Лабораторная работа № 3 Температурные и тепловые свойства материалов

СОДЕРЖАНИЕ

Вступление

Лабораторная работа № 1 Методы определения плотности веществ

Лабораторная работа № 2 Теплопроводность материалов

Лабораторная работа № 3 Температурные и тепловые свойства материалов

Лабораторная работа № 4 Термоэлектрические свойства материалов

Лабораторная работа № 5 Электрические свойства материалов

Лабораторная работа № 6,7 Магнитные свойства и параметры материалов

Лабораторная работа № 8 Методики определения физических свойств материалов и изделий

Лабораторная работа № 9 Методы контроля качества материалов и изделий

 

Список литературы

ВСТУПЛЕНИЕ

Дисциплина "Физические свойства и методы исследования материалов" базируется на изучении теоретических и практических основ физических свойств материалов и изделий с целью практического применения знаний в машиностроительной отрасли производства.

Вследствие несовершенства технологии изготовления материалов и изделий и их применения в различных отраслях производства вопросы изучения физических свойств материалов и изделий по применению в различных отраслях производства в настоящее время приобретают наибольшую актуальность.

 

ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Лабораторная работа № 1

Тема. Методы определения плотностивеществ

Цель работы: Изучить метод, аппаратуру и способы определения плотностиразличных материалов и изделий.

Оборудование: Весы, линейка, вольтметр, амперметр

 

Порядок выполнения работы

1. Изучить теоретические сведения.

2. Методы определения плотности.

3. Знать показания плотности основных металлов применяемых в машиностроении.

4. Определить величины удельной электропроводности твердых тел.

5. Описать методы измерения электрического сопротивления.

 

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1. Наименование работы, цели и методы дефектоскопии.

2. Основные положения теоретических сведений.

3. Метод измерения плотности и их принцип действия.

4. Вывод.

Контрольные вопросы

1. На какие виды подразделяются методы определения плотности?

2. Знать показания плотности основных металлов применяемых в машиностроении.

3. При каких условиях применяют методы определения плотности?

4. Недостатки методов измерения электрического сопротивления.

5. С какой целью используют методы измерения электрического сопротивления?

Литература: [1-6].

 

Лабораторная работа № 2

Тема. Теплопроводность материалов

Цель работы: Изучить теплопроводность металлов и сплавом

Оборудование:

Порядок выполнения работы

1. Изучить теоретические сведения.

2. Знать формулу теплопроводности.

3. Описать теплопроводность легированных сталей.

 

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1. Наименование работы, цели и теплопроводности чугунов.

2. Основные положения теоретических сведений.

3. Процесс анализа теплопроводности легированных чугунов.

4. Вывод.

 

Контрольные вопросы

1. Что такое коэффициент температуропроводности?

2. Зависимость теплопроводность меди от температуры?

3. Перечислить теплопроводность обыкновенного чугуна?

4. Перечислить теплопроводность легированных сталей?

 

Лабораторная работа № 3

Тема. Температурные и тепловые свойства материалов.

Цель работы: Изучить особенности температурных и тепловых свойства материалов.

Оборудование:

 

Теплопередача

Существуют два фундаментальных свойства теплоты, которые необходимо знать:

1) У тепла нет никаких специфических характеристик; это означает, что оно может иметь разную физическую природу, его можно измерить, но при этом его невозможно различить

2) Тепло невозможно ограничить, это означает, что оно свободно передается от теплых частей системы к холодным.

Тепловая энергия может быть передана от объекта к объекту тремя способами, теплопроводностью, конвекцией и излучением. Один из объектов, получающий или отдающий тепло, может быть детектором тепла. Его функция заключается в измерении количества тепла, поглощаемого или выделяемого объектом, для получения определенной информации об этом объекте Такой информацией может быть температура объекта, теплота химических реакций, расположение или перемещение объектов и т.д.

Рассмотрим многослойную структуру в виде сэндвича, где каждый слой выполнен из разного материала. При прохождении тепла через слои температурный профиль структуры будет определяться толщиной каждого слоя и его теплопроводностью На рис. 2 отображена трехслойная

Рис. 3-2. Температурный профиль многослойной структуры

 

Структура, в той первый слой контактирует с источником тепла (устройством, обладающим бесконечной теплоемкостью и высокой теплопроводностью). Одним из самых подходящих твердых объектов, который ведет себя как «бесконечный» источник тепла, считается медное тело большого объема с контролируемой температурой. Температура внутри источника тепла постоянная и высокая, за исключением очень узкой зоны, расположенной рядом со слоевой структурой. Тепло передается от материала к материалу через механизм теплопроводности. Скорость падения температуры внутри каждого слоя определяется тепловыми свойствами материала. Последний слой отдает тепло в воздух через механизм конвекции и окружающим объектам при помощи ИК излучения. Таким образом, рис. 3-2 иллюстрирует все три возможных способа передачи тепла от одного объекта к другому.

Теплопроводность

Для передачи тепла через механизм теплопроводности необходимо обеспечить контакт между двумя объектами. Термически возбужденные частицы теплого тела совершают энергичные колебательные движения и передают кинетическую энергию частицам более холодного тела, которые при этом переходят в возбужденное состояние. В результате теплый объект теряет тепло, а холодный -поглощает его. Передача тепла по механизму теплопроводности аналогична потоку воды или электрическому току к примеру, прохождение тепла через стержень описывается выражением, похожим на закон Ома. Скорость теплового потока через поперечное сечение площадью А (тепловой «ток») пропорциональна градиенту температуры (тепловому «напряжению») по длине стержня (dT/dx).

На практике часто вместо коэффициента теплопроводности используется тепловое сопротивление, определяемое как:

 

(3-4)

На рис. 3-2 отображен идеальный температурный профиль внутри многослойной структуры, состоящей из материалов с разной теплопроводностью.

 

Но в реальной жизни теплопередача через соединение двух материалов может происходить совсем по-другому. Если соединить вместе два материала и понаблюдать за распространением тепла в такой конструкции, полученный температурный профиль может выглядеть, как отображено на рис. 3-3А. Если боковые поверхности соединяемых объектов имеют хорошую изоляцию, в стационарных условиях тепловые потоки в обоих материалах должны быть равны. Резкое падение температуры в зоне контакта, площадь того равна а, объясняется наличием теплового переходного сопротивления. Передачу тепла через двухслойную структуру можно описать следующим выражением:

 

(3-5)

где R_AR_B -тепловые сопротивления двух материалов, a R_c -переходное сопротивление:

(3-6)

 

Величина h_c называется переходным коэффициентом. Для некоторых типов сенсоров, в которых есть механические соединения элементов из двух разных материалов, этот коэффициент играет большое значение. Под микроскопом зона соединения может выглядеть, как отображено на рис. 3-3 Б. Для этой цели часто применяется силиконовая смазка.

Тепловая конвекция

Другим способом передачи тепла является конвекция. Для нее требуется промежуточный агент (жидкость или газ), который забирает тепло у теплого объекта, переносит его до холодного объекта, отдает тепловую энергию и после этого возвращается (а может и нет) к теплому объекту за новой порцией тепла. Передача тепла от твердого тела подвижному агенту или внутри подвижного агента также называется конвекцией. Конвекция может быть естественной (под действием сил тяжести) или искусственной (выполняемой механическим путем). При естественной конвекции воздуха на его молекулы действуют две силы, сила тяжесш и выталкивающая сила. Теплый воздух поднимается вверх, унося с собой тепло от горячих поверхностей. Более холодный воздух опускается вниз к теплым объектам. Поскольку реальные поверхности никогда не бывают идеально гладкими, все неровности на них влияют на величину переходного сопротивления.

Рис. 3-3. А -температурный профиль в зоне контакта двух объектов, Б -вид поверхности контакта под микроскопом.

 

Передача тепла в зоне контакта определяется следующими факторами:

1. Теплопроводностью реального физического соединения двух материалов

2. Теплопроводностью газов (воздуха) в порах, созданных неровностями поверхностей

Поскольку теплопроводность газов, как правило, гораздо меньше теплопроводности твердых материалов, газ в порах и создает наибольшее сопротивление при передаче тепла. Поэтому выражение для переходного коэффициента можно записать в виде:

 

(3-7)

где L -толщина пористой зоны, к -коэффициент теплопроводности газов, заполняющих поры, а _с и a _v -площади зон контактов и пор, а к_А и к_в -коэффициент теплопроводности соответствующих материалов.

Эту формулу довольно сложно применять на практике из-за трудности экспериментального определения площадей и расстояния L. Однако, анализируя формулу (3-7), можно сделать следующий вывод: переходное сопротивление увеличивается при уменьшении давления окружающих газов. С другой стороны, переходное сопротивление уменьшается с ростом давления в зоне соединения, что связано с деформацией высоких выступов на контактных поверхностях, из-за чего происходит увеличение а, значит, и создание большей площади контакта между материалами. Для уменьшения теплового сопротивления рекомендуется избегать сухого контакта между элементами системы, поэтому перед соединением двух поверхностей их рекомендуется покрывать жидкостью, имеющей низкое тепловое сопротивление. Искусственная конвекция воздуха осуществляется при помощи фена или вентилятора. Она также организуется в жидкостных термостатах для поддержания требуемого уровня температуры внутри устройства. Эффективность передачи тепла конвективным способом определяется скоростью движения промежуточного агента, градиентом температуры, площадью поверхности объекта и тепловыми свойствами окружающей среды. Объект, температура того отличается от внешней температуры, будет получать или отдавать тепло, что можно описать при помощи уравнения, похожего на выражение передачи тепла по механизму теплопроводности:

 

H=a_A(T_l-T₂), (3-8)

где a _A -коэффициент конвекции, определяемый удельной теплоемкостью текучей среды (жидкости или газа), ее вязкостью и скоростью движения.

Этот коэффициент зависит не только от силы тяжести, но и от градиента температур. Рекомендуется отметить, что эти выражения годятся только для одной стороны пластины, здесь предполагается, что пластина представляет собой поверхность бесконечного источника тепла (т.е. ее температура не зависит от потерь тепла), а окружающая среда имеет постоянную температуру. Если объем воздуха мал, к примеру, воздушный зазор между двумя поверхностями разной температуры, движение молекул газа становится очень ограниченным, тогда конвективной передачей тепла можно пренебречь. В этом случае передача тепла осуществляется через теплопроводность воздуха и излучение.

Порядок выполнения работы

1. Изучить теоретические сведения.

2. Описать процесс теплового расширения материалов.

3. Описать процесс тепловой конвекции.

4. Определить температурный профиль многослойной структуры.

 

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1. Наименование работы, цели и оборудования.

2. Основные положения теоретических сведений.

3. Процесс теплового расширения материалов.

4. Определить температурный профиль в зоне контакта двух объектов.

5. Вывод.

 

Контрольные вопросы

1. С какой целью изучают явление теплопроводности?

2. Какие процессы протекают при тепловой конвекции?

3. С какой целью изучают теплоемкость материалов и изделий?

4. Как влияет тепловое расширение материала на работоспособность изделия?

Литература: [3-10].

Лабораторная работа № 4

Тема. Термоэлектрические свойства материалов

Цель работы: изучить основы термоэлектрических свойств материалов.

Оборудование:

Порядок выполнения работы

1. Изучить теоретические сведения.

2. Описать процесс возникновения термоэлектродвищущей силы.

3. Привести схему возникновение т.э.д.с.

4. Указать основные металлы, используемые для термопар.

 

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

Наименование работы, цели и оборудования.

Основные положения теоретических сведений.

Процесс возникновения термоэлектродвищущей силы.

Применения метода Т.Э.Д.С в металловедении.

Вывод.

 

Контрольные вопросы

1. Описать эффект Зеебека?

2. Какие металлы используются для изготовления термопар?

3. Описать тепловой эффект Пельтье?

4. Почему для высоких температур применяется вольфрам - гра­фитовая термопара?

Литература: [5-10].

Лабораторная работа № 5

Тема. Электрические свойства металлов и их сплавов.

Цель работы: Изучения электрических свойства металлов и их сплавов.

Оборудование:.

 

Порядок выполнения работы

1. Изучить теоретические сведения.

2. Описать процесс измерения электрического сопротивления.

3. Описать особенности электрического сопротивления материалов.

 

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1. Наименование работы, цели и оборудования.

2. Основные положения теоретических сведений.

3. Суть измерения электрического сопротивления материалов.

4. Схему измерения электрического сопротивления материалов.

5. Вывод.

Контрольные вопросы

1. Роль электрического сопротивления материалов при изготовлении изделий?

2. Схема ампер-метр-вольтметровой установки?

3. Схема двойного моста?

4. Методы измерения электрического сопротивления?

Лабораторная работа № 6,7

Тема. Магнитные свойства и параметры материалов

Цель работы: Изучить основные магнитные свойства материалов.

Оборудование:

Краткие теоретические сведения

Простейшие проявления магнетизма известны очень давно и знакомы большинству из нас. Однако объяснить эти, казалось бы, простые явления на основе фундаментальных принципов физики удалось лишь сравнительно недавно.

Существуют магниты двух разных видов. Одни - так называемые постоянные магниты, изготовляемые из «магнитно-твердых» материалов. Их магнитные свойства не связаны с использованием внешних источников или токов. К другому виду относятся так называемые электромагниты с сердечником из «магнитно-мягкого» железа. Создаваемые ими магнитные поля обусловлены в основном тем, что по проводу обмотки, охватывающей сердечник, проходит электрический ток.

Магнитные полюса и магнитное поле. Магнитные свойства стержневого магнита наиболее заметны вблизи его концов. Если такой магнит подвесить за среднюю часть так, чтобы он мог свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости, то он займет положение, примерно соответствующее направлению с севера на юг. Конец стержня, указывающий на север, называют северным полюсом, а противоположный конец - южным полюсом. Разноименные полюса двух магнитов притягиваются друг к другу, а одноименные взаимно отталкиваются.

Если к одному из полюсов магнита приблизить брусок ненамагниченного железа, то последний временно намагнитится. При этом ближний к полюсу магнита полюс намагниченного бруска будет противоположным по наименованию, а дальний - одноименным. Притяжением между полюсом магнита и индуцированным им в бруске противоположным полюсом и объясняется действие магнита. Некоторые материалы (например, сталь) сами становятся слабыми постоянными магнитами после того, как побывают около постоянного магнита или электромагнита. Стальной стержень можно намагнитить, просто проведя по его торцу концом стержневого постоянного магнита.

Итак, магнит притягивает другие магниты и предметы из магнитных материалов, не находясь в соприкосновении с ними. Такое действие на расстоянии объясняется существованием в пространстве вокруг магнита магнитного поля. Некоторое представление об интенсивности и направлении этого магнитного поля можно получить, насыпав на лист картона или стекла, положенный на магнит, железные опилки. Опилки выстроятся цепочками в направлении поля, а густота линий из опилок будет соответствовать интенсивности этого поля. (Гуще всего они у концов магнита, где интенсивность магнитного поля наибольшая.)

М.Фарадей (1791–1867) ввел для магнитов понятие замкнутых линий индукции. Линии индукции выходят в окружающее пространство из магнита у его северного полюса, входят в магнит у южного полюса и проходят внутри материала магнита от южного полюса обратно к северному, образуя замкнутую петлю. Полное число линий индукции, выходящих из магнита, называется магнитным потоком. Плотность магнитного потока, или магнитная индукция (В), равна числу линий индукции, проходящих по нормали через элементарную площадку единичной величины.

Магнитной индукцией определяется сила, с которой магнитное поле действует на находящийся в нем проводник с током. Если проводник, по которому проходит ток I, расположен перпендикулярно линиям индукции, то по закону Ампера сила F, действующая на проводник, перпендикулярна и полю, и проводнику и пропорциональна магнитной индукции, силе тока и длине проводника. Таким образом, для магнитной индукции B можно написать выражение

По Я.И. Френкелю магнитные явления в веществах делят на две группы.

Слабомагнитные явления - диамагнетизм и парамагнетизм - развиваются только во внешнем магнитном поле (магнитно-неупорядоченные вещества).

Сильномагнитные явления, или кооперативный магнетизм - ферро­магнетизм, антиферромагнетизм, ферримагнетизм - обусловлены, главным образом, внутренним взаимодействием электронов в веществе (магнитно-упорядоченные вещества).

Напряженность магнитного поля не является магнитным параметром вещества, но играет важную роль в магнитных явлениях. Ток I, протекающий по кольцу радиусом г, создает в центре его магнитное поле напряженностью

(6.1)

При I= 1 А, 2r= 1 м, Н= 1 А/м. Такое кольцо с током обладает магнитным моментом

Р=μ_оIS (6.2)

где μ₀ - магнитная постоянная, равная 4 π 10^-7 Н/А, или Гн/м; S -площадь кольца; [μ₀] = LMТ^-2I^-2; [Р] = IL². Единица измерения магнитного момента А^.м² - момент плоского контура площадью 1 м², обтекаемого током 1 А, или момент контура, испытывающего в магнитном поле с индукцией 1 Тл максимальный вращающий момент 1 Н-м.

Намагниченность М характеризует магнитное состояние вещества, находящегося в магнитном поле, и представляет собой вектор магнитного момента единицы объема

(6-3)

Здесь V - объем; Р_а - атомный магнитный момент. Если V= 1 м³,
Р = 1 А^.м², то М= 1 А/м. Название единицы намагниченности совпадает с наименова­нием единицы напряженности магнитного поля. Размерность намагничен­ности совпадает с размерностью напряженности магнитного поля.

Намагниченность вещества пропорциональна напряженности магнит­ного поля.

М = χН. (6.4)

Здесь χ ~ магнитная восприимчивость вещества. В системе СИ χ -

безразмерная величина. Классификация веществ по магнитным свойствам

основывается на знаке, величине χ± и ее зависимости от напряженности

магнитного поля и температуры.

Диамагнетики

Диамагнетиками называют вещества, слабо намагничивающиеся в магнитном поле. Для них χ < 0 и мала по абсолютной величине (10^-6... 10^-4).

Вектор намагниченности диамагнетика всегда противоположен вектору Н, поэтому диамагнетики выталкиваются из неоднородного магнитного поля.

Диамагнетизмом обладают все вещества, не имеющие собственных (в отсутствии поля) атомных магнитных моментов. В магнитном поле происходит прецессия электронных орбит, обуславливающая появление до­полнительного орбитального магнитного момента, ориентированного против вектора поля, что и вызывает появление диамагнитной восприимчивости. Из этого следует, что диамагнетизм присущ абсолютно всем веществам. Если тело не является диамагнетиком, то это означает, что его диамагнетизм маскируется более сильным магнитным явлением.

Всю совокупность диамагнетиков делят на три группы.

Классические диамагнетики - благородные газы, некоторые металлы (Си, Zn, Аg, Аи, Нg и другие), многие органические соединения. Магнит­ная восприимчивость их имеет нормальное малое абсолютное значение (10^-5... 10^-6) и практически не зависит от температуры.

Аномальные диамагнетики - Вi, Sb, графит, γ-фазы систем Си- Zn и

другие. Атомная магнитная восприимчивость их в 10... 100 раз больше, чем у классических диамагнетиков. Восприимчивость некоторых веществ - пе­риодическая функция напряженности поля. Для всех аномальных диамагнетиков характерна сильная зависимость от температуры.

Сверхпроводники. Многие чистые металлы при температурах 10... 1 К переходят в сверхпроводящее состояние, то есть полностью утрачивают электрическое сопротивление. Ток, протекающий по поверхности сверхпроводника, экранирует его внутренние объемы от влияния внешнего магнитного поля. В таком состоянии внутри сверхпроводника В = Н= 0 и никакой диамагнитной восприимчивости не существует. Но с внешней точки зрения сверхпроводники обладают диамагнетизмом, обусловленным макроскопическими поверхностными токами. Соответствующая этому диамагнитная восприимчивость имеет максимальное по абсолютной величине значение χ = -1/4 π.

Парамагнетики

Тело парамагнитно, если его атомы (ионы) имеют собственные магнитные моменты. В отсутствие поля тепловое движение приводит к хаотической ориентации элементарных магнитных моментов, вследствие чего тело немагнитно. Внешнее магнитное поле преодолевает влияние теплового движения, и атомные магнитные моменты ориентируются в одном на­правлении. Из сказанного, очевидно, что восприимчивость парамагнетиков зависит от температуры (парамагнетизм решетки). Парамагнетики имеют малую положительную восприимчивость, слабо намагничиваются, втягиваются в неоднородное магнитное поле.

Нормальные парамагнетики - это вещества, парамагнетизм которых обусловлен результирующими магнитными моментами атомов. Это газы (0₂, N0), соли железа, кобальта, никеля, металлические Fе, Со, Ni при температурах выше точек Кюри. Магнитная восприимчивость газов и некоторых соединений подчиняется закону Кюри:

χ=C/T (6-5)

где С - постоянная Кюри, Т - абсолютная температура. Большая часть нормальных парамагнетиков подчиняется закону Кюри-Вейса:

χ= C/T-Δ (6-6)

Здесь Δ - постоянная Вейса. Для парамагнетиков, становящихся при понижении температуры ферромагнетиками, А положительна. Если вещество при низких температурах переходит в антиферромагнитное состояние (см. ниже), Δ, как правило, отрицательна. Для никеля в парамагнитном со­стоянии и ряда сплавов магнитная восприимчивость определяется соотношением

χ= χ_k+C/T-Δ (6-7)

где χ_к - часть восприимчивости, не зависящая от температуры.

В сильных полях и при низких температурах намагниченность нормальных парамагнетиков приближается к насыщению, и наблюдаются криомагнитные аномалии.

Вещества, парамагнетизм которых обусловлен свободными электронами, характеризуются магнитной восприимчивостью, практически не зависящей от температуры. В эту группу веществ входят литий, натрий, калий, рубидий и цезий.

Метамагнетики - это вещества, магнитная восприимчивость которых существенно зависит от напряженности магнитного поля и аномально изменяется с температурой. Метамагнетиками являются хлориды некоторых металлов (FеСl₂, СоСl₂) другие. При циклическом изменении величины и направления магнитного поля наблюдается явление гистерезиса, типичное для ферромагнетиков.

Суперпарамагнетики - это сплавы, состоящие из немагнитной парамагнитной или диамагнитной матрицы, в которой распределены мельчайшие - менее 10 нм - частицы или кластеры, обладающие ферромагнитными или ферримагнитными (см. ниже) свойствами, слабо взаимодействую­щие между собой. Суперпарамагнетики качественно сходны с нормальны­ми парамагнетиками, подчиняются закону Кюри, но их восприимчивость и намагниченность могут быть во много раз больше.

Суперпарамагнитное состояние возникает, в частности, при распаде некоторых пересыщенных твердых растворов, протекающем с выделением частиц ферромагнитных металлов: кобальта в сплаве Сu+2 % Со, железа в (β -латуни, содержащей около 0,1 % Fе и в других сплавах. В аустенитных метастабильных сталях состояние суперпарамагнетизма может возникнуть при образовании небольшого количества высокодисперсного мартенсита деформации.

Ферромагнетики

Ферромагнетики отличаются большими положительными значениями магнитной восприимчивости (до 10), нелинейной и неоднозначной зависимостью восприимчивости и намагниченности от напряженности магнитного поля (явление магнитного гистерезиса). К ферромагнетикам относятся железо, кобальт, никель и гадолиний (последний ниже 18 °С), сплавы и соединения этих металлов, сплавы и соединения хрома и марганца с другими неферромагнитными элементами, а также некоторые редкоземельные металлы при температурах ниже 0 °С. Ферромагнетики очень существенно намагничиваются даже в слабых полях и сильно втягиваются в неоднородное магнитное поле. Магнитные свойства ферромагнетиков связаны с существованием доменной структуры. Ферромагнитные тела состоят из областей, самопроизвольно намагниченных до насыщения, называемых доменами. Векторы намагниченности доменов ориентированы так, что в окружающем пространстве их намагниченность не обнаружива­ется в отсутствие внешнего магнитного поля.

Ферромагнетизм возникает в металлах с недостроенной внутренней d или/электронной оболочкой, радиус которой должен быть достаточно мал по сравнению с расстоянием между атомами кристаллической решетки. В таких металлах спиновые магнитные моменты электронов на недостро­енных оболочках вследствие квантовомеханического взаимодействия ус­танавливаются параллельно, что вызывает самопроизвольную намагни ченность. Следующая схема иллюстрирует ориентацию спиновых магнит­ных моментов на Ъй оболочке важнейших ферромагнетиков:

 

 

Двузначные числа перед символами элементов - их номера в периодической системе Д.И. Менделеева. В ряду железо-кобальт-никель уменьшается число нескомпенсированных параллельных спиновых магнитных моментов (четыре, три и два на каждый атом соответственно) и ослабевает ферромагнетизм. Результирующие атомные магнитные моменты самопроизвольно устанавливаются параллельно в пределах каждого домена. При нагревании ферромагнетика тепловое движение разрушает самопроизвольную параллельную ориентацию атомных магнитных моментов и выше некоторой температуры, называемой температурой, или точкой Кюри (в), тело утрачивает ферромагнитные свойства и становится парамагнетиком.

Антиферромагнетики

В некоторых веществах взаимодействие соседних атомов приводит кантипараллельной ориентации их магнитных моментов. Такие вещества

называются антиферромагнетиками (Мn, Сг, МnО, FеО, α-Fе₂О₃, СгСl₂ и

другие). Строение антиферромагнетика можно представить как взаимное проникновение двух магнитных подрешеток с одинаковыми атомными магнитными моментами, ориентированными антипараллельно (рис. 6.1,а). Намагниченность этих подрешеток взаимно компенсируется и результирующий магнитный момент равен нулю.

 

Рис. 6.1. Схемы магнитного строения антиферромагнетика (а) и темперной зависимости его магнитной восприимчивости (б)

 

Антиферромагнетики обнаруживают лишь слабую намагниченность,зависящую от напряженности магнитобусловлено неполнотурной зависимости его магнитной той компенсации магнитных моментов подрешеток. Магнитная восприимчивость антиферромагнетиков возрастает с повышением температуры вследствие постепенного разрушения тепловым движением строгой попарно антипараллельной ориентации атомных магнитных моментов. При температуре Т_N, называемой точкой Нееля, происходит полное разрушение магнитных подрешеток, и тело превращается в парамагнетик, подчиняющийся закону Кюри - Вейса (рис. 6.1,6). Значение точки Нееля может быть суще­ственно различным, например Т_N хрома 420 К, а Т_N VСl₃ 30 К.

Ферримагнетики

Ферримагнетики, подобно антиферромагнетикам, имеют две взаимно проникающие магнитные подрешетки с антипараллельной ориентацией элементарных магнитных моментов различной величины (рис. 6.2).

Основные свойства ферримагнетиков аналогичны свойствам ферромагнетиков, но температурная зависимость намагниченности может быть существенно различной. Это определяется зависимостью от температуры намагниченностей подрешеток (рис.6.3).

Рис.6.2 Схема магнитного строения ферримагнетика

 

Т Т Т

а) б) в)

Рис.6.3. Некоторые варианты температурной зависимости самопроизвольной намагниченности ферримагнетиков:

· верхний ряд -намагниченности подрешеток,

· нижний ряд-суммарная намагниченность тела.

θ -точка Кюри, θ_К -температура компенсации

 

При равенстве точек Кюри подрешеток реализуются зависимости типа а и б (см. рис. 6.3). Если точки Кюри различны, то при некоторой температуре θ_к (точка компенсации) намагниченности решеток равны и суммарная намагниченность равна нулю, но магнитное упорядочение сохраняется (см. рис.6.3).

Действительная картина может быть гораздо сложнее: число магнитных подрешеток в некоторых случаях больше двух, их векторы намагниченности не антипараллельны, а ориентированы под различными углами.

Типичные ферримагнетики МО-Fе₂0₃, где М - двухвалентный металл (марганец, железо, кобальт, никель, медь и другие). Такие материалы называют ферритами и широко применяют в радиоэлектронике.

Ферриты и изделия, из них начиная с момента их изобретения, нашли наиболее широкое применение в радиоэлектронике и вычислительной технике среди других магнитомягких материалов. Кроме того, что ферритовые изделия в большинстве случаев могут эффективно заменить изделия из других материалов, они обладают рядом уникальных физико-химических, магнитных и электрических свойств, не присущих ни одному другому материалу.

Применение ферритовых изделий в вычислительной технике позволило значительно ускорить процесс вычислений благодаря возможности значительной миниатюризации запоминающих устройств и устройств переключения.

Несмотря на значительный прогресс в области производства интегральных схем высокой степени миниатюризации и связанное с этим некоторое падение интереса к ферритовым сердечникам как к устройствам памяти, изделия подобного рода все еще находят довольно широкое применение в устройствах управления различными процессами и контроля выпускаемых изделий в промышленности.

С другой стороны, прогресс в области производства интегральных схем и производство автоматов на их основе позволило значительно улучшить контроль качества при производстве ферритов, что в свою очередь позволило выпускать ферритовые изделия с более точными характеристиками.

Применение ферритовых сердечников в радиоэлектронной аппаратуре в качестве сердечников катушек и основ для магнитных головок воспроизводящей и записывающей аппаратуры на данный момент является наиболее обширным. По своим характеристикам ферритовые сердечники не имеют аналогов по соотношению цена/качество среди других материалов и применяются в очень широком диапазоне приборов: от любительской техники до высокоточных промышленных аппаратов.

Применения ферритов

Магнитомягкие ферриты с начальной магнитной проницаемостью 400 - 20000 в слабых полях во многих случаях эффективно заменяют листовые ферромагнитные материалы - пермаллой и электротехническую сталь. В средних и сильных магнитных полях замена листовых ферромагнетиков ферритами нецелесообразна, поскольку у ферритов меньше индукция насыщения.

Магнитомягкие ферриты широко применяются в качестве сердечников контурных катушек постоянной и переменной индуктивностей, фильтров в аппаратуре радио- и проводной связи, сердечников импульсных и широкополосных трансформаторов, трансформаторов развертки телевизоров, магнитных модуляторов и усилителей. Из них изготавливают также стержневые магнитные антенны, индуктивные линии задержки и другие детали и узлы электронной аппаратуры.

Наиболее часто применяют ферритовые сердечники с замкнутой магнитной цепью. Такие магнитопроводы бывают либо монолитными, в виде единого тела (например, кольцевой сердечник), либо составными - из двух хорошо пришлифованных друг к другу частей, зазор между которыми по возможности мал. Составные магнитопроводы распространены шире монолитных, так как намотка проволоки на последние вызывает определенные трудности..