Возможности дифракционных методов.

Когда образец состоит не из одного вещества, а из двух или более (их называют фазами), на дифракционной картине присутствуют одновременно линии всех фаз. При этом высота пиков пропорциональна количеству фазы в образце. Находя из эксперимента межплоскостные расстояния и выделяя ряды d, соответствующие каждому веществу, можно определить какие именно фазы содержатся в образце. А по интенсивности (высоте) пиков данной фазы рассчитывают количество ее в смеси.

Вид дифракционной картины может меняться при изменении состояния материала. Так, если линейный размер отдельных зерен меньше 0,1 мкм или в материале присутствует большое количество дефектов, микродеформации, линии на дифрактограмме становятся широкими и размытыми. Измеряя ширину рентгеновских линий можно рассчитать размер зерна и определить плотность дефектов и величину микродеформаций, даже не проводя микроскопических исследований материала.

После различных обработок, таких как ковка, сварка, штамповка, в материале могут присутствовать остаточные напряжения. Они упруго деформируют решетку и в неблагоприятных обстоятельствах (например, при нагружении) приводят к поломке изделия. Рентгеновским методом можно выявить остаточные напряжения. Действительно, деформация решетки приводит к изменениям межплоскостных расстояний. Согласно уравнению дифракции, при этом меняются углы θ. И хотя изменения межплоскостных расстояний составляют лишь 0.01-0.001%, соответствующие смещения дифракционных пиков вполне можно измерить и рассчитать по ним величину и знак напряжений.

Мы перечислили лишь малую часть задач, которые возникают при исследовании структуры рентгеновским методом. Использование других излучений позволяет значительно расширить возможности изучения структуры.

Например, дифракция нейтронов позволяет изучать магнитную структуру образца, так как нейтроны имеют собственный магнитный момент и рассеиваются на магнитных объектах. Так, при помощи дифракции нейтронов было доказано существование особого класса магнитных веществ – антиферромагнетиков. Если магнитные моменты отдельных атомов в материале ориентированы произвольным образом, суммарный магнитный момент равен нулю, а дифракция нейтронов не выявляет никаких особенностей структуры по сравнению с другими методами. Но в антиферромагнетиках магнитные моменты отдельных атомов расположены упорядоченно: у соседних атомов они ориентированы в противоположные стороны. Такие атомы уже нельзя считать одинаковыми. И хотя суммарный магнитный момент при этом также равен нулю, «магнитная решетка» в этом случае не совпадает с химической, а на нейтронограмме появляются дополнительные линии по сравнению, например, с рентгенограммой.

Рисунок 6 – Изображение стыка зерен в фольге стали с малым содержанием углерода (08Ю). Увеличение 50 000.

Использование дифракции электронов позволяет, помимо решения обычных дифракционных задач (определения структуры и установления фазового состава для многофазных поликристаллических образцов, определения ориентировки для монокристаллов и т.д.) получить изображение объекта. Электроны имеют заряд и воздействуя на них полем электромагнитных линз можно менять направление их движения, подобно тому, как оптическая линза меняет направление распространения светового луча. В просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) под действием электромагнитной линзы электроны разных дифрагированных пучков, вышедшие из одной точки объекта в разных направлениях, могут опять сойтись в одну точку, где и сформируют изображение. Это изображение можно многократно увеличить действием нескольких линз. Пример подобного изображения приведен на рисунке 6, а на рисунках 7 и 8 –схема работы ПЭМ и общий вид прибора.

Рисунок 7- Схема работы ПЭМ в режиме получения микроскопического изображения.

Рисунок 8 - Общий вид просвечивающего электронного микроскопа JEM-1011

Увеличение в ПЭМ может достигать 200 000, что на несколько порядков превышает увеличение светового микроскопа, а разрешение – не хуже 10Å. Специальные электронные микроскопы высокого разрешения (ВРЭМ – высокоразрешающий электронный микроскоп, калька с англоязычного термина HREM – High resolution electron microscope) позволяют даже получить изображение атомных плоскостей в отдельных кристаллитах (рис.9).

Рисунок 9. Изображение наночастицы карбида титана, полученное методом прямого разрешения решетки. Видна система атомных плоскостей с расстоянием между ними около 2 Å.

В целом возможности дифракционных методов исследования структуры далеко не исчерпаны, а открытие новых материалов и возрастающие потребности науки и техники способствуют их дальнейшему развитию.

Возможные темы рефератов

1. Кристалл как дифракционная решетка: принципы получения дифракционной картины.

2. Рентгеновские лучи: свойства и взаимодействие с веществом.

3. Применение электронной дифракции для структурных исследований.

4. Нейтроны: получение и использование в структурном анализе.

Литература

1. : Интернет-рессурс: http://ru.wikipedia.org/wiki/

http://fcior.edu.ru/card/11718/ponyatie-o-kristallicheskih-i-amorfnyh-veshestvah.html

2. Д.Синдо, Т.Оикава Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия. М., Техносфера, 2006. – 256 с.

3. Д.Брандон, У. Каплан. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля. М., Техносфера, 2006. – 384 с.

Тема №3 Физические методы исследования

Введение

Современные физические методы исследования широко применяются в инженерной и научной практике не только для измерения конкретных эксплуатационных свойств различных материалов, но и для изучения превращений, протекающих в различных материалах при различных внешних воздействиях. Причем второе предназначение физических методов исследования является более распространенным и востребованным, чем первое, так как наряду с прямыми структурными методами дает четкое представление о формировании структурного состояния материала, которое, в свою очередь, определяет широкий спектр эксплуатационных характеристик.

Описание различных методов исследования включает в себя изложение физических принципов, положенных в основу того или иного метода, экспериментальные схемы и процедуры измерения конкретных физических свойств, основные характеристики метода (диапазон измерений, точность, чувствительность, локальность и производительность), способы интерпретации и обработки полученных экспериментальных результатов, информационные возможности, сравнение с другими методами изучения материалов и особенности применения.

Основным принципом использования физических методов исследования при изучении материалов является установление функциональной связи между изучаемыми физическими свойствами и различными параметрами, влияющими на структурное состояние исследуемого объекта, такими как, например, химический состав, температура измерений, внешнее давление, время, термическая обработка, излучение и т.п.

Огромное количество различных физических методов для их успешного изучения требует определенной классификации. Наиболее удобной является классификация по физическим свойствам, которые изучаются с помощью соответствующих методов:

• тепловые свойства (калориметрия, теплопроводность, термический анализ, плотность и термическое расширение и др.);

• электрические свойства (электрическое сопротивление и проводимость, термоэлектрические и гальваномагнитные свойства);

• акустические методы (ультразвуковые, акустическая эмиссия);

• магнитные методы (измерение магнитного потока, намагниченности, резонансные методы измерения в переменных магнитных полях).

Из-за ограниченности объема данной работы не представляется возможным рассмотреть все перечисленные методы. Здесь будут рассмотрены частично тепловые и магнитные методы исследования.

А. Тепловые методы исследования – Термический анализ

Термический анализ представляет собой способ изучения превращений в материалах по временны м зависимостям температуры образца в процессе непрерывного охлаждения или нагрева. Зависимости температуры образца от времени называют термограммами, а также кривыми нагрева или охлаждения.

Термограммы позволяют определить температуры начала и конца превращения. Кроме того, термический анализ дает возможность получить информацию о характере протекающего в материале превращения. В частности, можно установить, протекает ли превращение при постоянной температуре или в интервале температур, является ли превращение обратимым или необратимым, экзотермическим (превращение, протекающее с выделением энергии) или эндотермическим (превращение при котором энергия поглощается).

Под словом «превращение» подразумевается любое структурное изменение:

- изменение макроструктуры, наблюдаемой невооруженным взглядом или при увеличении до 25 раз;

- изменение микроструктуры, наблюдаемой при помощи светового микроскопа, то есть с максимальным увеличением до 1500 раз;

- изменение атомно-кристаллического строения, которое изучается с помощью сложных рентгеноструктурных, нейтронографических или других подобных структурных методов, которые позволяют «разглядеть» структуру только после сложных математических обработок данных;

- изменение электронной структуры, которое на сегодняшний момент исследуется, в основном методами компьютерного моделирования с использованием сложного математического аппарата, а достоверность расчетов определяется путем сравнения рассчитанных на основе моделирования макроскопических параметров (например, электросопротивления) с экспериментальными данными.

Далеко не во всех случаях можно исследовать структурные превращения разного уровня структуры с помощью прямых структурных методов, потому что не все можно «разглядеть». Довольно часто изменение структуры можно зафиксировать по изменению того или иного физического свойства. Больше того, если мы хотим изучить, как протекает то, или иное превращение, например, зафиксировать температуру и время превращения, то наблюдать за изменением теплопоглощения (теплоемкости) или температуры образца гораздо проще, чем непрерывное наблюдение за изменением его структуры.

На рис. А.1 приведены примеры термограмм для различных типов обратимых превращений. Рис. А.1, а отвечает случаю превращения, которое протекает при постоянной температуре (например, плавления и затвердевания чистого металла). Штриховой линией нанесена так называемая базовая линия. Она показывает, как изменялась бы температура образца при нагреве и охлаждении, если бы в нем отсутствовали какие-либо превращения. Поглощение тепла при нагреве (эндотермическая тепловая реакция) и его выделение при охлаждении (экзотермическая реакция) приводят к нарушению плавного хода термограмм. Температура начала превращения отвечает началу отклонения термограммы от базовой линии. Даже после начала превращения температура образца может продолжать увеличиваться при нагреве, так как скорость поглощения тепла вследствие протекания превращения в начале меньше, чем скорость подвода тепла к системе, осуществляемого, например, с помощью печи. С течением времени неравенство нарушается, и при равенстве скоростей подвода тепла и теплоотвода возникает горизонтальная (изотермическая) площадка на термограмме.

Рис. А.1, б относится к случаю, когда превращение протекает в интервале температур Т₁ – Т₂ (например, плавление и кристаллизация раствора). Появление перегибов на термограмме свидетельствует об изменении скорости нагрева или охлаждения образца с началом или завершением превращения, сопровождающегося тепловым эффектом. Температуры начала и конца превращения определяются с помощью построения касательных в месте отклонения кривых нагрева или охлаждения от первоначального закона изменения температуры и в месте начала возврата этих кривых к этому закону.

На рис. А.1, в показана термограмма, соответствующая превращению типа магнитного перехода из ферромагнитного состояния в парамагнитное и наоборот.

Рис. А.1. Термограммы при нагреве и охлаждении для разных типов превращений

Усовершенствованной разновидностью термического анализа, является так называемый дифференциальный термический анализ (ДТА). Этот метод основан на измерении в процессе нагрева или охлаждения зависимости от времени разности температур исследуемого образца и эталона.

Использование ДТА позволяет повысить точность измерений температур превращения. Метод ДТА применяют для исследования превращений, сопровождающихся выделением или поглощением небольшого количества тепла, что связано либо с малой величиной самого эффекта превращения (это характерно для превращений в твердом состоянии), либо с малым количеством исследуемого материала. Возможность регистрации таких малых количеств тепла объясняется использованием в ДТА высокочувствительной измерительной аппаратуры, что невозможно в случае простого термического анализа. Поэтому применение метода ДТА напоминает своеобразный микроскоп, позволяющий изучать малые изменения температуры в увеличенном масштабе.

Кроме того, особенностью ДТА является одновременный нагрев (или охлаждение) эталонного и испытуемого материалов. Это позволяет отделить случайные колебания скорости нагрева (охлаждения), одинаково сказывающиеся на температуре эталона и образца и поэтому не вызывающие появление разности температур между ними. Поэтому использование эталона при ДТА исключает необходимость обеспечения строго постоянной скорости нагрева (охлаждения), как при простом анализе.

Измерение температуры возможно с помощью различных устройств. Самым простым устройством является термометр. Однако это простое устройство сильно ограниченно по интервалу измеряемых температур. Принцип работы термометра основан на законе Гей-Люссака:

,

где V – объем газа или жидкости при абсолютной температуре Т, V₀ – объем газа при температуре 0 С, коэффициент , равный для газов 1/273 К^-1, называется температурным коэффициентом объемного расширения. Из этого уравнения следует, что объем жидкости или газа изменяется прямо пропорционально температуре. Зная коэффициент пропорциональности, можно провести градуировку термометра, наполненного той или иной жидкостью, отметив на градуснике температуру замерзания воды как 0 С, провести дальнейшую разметку. Термометры имеют один существенный недостаток – они весьма ограниченны по возможному интервалу измерения температур. Наиболее удобны жидкостные термометры, ограничение интервала измерений определяется точками замерзания жидкости (это нижняя граница измерения) и точкой закипания (это верхняя граница измерений). Кроме того, термометры являются довольно инертными системами и при быстром нагревании они не всегда «успевают» обновить свои показания в соответствии с реальностью.

Гораздо более удобной в практике измерения температур, с широким интервалом измерения, системой является так называемая термопара или термоэлемент. Если спаять две проволоки из различных металлов и нагреть место спая, то получим источник тока, называемый термоэлементом или термопарой. Первый термоэлектрический эффект, открытый Зеебеком, заключается в следующем. Если две проволоки А и В из различных металлов соединить концами и места контактов нагреть до различных температур Т₁ и Т₂, где Т₁>Т₂, то в контуре появится электродвижущая сила и пойдет термоэлектрический ток (рис. А.2).

Рис. А.2. Возникновение ЭДС в замкнутом контуре из двух проволок различных металлов А и В.

Чистые Ме можно расположить в ряд, в котором любой следующий Ме отрицателен относительно предыдущего: Fe, Mo, Cd, W, Au, Ag, Zn, Rh, Ir, Tl, Cs, Ta, Sn, Pb, Mg, Al, Hg, Pt, Na, Pd, R, Ni, Co, Bi. При соприкосновении железа с другими металлами из этого ряда термоток в горячем спае пойдет от другого металла к железу.

В металлических термоэлементах коэффициент полезного действия при превращении внутренней энергии в электрическую мал, он не превышает 0,5 %, поэтому металлические термопары как источник тока для питания каких-либо приемников тока не применяют. Однако было показано, что термоэлектродвижущая сила - ТЭДС (то есть напряжение между нагретым спаем и свободными концами проволоки) пропорциональна разности температур спая и концов проволоки, присоединенных к гальванометру (рис. А.3, а).

Рис. А.3 Пример реализации работы термопары в качестве инструмента для измерения температуры: а) Схема работы термопары; б) Фотография термоэлемента, использующегося для измерения температуры.

Закон зависимости, или так называемый градуировочный график, можно построить, измеряя температуры так называемых реперных точек с известной температурой. Например – температуру плавления воды (0 С), температуру кипения воды (100 С), температуру плавления свинца (327,4 °C) и т.д. Построив график, можно сравнивая величину получающейся ТЭДС с графиком, определить температуру объекта.

Для реализации метода ДТА используют дифференциальную термопару, которая позволяет измерять разность температур образца и эталона. Дифференциальная термопара состоит из двух горячих спаев, соединенных общих электродом (рис. А.4). Один горячий спай этой термопары располагают внутри образца, другой – внутри эталона. Вторая термопара (не дифференциальная) предназначена для измерения температуры образца. В ходе эксперимента регистрируют показания обоих гальванометров – подключенного к простой и дифференциальной термопаре. В результате получают две кривые: зависимость температуры образца от времени Т (t) и зависимость разности температур образца и эталона от времени Т (t) (рис. А.5).

Рис. А.4. Схема подключения дифференциальной и обычной термопар к образцу и эталону при использовании дифференциального термического анализа

Рис. А.5 Пример термограммы - Термограмма периклазового наполнителя: Т - температура нагрева образца; ДТА - дифференциально-термическая кривая (источник: www.ideasandmoney.ru)

Из рисунка А.5 видно, что в исследуемом периклазовом наполнителе при нагреве происходит несколько превращений, если бы их не было, то зависимость Т (t) была бы гладкой – без минимумов или максимумов, то есть шла бы вдоль красной штриховой линии. Наличие отклонений или, как их принято называть, особенностей на зависимости Т (t) говорит о наличии каких-то превращений. На этом же рисунке показано как можно определить температуру начала и окончания превращения по термограмме – одно из превращений начинается при 360 С, а заканчивается при 490 С (голубые стрелочки показывают как определялась температура).

В современном мире собственно метод ДТА используют в качестве одного из дополнительных методов анализа превращений в материалах. Сам по себе этот метод, без дополнительной информации о материале (эту информацию можно, например, получить от структурных методов исследования), малоинформативен. Важно не только знать при каких температурах начинается превращение и при каких заканчивается, но и иметь информацию о том, что это за превращение. Например, до какой температуры можно использовать материал в качестве ферромагнитного? Или при какой температуре происходит вязко-хрупкий переход и материал становится хрупким, то есть не годным для использования, и т.д.

Более точными тепловыми методами исследования являются калориметрические методы или дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК). Эти методы не только фиксируют температуры начала и окончания превращения, но и позволяют измерять объемы тепловыделения или теплопоглощения в процессе превращения.

В качестве примера реализации метода ДСК, можно привести пример "ледяного" калориметра Лавуазье–Лапласа (рис. А.6), который состоит из калориметрической системы (камера для помещения исследуемого образца, между двойными стенками которой находится лед) и оболочки, заполненной смесью воды со льдом. Оболочка изолирует калориметрическую систему от внешней среды, и в ней устанавливаются изотермические условия с температурой 0 ^оС. При помещении в калориметрическую систему нагретого образца теплота, выделяющаяся при его охлаждении, вызывает плавление льда, находящегося между двойными стенками калориметрической системы. Таким образом, тепло, внесенное образцом, компенсируется теплом перехода лед – вода. Количество выделенной образцом теплоты Q легко можно определить по массе превращенного калориметрического вещества (льда) m_л:

Q = q^.m_л,

где q – известная удельная теплота превращения на 1 грамм вещества.

Рис. А.6. Принципиальная схема "ледяного"калориметра Лавуазье – Лапласа

Методы ДТА и ДСК весьма широко применяются для исследования всех возможных материалов, в том числе они используются для исследований поликристаллических и материалов с размером кристаллов порядка 10  100 нм, или порошкообразных материалов с подобным размером порошинок. Исследование структуры этих материалов само по себе не так важно, как важно существенное изменение свойств этих материалов при уменьшении размеров кристалликов меньше некоторого критического размера. Величина критического размера кристалла определяется уникальным изменением конкретного физического свойства. Например, хороший проводник, в результате измельчения кристалликов в поликристаллической структуре, может превратиться в полупроводник или даже в изолятор. При нагреве такого нанокристаллического материала кристаллики могут увеличить свои размеры, что приведет к обратному превращению из изолятора в проводник. Определить начало структурных изменений при нагреве можно с помощью относительно простых и недорогих методов ДТА или ДСК. Определив начало обратного превращения можно, уже используя довольно сложные и дорогостоящие методы структурного анализа, выяснить критический размер кристалликов и другие важные структурные параметры.

К сожалению, объем данного пособия не дает возможности для описания всего многообразия всех тепловых методов исследования материалов, а те примеры, которые были приведены выше, описаны очень кратко, гораздо более подробную информацию об измерении тепловых свойств материалов можно получить из учебного пособия [1].

Б. Магнитные методы исследования

Магнитных методов исследования ничуть не меньше, чем тепловых, может быть даже больше. Многие магнитные методы исследования оказываются гораздо более чувствительны к превращениям в материалах, чем любые другие методы. Например, при превращении аморфной металлической ленточки в поликристаллическую процесс протекает довольно медленно. Сначала образуется несколько крошечных кристалликов, эти кристаллики начинают расти, чуть позже образуется еще несколько кристалликов и те также начинают расти, таким образом параллельно идет два процесса – зарождения и роста кристалликов (см. рис. А.7).

время=1	время=2
время=3	время=4
Рис. Б.1 Схема кристаллизации по И.Л. Миркину. Цифрами отмечены временя зарождения кристаллов

В результате процесса кристаллизации аморфной ленты получается поликристаллический материал с наноразмерными кристалликами. Структурными методами трудно засечь время и температуру появления первых кристалликов, а некоторые магнитные методы позволяют это сделать с высокой степенью достоверности. Дело в том, что такое магнитное свойство материала, как коэрцитивная сила Н_с, является сильно структурночувствительным свойством, это означает, что малейшее изменение в структуре приводит к существенному изменению коэрцитивной силы. Для аморфных сплавов это свойство при появлении первых кристалликов изменяется более, чем в 10 раз. Конечно, использование метода измерения коэрцитивной силы возможно только для ферромагнитных материалов. Но абсолютно все современные электронные устройства включают в себя именно ферромагнитные материалы, поэтому возможность их исследования очень важна.

Каким образом реализуются магнитные методы измерения можно понять, рассмотрев типичную схему установки для магнитных измерений (на примере определения магнитной индукции В во внешнем магнитном поле Н), на которой показаны основные элементы, подлежащие описанию (рис. Б.2)

Рис. Б.2 Обобщённая схема установки для магнитных измерений:

БП – блок питания, НУ – намагничивающее устройство, ИП Н – измерительный преобразователь (ИП) напряжённости магнитного поля Н, ИП В – измерительный преобразователь магнитной индукции В, СИ – средство измерений.

Рассмотрим в качестве примера установки для магнитных измерений, так называемую баллистическую установку. Сразу отмечу, что эта установка не имеет отношения к системам запуска баллистических ракет. Она предназначена для построения основной кривой намагничивания (рис. Б.3, а) и с ее помощью можно определить некоторые параметры петли магнитного гистерезиса (рис. Б.3, б).

а	б
Рис. Б.3 Схема кривой намагничивания (а) и петли магнитного гистерезиса (б), отмеченные параметры: Bs – индукция насыщения, Br – остаточная индукция, Hc – коэрцитивная сила, Hs – поле насыщения

Баллистический (индукционно-импульсный) метод измерений основан на явлении электромагнитной индукции – возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в измерительной обмотке образца при скачкообразном (импульсном) изменении магнитного потока в образце.

В качестве измерителя магнитного потока часто используют баллистический гальванометр. На образец в виде тороида наносятся первичная (намагничивающая) и вторичная (измерительная) обмотки (рис. Б.4). Первичная обмотка I присоединяется к источнику постоянного тока J, концы вторичной обмотки II присоединены к баллистическому гальванометру G.

Рис. Б.4 Схема баллистического метода измерения магнитных свойств.

В первичной обмотке с помощью электрического переключателя (перекидного ключа) создается импульс тока J = 2 J за счет «перекидывания» ключа из основного положения на противоположного так, чтобы изменилось направление тока. При этом во вторичной обмотке индуцируется ЭДС и возникает ток i, который протекает по виткам, нанесенных на рамку гальванометра. Рамка находится в магнитном поле постоянного магнита. Из-за взаимодействия магнитного поля, созданного током в рамке, и магнитного поля постоянного магнита рамка поворачивается. В баллистическом гальванометре используется рамка с большим моментом инерции. Благодаря этому максимальное отклонение рамки гальванометра (угол ) прямо пропорционально электрическому заряду Q, прошедшему через рамку гальванометра за время τ, в течение которого происходило изменение силы тока.

Несложно показать, что количество электричества Q:

,

где R – электрическое сопротивление измерительной (вторичной) цепи, включающей в себя вторичную обмотку образца и витки рамки гальванометра;

 – электродвижущая сила, индуцируемая во вторичной цепи.

Величина  определяется известным из курса школьной физики выражением:

,

где n₂ – количество витков во вторичной измерительной обмотке,

Ф/t – изменение во времени магнитного потока в образце, вследствие импульсного изменения силы тока J в первичной обмотке (цепи).

Использование вместо баллистического гальванометра веберметра, который представляет собой обычный гальванометр в сочетании со специальным интегрирующим устройством, позволяет проводить непосредственное измерение величины ΔФ.

Изменение магнитного потока Ф можно создавать или путем изменения силы тока в первичной обмотке от нуля до некоторого значения, а затем от этого значения до более высокого, или путем изменения силы тока от заданного значения до противоположного. В последнем случае изменение потока Ф будет, естественно, равно 2Ф. Последний вариант создания импульса тока путем его коммутирования, определяют как коммутационный режим измерений (метод коммутирования).

Определив с помощью веберметра величину Ф и рассчитав сечение тороидального образца S, получаем значение индукции B в соответствии с соотношением:

Ф = В^.S.

Магнитное поле Н (А/м), в котором намагничивается тороидальный образец, вычисляется по формуле:

где J – сила тока в первичной обмотке, А,

n₁ – число витков в первичной обмотке,

l – длина средней окружности тороида, м.

Таким образом, измеряя зависимость величины изменения магнитного потока 2Ф от силы тока в первичной обмотке J, мы можем, рассчитав с помощью приведенных выше формул, соответствующие этим параметрам магнитную индукцию В и величину внешнего магнитного поля Н, построить основную кривую намагничивания и определить некоторые параметры гистерезиса, например – коэрцитивную силу Н_с. Величина коэрцитивной силы – очень важный для электронной техники параметр. Она определяет – к какому типу магнитных материалов относится исследуемое вещество. Если величина Н_с порядка нескольких А/м, то это магнитно-мягкий материал, он намагничивается в малых полях, его можно использовать для сердечников трансформаторов, если Н_с более десятков кА/м, то это магнитотвердый материал и его можно использовать в качестве постоянного магнита.

Разумеется, приведенные примеры методов исследования некоторых свойств материалов – это лишь крошечная часть всех известных методов. Целесообразность того или иного метода исследования определяет экспериментатор, который должен не только знать какие существуют методы исследования, но и, прежде всего, знать основные принципы формирования физических свойств материала. Нужно понимать – чем может определяться зависимость этих свойств от структуры материала, нужно разобраться какой уровень структуры наиболее существенно влияет на формирование того или иного свойства. Например, железо с разными кристаллическими решетками может вести себя по-разному! С одной кристаллической решеткой (т.н. гранецентрированной кубической) железо не притягивается магнитами, а с другой (т.н. объемно-центрированной кубической) железо само ведет себя как магнит.

Темы рефератов и рекомендации по их составлению

1. Возникновение понятия температуры и создание температурной шкалы

Опишите основные методы измерения температуры, которые используются в современном мире и какие физические принципы заложены в эти методы, рассмотрите крайние точки измерения температур – измерение сверхнизких температур (близких к абсолютному нулю) и высоких температур, например температуры звезд.

2. Разновидности и реализация термического анализа.

Рассмотрите возможные методы термического анализа, опишите условия реализации достоверного анализа, например принципы выбора эталона, роль массы и размеров образца и т.д.

3. Методы калориметрии.

Опишите принципы компенсационных методов и методов, основанных на измерении разности температур. Проведите сравнительный анализ возможностей этих методов.

4. Магнитные свойства и возможности их измерения.

Постарайтесь описать наиболее важные, с точки зрения использования человеком, магнитные свойства материалов, используя для этого параметры кривой намагничивания (зависимости намагниченности или магнитной индукции от внешнего магнитного поля) и петли магнитного гистерезиса. Опишите физические представления, которые позволяют предложить наиболее простые способы или методы измерения этих свойств.

5. Методы исследования ферромагнитных материалов.

Приведите примеры методов исследования ферромагнитных материалов, опишите принципы на которых основаны эти методы.

Список рекомендуемой литературы

1. В.Ю. Введенский, А.С. Лилеев, Б.А. Самарин, Физические методы исследования. Раздел: Тепловые и электрические свойства. – М.: «Учеба» МИСиС, 2001. (Номер в НИТУ «МИСиС» 1675)

2. В.Ю. Введенский, А.С. Лилеев, Физические методы исследования. Раздел: Магнитные свойства. – М.: Издательский Дом «МИСиС», 2010. (Номер в НИТУ «МИСиС» 1268)

3. И.Б. Кекало, Е.А. Шуваева, Аморфные, нано- и микрокристаллические материалы \лабораторный практикум\ – М.: Издательский Дом «МИСиС», 2008. (Номер в НИТУ «МИСиС» 516)

4. Я.А. Смородинский, Температура, Библиотечка «Квант», 012 выпуск, 1981, Издательство: Наука, Главная редакция физико-математической литературы.