Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Схема измерительной установки (рис.3).

3. Заполненная таблица.

4. График концентрационной зависимости удельного электросопротивления _спл сплавов системы Bi - Cd.

5. Краткий анализ полученных результатов.

Контрольные вопросы

1. В каких пределах находится удельное электросопротивление _спл сплавов – механических смесей?

2. Что влияет на характер концентрационной зависимости величины_спл в механических смесях?

3. Целесообразно ли использовать сплавы – механические смеси в качестве материалов с повышенным удельным сопротивлением, например, для создания проволочных резисторов?

4. Целесообразно ли использовать сплавы – механические смеси в качестве материалов повышенной прочности с низким удельным сопротивлением, например, для создания прочных проводников?

Литература

1. Сидорин И.И. Основы материаловедения. - Л.: Машиностроение, 1975, гл. ХХV, § I

2. Лившиц Б.М., Крапошин B.X., Линецкий Я.С. Физические свойства металлов и сплавов. - М.: Металлургия, I980, гл.III, § 1, 3- 5, 8

3. Арзамасов Б.Н. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1986, гл. 17

Часть 3. Магнитные свойства ферромагнетиков в зависимости от состава

Цель работы: исследовать изменение магнитных свойств железа в зависимости от концентрации легирующих элементов.

Содержание работы

При разработке технических устройств большое внимание уделяется магнитным свойствам материалов, которые должны быть учтены или использованы. При этом находят применение материалы, как с высокой, так и с низкой магнитной восприимчивостью. Например, для изучения магнитного поля Земли требуются суда, корпуса которых не должны намагничиваться, для концентрации магнитного потока в трансформаторах применяют материалы, которые легко намагничиваются и размагничиваются, а для получения постоянных магнитов используют материалы, сохраняющие намагниченность после извлечения из намагничивающего поля. Уровень магнитных свойств ферромагнетиков во многом определяется примесями и структурными несовершенствами, всегда присутствующими в материале.

Как известно, вещество, помещенное в магнитное поле напряженностью Н (А/м), приобретает намагниченность

J = k_м·Н (А/м),

где k_м – безразмерный коэффициент магнитной восприимчивости. При этом в веществе будет присутствовать суммарное поле, магнитная индукция которого В (Тл) равна:

В = В₀ + В_вн = ₀·Н + ₀·J = ₀·Н + ₀· k_м·Н = ₀··Н

где ₀ = 4·10^-7 Гн/м, – магнитная постоянная,  = 1+ k_м – относительная магнитная проницаемость, безразмерная величина, показывающая, во сколько раз магнитная индукция В больше магнитной индукции в вакууме В₀.

Все вещества по магнитным свойствам разделены на следующие группы: диамагнетики (<1), парамагнетики (>1), ферромагнетики (>>I), антиферромагнетики (~I) и ферримагнетики (>>I).

Рассмотрим физические причины высокого значения  ферромагнетиков. Известно, что электроны обладают спином и представляют собой подобие элементарных магнитов, имеющих наименьший магнитный момент. Как известно, разрешенные энергетические состояния в атомах могут занимать не более двух электронов с противоположным направлением спиновых моментов. Результирующий магнитный момент такой пары равен нулю. Однако для некоторых химических элементов спины электронов на внешних орбиталях атомов оказываются неспаренными и вследствие этого не скомпенсированными. В связи с этим возникает результирующий магнитный момент, обеспечивающий парамагнитные и ферромагнитные свойства материалов.

Для реализации ферромагнитного состояния необходимо выполнение двух условий:

во-первых, электронные оболочки атомов должны быть не полностью заполнены, в результате чего в атомных остатках присутствуют неспаренные электроны,

во-вторых, необходимо выполнение оптимального отношения межатомного расстояния (a) к диаметру орбиталей (d), содержащих не спаренные электроны (1,5 < a/d < 3,5). При этом становится энергетически выгодна параллельность спинов неспаренных электронов атомных остатков, вследствие чего возникает самопроизвольное (спонтанное) намагничивание.

Указанным двум условиям удовлетворяют некоторые переходные металлы: низкотемпературная модификация железа ( Fe_), кобальт, никель и гадолиний. У этих ферромагнетиков точка Кюри положительна. При отрицательных температурах ферромагнитные свойства проявляются у ряда редкоземельных металлов.

Известно, что ферромагнитные материалы в магнитном отношении разбиты на домены – малые области (10^-1-100 мкм), спонтанно намагниченные до насыщения. Ориентация вектора намагниченности каждого домена совпадает с одним из немногих направлений в кристаллической решетке, называемых направлениями легкого намагничивания. Например, для ОЦК решетки Fe_ такие направления совпадают с ребрами куба ячейки ОЦК.

В процессе намагничивания (рис. 1) происходит преобразование доменной структуры ферромагнитного кристалла.

Рис. 1. Схема преобразования доменной структуры ферромагнетика

В отсутствии внешнего поля (рис. 1а) энергетически выгодна такая взаимная ориентация векторов намагниченности доменов, при которой магнитное поле замыкается внутри кристалла, а вне кристалла практически отсутствует. Стенки между доменами представляют собой тонкий (~10^–3 мкм) граничный слой, в пределах которого направления магнитных векторов атомов постепенно меняется (рис. 2).

Рис. 2. Поворот магнитных векторов отдельных атомов при переходе через границу домена

При помещении кристалла во внешнее магнитное поле, домены, векторы намагниченности которых составляют наименьший угол с направлением вектора напряженности внешнего поля (Н), увеличивают свои размеры за счет доменов, имеющих менее выгодную ориентацию вектора намагниченности (рис. 1б). Это сопровождается смещением междоменных стенок. В результате в кристалле формируется один домен с одним направлением суммарного вектора намагниченности и, как следствие, происходит рост индукции B магнитного поля вне кристалла (рис. 1в). По мере дальнейшего увеличения Н происходит поворот суммарного вектора намагниченности от направления легкого намагничивания до полного совпадения с направлением поля Н (рис. 1г).

Анализ кривой намагничивания в координатах В - Н (рис. 3) показывает, что на начальном участке (о-a), пока величина Н мала, движение стенок носит обратимый характер. При возрастании H наблюдается быстрый рост В (участок а-b), поскольку все большее число доменных стенок вовлекается в движение. Происходящий при этом рост благоприятно расположенных доменов обеспечивает основной вклад в результирующий вектор намагниченности ферромагнетика в направлении поля H, а значит и в величину магнитной индукции В. На участке а-b намагничивание для реальных ферромагнетиков приобретает необратимый характер, то есть после выключения внешнего поля доменные стенки уже не возвращаются в исходное (рис. 1а) положение.

Дальнейший процесс намагничивания (рис. 3, участок b-c), соответствующий повороту векторов намагниченности доменов до совпадения с направлением поля Н носит обратимый характер и обеспечивает приближение индукции к техническому насыщению В_S..

При температуре выше абсолютного нуля из-за дезориентирующего теплового движения всегда существуют спиновые моменты с неблагоприятной ориентацией. Их полная ориентация по направлению внешнего поля происходит только вблизи абсолютного нуля, а также при высоких значениях Н (процесс истинного намагничивания – парапроцесс), но вклад этого эффекта в общую намагниченность ферромагнетика незначителен (рис. 3, участок c-d). На этом участке процесс намагничивания носит обратимый характер. При снятии внешнего магнитного поля H из-за необратимости намагничивания на участке (a-b) не происходит восстановления первоначальной доменной структуры, следовательно, у ферромагнетика сохраняется остаточная индукция В_r. Для уменьшения величины индукции до нуля необходимо включить внешнее поле Н в противоположном направлении и довести его до величины Н_с, называемой коэрцитивной силой.

Рис. 3. Кривая намагничивания и размагничивания

Процесс намагничивания может быть полностью обратимым только в случае идеального строения кристаллической решетки ферромагнетика. Наличие в реальной кристаллической решетке дефектов таких, как точечные, дислокации, границы зерен и субзерен, двойники, дефекты упаковки, частицы химических соединений и других, затрудняет перемещение междоменных стенок, что требует дополнительной затраты энергии намагничивающего поля. Поэтому на процесс намагничивания и размагничивания влияют такие факторы, как величина зерна и его ориентировка в ферромагнетике, условия термической и других видов обработок, степень упорядочения твердых растворов, температура.

В данной работе изменение магнитных свойств железа в зависимости от концентрации легирующих элементов исследуется с помощью кривых намагничивания, построенных для следующих материалов:

- особо чистое железо (около 0,006% С) - образец № 5;

- технически чистое железо (около 0,02% С) - образец № 2;

- сталь марки 35 (около 0,35% С) - образец № 1;

- сталь У10 (около 1% С) - образец № 4.

Все материалы находятся в отожженном состоянии. Испытания заключаются в намагничивании образцов и измерении их магнитной индукции при увеличении напряженности магнитного поля.

Установка (рис. 4) состоит из электромагнита, в обмотку которого подается постоянный ток. Между полюсами электромагнита помещается исследуемый образец 2, предварительно вставленный в измерительную катушку 3. Намагничивающий ток требуемой величины устанавливается с помощью источника тока по амперметру 4. В установку встроена камера размагничивания (на схеме не указана).

Трехполюсный переключатель 1 служит для изменения направления тока в обмотке электромагнита. В момент изменения направления тока намагничивающее поле меняет направление на противоположное, магнитный поток образца пересекает витки измерительной катушки и индуцирует в ней э.д.с. электромагнитной индукции, величина которой пропорциональна магнитной индукции В исследуемого образца. Это вызывает отклонение стрелки милливеберметра. Индукция В рассчитывается по формуле:

В = /(2W·S)

где W – число витков измерительной катушки, S – площадь поперечного сечения образца,  - отклонение стрелки милливеберметра от исходного положения при изменении направления тока.

Для каждого образца необходимо вычислить величины В, полученные в процессе намагничивания.

Экспериментальные результаты должны быть проанализированы на основе физических представлений о влиянии состава ферромагнетиков на их свойства.