Вопрос 36. В чем сходство и различие магнитных свойств ферритов и ферромагнетиков? 15

Ферримагнетики имеют доменную структуру, состоящую из двух или более подрешеток, связанных антиферромагнитно (антипараллельно). Поскольку подрешетки образованы атомами (ионами) различных химических элементов или неодинаковым их количеством, они имеют различные по величине магнитные моменты, направленные антипараллельно. В результате появляется отличная от нуля разность магнитных моментов подрешеток, приводящая к спонтанному намагничиванию кристалла. Таким образом, ферримагнетики можно рассматривать как нескомпенсированные антиферромагнетики (у них магнитные моменты атомов не компенсированы). Свое название эти материалы получили от ферритов — первых некомпенсированных антиферромагнетиков, а магнетизм ферритов назвали ферримагнетизмом. У ферритов доменная структура, как и у ферромагнетиков, образуется при температурах ниже точки Кюри. К ферритам применимы все магнитные характеристики, введенные для ферромагнетиков. В отличие от ферромагнетиков, они имеют высокое значение удельного сопротивления, меньшую величину индукции насыщения, более сложную температурную зависимость индукции. Ферромагнетизм в металлах объясняется наличием обменного взаимодействия, которое образуется между соприкасающимися атомами, а также взаимной ориентацией спиновых магнитных моментов. В ферримагнетиках магнитные моменты ионов ориентированы антипараллельно, и обменное взаимодействие происходит не непосредственно, а через ион кислорода О2−. Такое обменное взаимодействие называют косвенным обменом или сверхобменом. Оно усиливается по мере приближения промежуточного угла от 0° к 180°. 16

ЗАДАЧА 2 16

ЗАДАЧА 3 22

ЗАДАЧА 4 27

Дано: 29

Фосфор 29

Фосфид галлия 29

Решение: 29

Фосфор 29

Фо́сфор (от др.-греч. φῶς — свет и φέρω — несу; φωσφόρος — светоносный; лат. Phosphorus) — химический элемент 15-й группы (по устаревшей классификации —главной подгруппы пятой группы) третьего периода периодической системы Д. И. Менделеева; имеет атомный номер 15. Элемент входит в группу пниктогенов. Фосфор —один из распространённых элементов земной коры: его содержание составляет 0,08—0,09 % её массы. Концентрация в морской воде 0,07 мг/л. В свободном состоянии не встречается из-за высокой химической активности. Образует около 190 минералов, важнейшими из которых являются апатит Ca5(PO4)3 (F,Cl,OH), фосфорит и другие. Фосфор входит в состав важнейших биологических соединений — фосфолипидов. Содержится в животных тканях, входит в состав белков и других важнейших органических соединений (АТФ, ДНК), является элементом жизни. Фосфор имеет несколько аллотропных модификаций – белый, красный, чёрный, коричневый, фиолетовый фосфор и др. Первые три из названных наиболее изучены. Белый фосфор – бесцветное, с желтоватым оттенком кристаллическое вещество, светящееся в темноте. Его плотность 1,83 г/см3. Не растворяется в воде, хорошо растворяется в сероуглероде. Имеет характерный чесночный запах. Температура плавления 44°С, температура самовоспламенения 40°С. Чтобы защитить белый фосфор от окисления, его хранят под водой в темноте (на свету идёт превращение в красный фосфор). На холоде белый фосфор хрупок, при температурах выше 15°С становится мягким и режется ножом. Молекулы белого фосфора имеют кристаллическую решётку, в узлах которой находятся молекулы Р4, имеющие форму тетраэдра. 30

Каждый атом фосфора связан тремя σ-связями с другими тремя атомами. 30

Белый фосфор ядовит и даёт труднозаживающие ожоги. 30

Красный фосфор – порошкообразное вещество тёмно-красного цвета без запаха, в воде и сероуглероде не растворяется, не светится. Температура воспламенения 260°С, плотность 2,3 г/см3. Красный фосфор представляет собой смесь нескольких аллотропных модификаций, отличающихся цветом (от алого до фиолетового). Свойства красного фосфора зависят от условий его получения. Не ядовит. 31

Чёрный фосфор по внешнему виду похож на графит, жирный на ощупь, обладает полупроводниковыми свойствами. Плотность 2,7 г/см3. 31

Красный и чёрный фосфоры имеют атомную кристаллическую решётку. 31

Является непрямозонным полупроводником с шириной запрещённой зоны 2,27 эВ при 300 K. Подвижность электронов 250 см2/(В·с) при 300 K. При легировании монокристаллов серой или теллуром приобретает электронный тип проводимости, легирование цинком придаёт дырочный тип проводимости. 33

Показатель преломления 4,3; 3,45; 3,18 для длин волн 262 нм (ультрафиолетовое излучение), 550nbsp;нм (зелёный свет) и 840 нм (ближний инфракрасный диапазон) соответственно. 33

Применение 33

Начиная с 1960-х годов используется для изготовления недорогих светодиодов. Недостаток этого материала — относительно быстрая деградация световой эмиссии при высоких плотностях протекающего тока и чувствительность к повышенной температуре. Иногда используется в гетероструктурах совместно с арсенидом-фосфидом галлия. 33

Светодиоды, изготовленные из чистого фосфида галлия, излучают зелёный свет с максимумом на длине волны 555 нм, при легировании азотом максимум спектра излучения сдвигается в жёлтую часть видимого спектра (560 нм), легирование цинком ещё более сдвигает излучение в длинноволновую часть спектра (700 нм). 33

Так как фосфид галлия хорошо прозрачен для жёлтого света, светодиодные структуры из фосфида галлия на арсениде-фосфиде галлия более эффективны, чем структуры из фосфида галлия на арсениде галлия. 33

ЗАДАЧА 5 33

Чистое железо содержит не более 0,6% примесей, в том числе углерода не более 0,04%. Наиболее вредными примесями всех марок магнитного железа являются углерод, кислород, сера и фосфор. Особенно сильно ухудшает магнитные свойства железа углерод в виде цементита. 35

Чистое железо является основным компонентом большинства современных магнитных материалов. Его достоинства – высокие показатели индукции насыщения (Br = 2,18 Тл), пластичности, коррозионной стойкости, высокая технологичность, низкая цена и доступность. Недостатки – низкое удельное сопротивление (p = 1•10-7 Ом•м) и, как следствие этого, большие потери на вихревые токи. Поэтому чистое железо применяется только в изделиях, работающих в постоянном магнитном поле, и в виде магнитной фазы в магнитодиэлектриках. 35

Это тройные сплавы системы Fe—Al—Ni. Высококоэрцитивное состояние этих сплавов достигается при концентрации никеля 20—33% и алюминия 11—17%. Применяют в основном легированные Cu и Co. Высококобальтовые сплавы с содержанием Со более 15% используют обычно с магнитной и кристаллической текстурой. Намагничивание этих сплавов происходит главным образом за счет процессов вращения векторов намагничивания. Эти сплавы отличаются высокой твердостью и хрупкостью, поэтому магниты из них изготавливают методом литья. Обрабатываются шлифовкой, в том числе с применением алмазного инструмента, ультразвука и др. 37

Маркировка буквы Ю и Н, означают алюминий и никель соответственно, затем идут буквы легирующих элементов: Д — медь, К — кобальт, С — кремний, Т — титан, Б — ниобий. После буквы идет цифра, указывающая % содержание данного элемента. Буква А означает столбчатую кристаллическую структуру; АА — монокристаллическую структуру. 37

Легирование кобальтом приводит к увеличению В_s, H_с и коэффициента выпуклости. Легирование медью способствует увеличению H_с , при этом улучшаются механические свойства, но падает В_r. 37

Магнитные характеристики: B_r≥0,5—1,4 Тл, H_с≥36—110 кА/м, W≥3,6—32 кДж/м³. У монокристаллических образцов B_r≥0,7—1,05 Тл, H_с≥110–145 кА/м, W_м≥ 18–40 кДж/м³. 37

Для улучшения магнитных свойств эти сплавы подвергают направленной кристаллизации, проводимой при особых условиях охлаждения, при этом образуется микроструктура в виде ориентированных столбчатых кристаллов и  улучшаются все магнитные характеристики; магнитная энергия W_M увеличивается на 60—70% по сравнению с обычной кристаллизацией и достигает 40 кДж/м3. 37

Самые дешевые бескобальтовые сплавы ЮНД и другие, но магнитные свойства у них относительно низки. ЮНДК-15 и ЮНДК-18 магнитноизотропные сплавы с относительно высокими магнитными свойствами. Сплавы ЮНДК- 24 имеют высокие магнитные свойства в направлении магнитной текстуры, полученной при термомагнитной обработке. ЮНДК-35Т5БА обладают наибольшей энергией W_max=35–40 кДж/м³ и их  можно использовать для изготовления малогабаритных магнитов. ЮНДК-40Т8 — титанистый сплав, применяемый в сильно разомкнутых системах (с большим зазором), т.к. имеет наиболее высокую H_с. 38

Список литературы 39