Ответы на экзаменационные вопросы

1.Вопрос: Дать классификацию материалов по электрическим свойствам.

Ответ: Все вещества в зависимости от их электрических свойств относятся к проводникам, полупроводникам и диэлектрикам. Различия между ними можно показать с помощью энергетических диаграмм, зонной теории твердых тел.Различным атомам веществ характерны определенные энергетические состояния (уровни).При переходе газообразного вещества в жидкость, а затем при образовании кристаллической решетки твердого тела все имеющиеся у данного типа атомов электронные уровни несколько смещаются вследствие действия соседних атомов друг на друга. Таким образом из отдельных энергетических уровней уединенных атомов в твердом теле образуется целая полоса - зона энергетических уровней. Часть этих уровней заполнена электронами в нормальном не возбужденном состоянии атома. На других уровнях электроны могут находиться только после того, как атом испытает внешнее энергетическое воздействие, при этом он возбуждается. Стремясь перейти к устойчивому состоянию атом излучает избыток энергии в момент возвращения электронов на уровни при которых энергия атома минимальна.

Энергетические диаграммы диэлектриков, полупроводников и проводников различны (см. рис. а, б, в).Диэлектриками будут такие материалы у которых запрещенная зона настолько велика, что электронной проводимости не наблюдается.

1-зона заполнения электронами

2-запрещенная зона

3-свободная зона

Полупроводниками будут вещества с более узкой запрещенной зоной, которая может быть преодолена за счет внешних энергетических воздействий. Проводниками будут материалы у которых заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывает ее. Вследствие этого электроны в металле свободны, то есть могут переходить с уровней заполненной зоны на незанятые уровни свободной зоны под влиянием слабой напряженности приложенного к проводнику электрического поля.

2. Вопрос: Дать классификацию материалов по магнитным свойствам.

Ответ: Все вещества в природе являются магнитными, т. е. они взаимодействуют с внешним магнитным полем и обладают определенными магнитными свойствами, которые обусловлены наличием магнитных моментов у частиц вещества (атомов).

Суммарный магнитный момент атомов в единичном объеме материала называется намагниченностью.

По силе взаимодействия с магнитным полем все вещества можно разделить на слабомагнитные и сильномагнитные. Сила взаимодействия вещества с магнитным полем оценивается безразмерной величиной – магнитной восприимчивостью к_м:

к_м = М/Н,

где М – намагниченность вещества под действием магнитного поля, А·м^-1; Н – напряженность этого поля, А·м^-1.

Слабомагнитные вещества характеризуются величиной к_м <<1, т. е. изменение намагниченности вещества под действием внешнего поля очень незначительно. К ним относятся диамагнетики и парамагнетики.

 

Рисунок 1 - Ориентация магнитных моментов соседних атомов при 0°К в веществах разной магнитной природы

 Диамагнетики - вещества, имеющие магнитную проницаемость меньше 1. 

Диамагнетики характеризуются тем, что ослабляют внутри себя то магнитное поле, которое действует извне. Это происходит вследствие того, что их намагниченность направлена против внешнего поля (к_м < 0). К этим веществам относят большинство органических соединений и ряд металлов: медь, серебро, золото, свинец и др.

Атомы и молекулы не имеют магнитного момента в отсутствии магнитного поля, а намагниченность создается только за счет действия магнитного поля на электроны молекул.      Парамагнетики - вещества, имеющие магнитную проницаемость больше 1.

Парамагнетики отличаются тем, что при помещении этих веществ в магнитное поле они усиливают его внутри себя (к_м>0)..Эти вещества содержат атомы и электроны, имеющие собственный магнитный момент. Парамагнетиками являются кислород, магний, натрий, кальций, титан, палладий, алюминий, платина и др.        С точки зрения технического применения представляют интерес сильномагнитные вещества (к_м >>1), к которым относятся ферромагнетики и ферримагнетики.

Ферромагнетики - вещества, имеющие магнитную проницаемость много больше, чем 1, которая создается спонтанной намагниченностью доменов, хаотически ориентированных в пространстве.

Ферромагнетики характеризуются, во-первых, способностью сильно намагничиваться даже в слабых полях (к_м =10 ³- 10⁵). Вторая их способность состоит в том, что выше определенной температуры, называемой температурой Кюри Т_к, ферромагнитное состояние вещества переходит в парамагнитное, т. е. магнитная восприимчивость снижается на три-четыре порядка. К ферромагнетикам относят: железо, никель, кобальт и их сплавы, сплавы хрома и марганца и др.

Ферримагнетики - вещества, имеющие магнитную проницаемость много больше, чем 1, которая создается спонтанной намагниченностью кристаллических решеток, попарно антипараллельно ориентированных в пространстве. При этом суммарный магнитный момент не равен нулю.  

Ферримагнетики – это вещества, получившие название от сложных оксидных материалов – ферритов (MeO·Fe₂O₃). Магнитные свойства их тесно связаны с взаимным расположением в кристаллической решетке ионов железа и металла. Они имеют свойства, во многом подобные свойствам ферромагнетиков, но значительно уступают им по величине предельной намагниченности.

Антиферромагнетики - вещества, имеющие магнитную проницаемость немного больше чем 1, которая создается спонтанной намагниченностью кристаллических решеток, попарно антипараллельно ориентированных в пространстве и скомпенсировавших друг друга. Примеры ферримагнетиков и антиферромагнетиков - ферриты, соединения типа Fe₂O₃ c MeO, где Ме - двухвалентный металл.