нагрев, облучение, деформации и т. п.), а также к содержанию структурных дефектов и примесей.

Полупроводниковые материалы по структуре делятся на кристаллические, твёрдые, аморфные и жидкие.

Кристаллическая структура — такая совокупность атомов, в которой с каждой точкой кристаллической решётки связана определённая группа атомов, называемая мотивной единицей, причем все такие группы одинаковые по составу, строению и ориентации относительно решётки. Можно считать, что структура возникает в результате синтеза решётки и мотивной единицы, в результате размножения мотивной единицы группой трансляции.

Кристаллические полупроводниковые материалы:

Наибольшее практическое применение находят неорганические кристаллические полупроводниковые материалы, которые по химическому составу разделяются на следующие основные группы.

- Элементарные полупроводники: Ge, Si, углерод (алмаз и графит), В, α-Sn (серое олово), Те, Se.

- Соединения типа A^IIIB^V элементов III и V группы периодической системы.

- Соединения элементов VI группы (О, S, Se, Те) с элементами I—V групп периодической системы, а также с переходными металлами.

- Тройные соединения типа A^IIB^IVC^V₂.

- Карбид кремния SiC — единственное химическое соединение, образуемое элементами IV группы.

Некристаллические полупроводниковые материалы:

Типичными представителями этой группы являются стеклообразные полупроводниковые материалы — халькогенидные и оксидные. К первым относятся сплавы Tl, P, As, Sb, Bi с S, Se, Те, характеризующиеся широким диапазоном значений удельной электрической проводимости, низкими температурами размягчения, устойчивостью к кислотам и щелочам.

Диэлектрики - вещества, обладающие малой электропроводностью, т.к. у них очень мало свободных заряженных частиц – электронов и ионов. Эти частицы появляются в диэлектриках только при нагреве до высоких температур. Существуют диэлектрики газообразные (газы, воздух), жидкие (масла, жидкие органические вещества) и твердые (парафин, полиэтилен, слюда, керамика и т.п.).

При наложении электрического напряжения в диэлектрике, представляющем сложную электрическую систему, протекают разнообразные электрические процессы, связанные с его поляризацией, электрической проводимостью. В случае очень большого напряжения может произойти разрушение диэлектрика, называемое пробоем. Эти процессы определяют свойства диэлектриков, а, следовательно, надежность их работы в радиоустройствах.

 

По области применения все диэлектрические материалы можно разделить на электроизоляционные и диэлектрики в электрических конденсаторах.

Первые используются для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга части, находящиеся под различными электрическими потенциалами.

 

Вторые используются для создания определенного значения электрической емкости конденсатора, а в некоторых случаях для обеспечения определенного вида зависимости этой емкости от температуры и других факторов.

По возможности управления электрическими свойствами диэлектрические материалы можно разделить на пассивные с постоянными свойствами и активные, свойствами которых можно управлять (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электреты и др.).

Диэлектрические материалы подразделяются по их агрегатному состоянию на газообразные, жидкие и твердые. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходном состоянии являются жидкостями, но затем отверждаются и в готовой, находящейся в эксплуатации изоляции, представляют собой твердые тела (лаки и компаунды).

В соответствии с химической природой все диэлектрики делятся на органические и неорганические. Под органическим веществами подразумеваются соединения углерода; обычно они содержат также водород, кислород, азот, галогены или иные элементы. Прочие вещества считаются неорганическими; многие из них содержат кремний, алюминий и др. металлы, кислород и т.п.

Количество диэлектрических материалов исчисляется многими тысячами. Поэтому здесь будут даны лишь общие представления об особенностях строения и свойств основных классов диэлектриков.