Диаграмма состояния – график, отражающий зависимость фазового состава от температури и концентрации компонентов. Температуру указывают по оси ординат, концентраци по оси абцисс

При охлаждении чистого металла, как и при охлаждении воды на графике изменения T во времени (рис 2)

Горизонтальный участок, обусловленный кристаллизацией при T_{плавления} (1 и 6 кривые). При охлаждении сплава првые кристаллы появляются при температуре…

Здесь ACD - линия начала кристаллизации сплавов (линия ликвидус); AECF - линия окончания кристаллизации сплавов (линия солидус), PSK- линия перлитного или эвтектоидного превращения (соответствует температуре перестройки решетки при охлаждении А, содержащего 0,8 % С); GS - линия превращения А в Ф при охлаждении (зависимость температуры перестройки кристаллической решетки от концентрации С в А); SЕ - линия предельной растворимости С в А (зависимость растворимости С в Fe от температуры).

§3 Классификация электротехнических метериалов.

ЭТМ – материалы, исполуемые в электротехнике, в частности в электронной и радио технике.

Их классифицирут по поведению с электрическом иди магнитном поле.

3.1 Классификация ЭТМ по поведению в магнитном поле.

Клоссификация ЭТМ по поведеню магнитном поле ведут по значению относительной магнитной проницаемости

, где В – магнитная индукция

                   Н- напряженность магнитного поля

                   m₀ – магнитная постоянная

Слабомагнитные материалы (m»1):

1. Диамагнетики

2. Парамагенитки

3. Антиферромагнетики

Диамагнетики – вещества с m<1, которые не зависит от напряженности магнитного поля. Зависимомть m от T слабая. Внешним проявление диамагнетика является выталкивание его из неоднородного магнитного поля.К диамагеникам относяться медь, серебро, цинк, золото, водород и инертные газы. Для Сu m=0,999995

Парамагнетики – вещества с m³1, которое не зависит от напряженности магнитного поля. Зависимомть m от T сильная. К ним относяться платинум, алюминий, кислород, воздух(m=1,000003), оксид азота и тд

Антиферромагнетики - вещества с m³1, и сильно зависящие от напряженности магнитного поля. Зависимомть m от T сильная. При нагревании антиферромагнетики фазовый переход в парамагнитные состояния. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца, оксидов редкоземельных элементов (элементы с номерами 57-71)

В диамагнетке внешнее магнитное поле ослабляется, а в парамагнетике и антиферромагнетике усиливается магнитными моментами атомов.

Магнитный момент атомов - образуется геометрически из магнитных моментов всех его электронов.

Магнитный момент электрона состоит из мангитных моментов, обусловленных вращением вокруг ядра и вокруг собственной оси. Первый из них называется орбитальным, а второй спиновым магнитным моментом.

 

Сильномагнитные материалы m>>1 или магеники – вещества m которых в большей степени зависит от напряженности магнитного поля и температуры. В кристаллах магнетика существуют области (домены) и в домене магнитные моменты атомов параллельныдруг другу и создают магнитный момент домена.

При отсутствии внешнего магнитного поля домены магнитных моментов отдельных атомов различны при наложении внешнего магнитного поля происходит постепенный рост числа доменов, намагниченность которых совпадает с внешним полем или близка к направлению внешнего поля. Когда все магнитные моменты доменов сорентированы по полю, то наступает магнитное насыщение.

По удельному сопротивлению магнетикиделят на

1. Ферромагнетики (железо, никель, кобальт и их сплавы)

2. Ферримагеники (ферриты r>r_Fe d 10⁶-10¹¹ раз)

Феррит – это соединение оксида железа с оксидом другого метеалла (ВаО*6Fe₂O₃ – барриевый феррит)

Достоинства ферритов: У них из-за высокого r потери на вихревые токи в высокочастотных электромагнитных полях(10⁸ Гц) малы.

Первые ферриты появились в конце 70-х. Зависимость магнитной индукции В от напряженности Н при цикличном намагничивании образует петлю.

Петля Гистерезиса:

1 - Кривая намагничивания

2-3 Петля Гистерезиса

 

Площадь петли характеризует потери энергии за 1 цикл перемагничивания на необратимое смещение градиц доменов и др процессы. Значение В_r при Н=0 называется остаточной нидкуцией. З начение Н_с при В=0 – коэрцетивная (заднрживающая) сила.

По величине Н_с магеники делят на:

1. магнтомягкие Н_с<800 A/м

2. магнитотвердые Н_с>4 к A/м

Помимо них бывают еще магнитные материалы спциального назначения.

 

3.2 Сильно магнитные материалы.

Типичные виды магнитомягких материалов:

1. Технически чистое железо (сплав Fe и  C 0,05%)

2. Электротехническая сталь (сплав Fe и  C<0,8% и кремния 0,5%) Количество Si определяет удельное сопротивление стали.

3. Пермаллой – сплав Fe c никелем < 80%  или Fe C Ni c Co и с добавьением малибдена, хрома и других элементов.

Из чистого железа, электротехнической стали, пермаллоя делают сердечники магнитов и трансфориаторов.

4. Магнитдиэлектрик – диэлектрик с внедрением в него частиц мягкомагнитного материала

5. Ферриты, например марганцево – цинковые. Их, как и магнитодиэлектрики испльзуют на высоких частотах тк вихревые токи в них малы

6.  Альсифер (Al 6% Si 10% Fe) по магнитным свойствам не уступают пермаллою, хотя и не содержат диффицитных материалов (Ni Co малибден). Из него делают частицы магнитодиэлектрика. Извесны следующие магнитотвердые материалы, используемые как постоянные магниты:

1) мантрситная сталь, которая содержит добавки хрома, вольфрама, кобальта (для ее получения необходимо быстрое охлаждение)

2) сплав Кунифе (50% Сu 20% Ni 20% Fe)

сплав Кунико (50% Сu 21% Ni 20% Сo)

3) магнитодиэлектрик – диэлектрик с частицами магниттвердого материала, его наносят например на ленту для записи информации.

4) Магнитотвердые ферриты (бариевый ферит BaO6Fe₂O₃)

 

Магнетики специального назначения делят на 6 групп

1) сплавы с высокой магнитострикцией (сильная деформация в магнитном поле)

Например 54%Pl;46%Fe или 50%Co и 50%Fe

Чистый никель и его сплавы имеют высокую магнитострикцию, используемую в генераторах звуковых колебаний.

2) Сплавы, отличающиеся незначительным изменением магнитной проницаемости n при изменении напряженности магнитного поля H. Например: сплав железа, никеля и алюминия.

3) Сплавы с сильной зависимостью магнитной проницаемости n от T(термомагнитные сплавы). Например, из сплава 70% никеля и 30% купрума делают сопротивление для компенсации температурной погрешности.

4) Магнитные пленки и монокристаллы со спецефическими доменными структурами. Перемещение полосовых доменов под воздействием внешнего поля используется в управляемых магнитным полем дифракционных решетках.

5) Магнитная жидкость. На рис. Приведена схема магнито-жидкосного герметезатора.

 

 М/у разделяемыми областями А и В есть 2 магнитных диска 1. Один из них заострен. М/у дисками установлен постоянный колцевой магнит 2, намагниченный в осевом направлении. Тк гермитизированный вад 3 изготовлен из магнитного материала, то образуется магнитная цепь, которая замыкает магнитный поток 4. Магнитная жидкость 5 втянута в обасть самого сильного магнитного поля те в зазор м/у валом и заостренной кромкой одного из дисков 1. Они образуют кольцо, разделяющее области А и В

6) Магнто-оптические материалы.

Например для записи лазером, изменяющие магнитные свойства компакт дика при записи.

3.3 Классификация по поведению в магнитном поле.

Каждой орбите электрона твердого тела соответствуетсвое значение энергии. W – энергетический уровень. Из-за притяжения ядра электроны полностью заполняют нижние энергетические уровни те орбиты ближайшие к ядру, а верхние энергтические уровни остаются свободныим(см рис).

Зонная диаграмма.

I – зона проводимости

II – запрешенная зона

III – валентная зона

· - электрон

1 – уровни возбужденного состояния электрона

2 – нормальные уровни

Энергетические уровни, заполненние эектронаминазывают валентной зоной (III). Что бы вырвать электрон из этой зоны и вовлечь его в поток зарядов, необходимо сообщить электрону энергию, те перевести в зону проводимости(в свободную зону I).

Энергетическуюцель м/у валентной зоной и зоной проводимости называют запрещенной зоной D W (зона II). В зависимости от значений r, a_r, D W веществ при атомном давлении делят на проводники, полупроводники и диэлектрики.

r [Ом*м] – удельное электрическое сопротивление.

a_r =  - температурный коэфициент удельного сопротивления

 - удельная электрическая проводимость

 

Один и тот же материал в зависимости от условий его использования может являться и проводником и полупроводником и диэлектриком. Например, металлы, являющиеся в твердом состоянии проводниками, оказываютс ядиэлектриками в газообразном.

 

§4 Диэлектрики.

Диэлектрики – материалы с удельным сопротивлением r³10⁸ Ом*м при t=20ºC и нормальном атмосферном давлении. Важным свойством диэлектрика является его способность к поляризации.

Поляризация – процесс ограниченногосмещения или ориентации связанных электрических зарядов в теле под действием электрического поля, который происходит в объеме и сопровождается появлением зарядов на поверхности материала у электронодов (см рис)

 

Расположение зарядов в поляризованном диэлектрике плоского конденсатора

 

При этом образец пиобретает полярность. Отсюда термин – поляризация. На практике мерой поляризации служит относительная диэлектрическая проницаемомть , где С и С₀ – емкости кондесатора с диэлектриком и без него соответственно. E_A – абсолютная проницаемость дилектрика E₀ – диэлектрическая проницаемость вакуума.

При нормальных условиях у твердых образцов с неполярными молекулами (неполярными диэлектриками)

E = 2- 5, а у полярных диэлектриков E = 10-40

Диэлектрики делят на пассивные и активные:

Пассивные диэлектрики сохраняют свои свойства при внешних воздействиях

Активные сильно меняют свои свойства.

Пассивные диэлектрики используют в качестве электрической изоляции в обычных конденсаторах. Электрическая изоляция препятствует прохождению тока нежелательным путем.

Широко примееняют следующие активные диэлектрики:

1. Пъезоэлектрики – Значение их E сильно зависит от механических напряжений (например кристаллический кварц). Пьезоэлектрики используют для стабилизаторов частоты, фильтров с высокой избирательной способностью

2. Пироэлектрики – Значение их E  сильно зависит от температуры(например LiNbO₃). Использут в датчиках температуры.

3. Сегнетоэлектрики – Значение E сильно зависит от напряженности электрического поля, что используют в варикондах (переменных емкостях). Наличие петли Гистерезиса в переменном электрическом поле – основное свойство сигнетоэлектриков, отличающее их от других классов диэлектриков (Титонат бария BaTiO₃ и материалы на его основе). Поляризованные сигонтоэлектрики используют в качестве пъезоэлектриков.

 

 

Зависимость заряда q отнапряжения U и электрической проницаемости E от температуры T  сигнетоэлектрика.

 

 

Точка B соответсткует насыщению – вседлины ориентированны по полю. Важным параметром сигнетоэлектрика является точка Кюри T_k  - температура, при которой диэлектрическая проницаемость E мксимальна.

4. Электреты – электрические аналоги постоянных магнитов – десятки лет сохраняют постоянный заряд, создающий в окружающем пространстве электричесое поле. Один из способов их получения – “бомбардировка” заряженными частицами поверхности диэлектрика.

5. Жидкие кристаллы – органические жидкости с сильно вытянутыми нитевидными молекулами, одинаково ориентированными. Внешнее электричекое поле меняет направление их ориентации и тем самым прохрачность жидкого кристалла, часто используют в индикаторах.

6. Лазерные диэлектрики с резонаторми генерируют когерентное излучение, при этом возбужденные атомы теряют энергию те электроны переходят с верхнего энергетического уровня на нижний. Например твердый диэлектрик лазера (ZnO,Al₂O₃, SiO₂ и др)должен быть прозрачным на частоте возбуждения генерации, оптически однородным, твердым для тщательной полировки и обладать высокой проводимостью.

 

 

4.1 Виды поляризации.

Существуют 4 основных вида поляризации:

Электронная поляризация, ионная, дипольная, спантанная.

1. Электронная – упругое смещение электронов в атомах и ионах(см рис)

Орбиты электрона в атоме водорода: 1 - в электронном поле, 2 – при отсутствии внешнего поля ъ

 

Такая поляризация есть во всех материалах, а поляризации других видов добавляются к электонной. Она происходит быстро (t=10^-14 – 10^-15) и поэтому не зависит от частоты изменения электрического поля до тех пор, пока время поляризации не соизмерима с периодом изменения электрического поля (f = 10^-14 – 10^-15Гц)

 

Зависимость диэлектрической проницаемости E от частоты электрического поля f

При нагревании плотность падает, уменьшается число атомов в единице объема в следствии чего поляризация ослабевает.

Зависимость E(T) для вещества сэлектронной (а) и ионной(б) поляризацией

1 – вещество в твердом состоянии

2 – вжидком

3 – в газообразном

Значение E веществ, имеющих электронную поляризацию (неполярные диэлектрики, например - полистирол), численно равно квадрату показателя преломления света

Согласно теории Максвелла скорость света (электромагнитной волны) в пустоте  

Где E₀ и m₀ – электрическая и магнитная постоянные.

Скорость электромагнитной волны в веществе V= . Отношение  - показатель преломления n, следовательно, n= . В связи с тем, что большинство диэлектриков материалы немагнитные и для них m»1, то n²=E.

2. Ионная поляризация – смещение ионов в узлах кристаллической решетки электрическим полем за время t=10^-12 – 10^-13 (ионы тяжелее электронов). Она не зависит от частоты до f=10¹²-10¹³Гц.

С ростом температуры расстояние м/у ионами увеличивается из-за теплового расширения, хмимические связи ослабляются. Ионы легче смешиваются, поэтому поляризация ионных диэлектриков растет вместе с температурой.

К диэлектрикам с ионной поляризацией относят слюду.

Электронная и ионная поляризации – это быстрый сдвиг зарядов, независящий от частоты электрического поля до частоты f. Потери энергии при этом пренебрежимо малы.

3. Дипольная (ориентационная) поляризация – поворот диполей, находящихся в хаотическом тепловом движении электрическим полем за время 10^-6-10^-8 сек. Дипольную поляризацию, ноаборот, наблюдают в полярных диэлектриках (в воде, канифоле и др) Она сопровождается потерями энергии на преодоление трения при повороте диполей, что приводит к нагреву диэлектрика

При частоте10⁶-10⁸ Гц диполи не успевают ориентироваться по полю и остается только электронная поляризация. Зависимость дипольной поляризации от температуры см на рисунке.

 

При низких темпераурах вязкость вещества велика. Диполи неподвижны и электрическая прницаемость обусловлена электронной поляризацией. С увеличением температуры вязкости уменьшается, и диполи начинают поворачиваться, приводя к росту E. При темперауре выше температуры плавления тепловое движение мешает ориентации диполей и E снижается. Часто строят зависимость Е от дух факторов: частоты и температуры(рис 5б). После снятия электрического поля ориентация диполей ослабевает по экспоненте из-за теплового движения.

4. Спонтанную поляризацию  наблюдают в веществах, называемых сигнетоэлектриками(по названию сигнетовой соли, первого вещества, в котором была обнаружена эта поляризация), например в титанате бария и титанате стронция.Как правило, в кристаллах сигнетиков, как и в кристаллах магнетиков есть домены. В одном домене все диполи ориентированы одинаково и создают электр. момент домена. В силу этого электрические моменты различных доменов не совпадают по направлению. При воздействии внешнего электрического поля эл. Моменты доменов постепенно ориентруются в направлении поля, что создает поляризацию до 100тыс.

4.2 Электропроводность диэлектриков.

Электопроводность твердого диэлектрика обусловлена движением свободных электронов, а так же движением ионов из узлов решетки (собственная или высокотемпературная электроповодность) или ионов примесей в диэлектриках с ковалентной связью (примесная электропроводность).

В отличье от электронной ионная теплопроводность, например, в органческих полимерах сопровождается переносом вещества. В этом случае удельную проводимость находят по формуле

, где Ai и Bi – коэфициены для каждого типа ионов в донном диэлектрике.

По мере изменения температуры в этой формуле приволибуют отдельные слагаемые, позволяющие пренеюрегать остальными. Поэтому зависимость log  от 1/T можно минеаризировать, например, двумя прямыми.

 

Отрезок стева от (.) O справедлив для высокотемпературной или собственной проводимости; Отрезок справа от (.) O справедлив для низкотемпературной или примесной проводимости. Участок собственной проводимости воспроизводим для данногосоединения. Участок примесной проводимости зависит от концентрации примесей: чем больше концентрация, тем выше проводимость при тех же температурах.

После подачи на диэлектрик постоянного напряжения прибор фиксирует выпадающий ток, называемый током утечки.

 

Изменение тока утечки во времени после подачи посточнного напряжения на диэлектрики.

 

 

 

12	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: