Материаловедение для электриков в вопросах и ответах. Учебное пособие

Значение удельной электрической проводимости вещества – γ [См/м] определяется как произведение суммарного заряда свободных носителей электрического заряда в единице объема (n·q) [Кл/м3] и подвижности этих носителей – u [м2/(с·В)]:

nq u ;

n – концентрация носителей свободных зарядов, 1/м3, q – заряд носителя, Кл.

Подвижностью носителей электрического заряда u называется величина, численно равная средней скорости движения зарядов в веществе v [м/с], при напряженности поля E = 1 В/м:

u Ev [м2/(В·с)].

Названия типов электропроводности определяются названиями свободных носителей электрических зарядов:

электронная (дырочная, поляронная),

ионная,

молионная.

Молионная электропроводность иногда (в специальной литературе) называется катафоретической или электроосмотической – по названию явлений (электрофорез, электроосмос), связанных с движением молионов в электрическом поле.

15. Назовите два основных параметра, определяющихэлектропроводность вещества

16.Что такое подвижность носителей заряда?

17.Какие вам известнытипы электропроводности?

Свободные носители электрического заряда в веществе имеют разные размеры. По мере возрастания размера частицы располагаются следующим образом:

электрон <ион<молион.

Соответственно снижается их подвижность.

Все указанные положения и рассмотренные параметры непосредственно определяют значение удельного электрического сопротивления материала.

19. Сравните размеры носителей заряда при разных типах электропроводности

20.Что такое удельное электрическое сопротивление?

21.В каких единицах измеряются удельное электрическое сопротивление и удельная электрическая проводимость?

22.На какие классы подразделяют-

ся материалы по значению удельного электрического сопротивления?

Удельное электрическое сопротивление ρ – это параметр вещества,

численно равный измеренному в плоскопараллельном электрическом поле сопротивлению образца длиной 1 м с площадью поперечного (эквипотенциального) сечения 1 м2.

или [Ом·м]; удельная электрическая проводимость (величина, обратная ρ) – [См/м]. (См – сименс, единица измерения электрической проводимости, не путать с см – сантиметр).

По значению удельного электрического сопротивления все материалы подразделяются на 3 класса:

проводники ρ = 10–8…10–6 Ом·м;

слабопроводящиематериалы(полупроводники) ρ=10–6…10+7 Ом·м;

диэлектрики (изоляционные материалы) ρ = 10+6…10+20 Ом·м.

Количественно поляризация определяется вектором поляризации Р, равным сумме дипольных моментов qr в единице объема вещества:

P Vqr ,

где q – значение заряда одного знака в диполе, r – расстояние между центрами зарядов разного знака в диполе. Вектор поляризации имеет размерность [Кл/м2] и направлен противоположно вектору электрического смещения воздействующегополя D, имеющему ту жеразмерность.

Поляризацию можно разделить на следующие виды и подвиды. Атомная (электронная). Поляризации подвергаются заряженные частицы атома, в первую очередь деформируются электронные орбиты. Атомная поляризация может быть упругой, при которой энергия электрического поля практически не переходит в тепло. Если при атомной поляризации за счет взаимодействия соседних атомов часть энергии электрического поля переходит в тепловую, поляризация

называется релаксационной или тепловой.

Ионная. При поляризации изменяется относительное расположение ионов в молекуле и (или) кристалле. Ионная поляризация может быть также упругой или релаксационной.

Ориентационная (дипольная). Наблюдается у веществ, молекулы

которых в отсутствие электрического поля представляют собой диполи. При поляризации дипольные молекулы вещества стремятся ориентироваться по полю. Ориентируются также и диполи, образовавшиеся в результате ионной поляризации. При ориентационной поляризации часть энергии электрического поля переходит в тепло.

Миграционная – под действием электрического поля по веществу перемещаются отдельные носители электрического заряда, возвращающиеся на прежнее место при исчезновении (снятии) поля. Длина пути этих заряженных носителей может достигать 10–3 м.

У некоторых веществ при образовании кристалла может возникнуть спонтанная (самопроизвольная, без воздействия поля) поляризация, носящая ионный или дипольный характер.

При исчезновении электрического поля все частицы возвращаются в свое первоначальное положение. Поляризация исчезает. На этот процесс требуется определенное время, характеристикой которого является время релаксации.

24. Какие вы знаете виды поляризации?

те виды поляризации по времени релаксации

27.Определите понятие«диэлектрическая проницаемость» как меру физическихизменений в веществе при приложении электрического поля

28.Определитепонятие «диэлектрическая проницаемость» как меру измененияэлектрического поляввеществе

Диэлектрическая проницаемость ε является мерой поляризации вещества в электрическом поле. Степень поляризации повышается с увеличением дипольного момента поляризуемой частицы и числа частиц, пересекающих единицу площади эквипотенциальной поверхности поля. Через поляризацию Р и напряженность электрического поля Е диэлектрическую проницаемость можно выразить как

Из этого выражения видно, что диэлектрическая проницаемость: а) безразмерная величина, б) не может быть меньше единицы.

Поляризация приводит к ослаблению электрического поля в мате-

риале. Это видно из соотношений для пустоты: D = ε0 Eпустоты и для ма-

териала, внесенного в электрическое поле с плотностью потока элек-

трического смещения D = ε0ε Eматериала. Поэтому можно дать еще одно определение диэлектрической проницаемости.

Диэлектрическая проницаемость ε – это мера ослабления электрического поля в веществе по сравнению с внешним полем; ее значение показывает, во сколько раз поле в веществе слабее поля от того же источника в пустоте на эквипотенциальной границе «вещество–пустота».

Из этого определения вытекает очень важное соотношение напря-

женностей электрического поля в двухслойном диэлектрике.

Напряженности электрического поля в диэлектрике, помещенном в

равномерное электрическое поле и состоящем из двух слоев различных материалов при условии перпендикулярности границы раздела вектору

напряженности электрического поля распределяются обратно пропор-

ционально диэлектрическим проницаемостям материалов:

Е1 ε2 . Е2 ε1

Если заменить пустоту между двумя электродами на какой-либо материал, то емкость между этими электродами увеличится. Причина – опять в поляризации частиц материала, увеличивающей заряд на электродах при подключении их к источнику заряда. Поэтому наиболее часто диэлектрическую проницаемость определяют как меру емкости.

29. Как распределяются напряженности полявдвухслойном диэлектрике?

Значение диэлектрической проницаемости вещества ε можно определить как отношение емкости конденсатора с данным веществом (диэлектриком) к емкости конденсатора тех же размеров, диэлектриком которого является пустота. Поэтому общее выражение для расчета емкости С выглядит так: С= ε0ε Г, где Г – геометрический параметр устройства (например, для плоского конденсатора Г=S/d).

Виды поляризации по мере возрастания характерных для этих видов значений диэлектрической проницаемости можно расположить в следующем порядке:

εпри атомной поляр < εпри ионной поляр< εпри ориентационной поляр

Примеры

εвоздуха = 1, 00058; εкаменной соли = 6,0; εводы = 81.

Для создания устройств с большой емкостью необходимы материалы с очень большими значениями диэлектрической проницаемости. Такими материалами являются сегнетоэлектрики.

30. Определите понятие«диэлектрическая проницаемость» как меру емкости устройствасвеществом

31. Сопоставьте значение диэлектрической проницаемости с видом поляризации

33. Определите понятие«магнитныймомент»

1.3.3. МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ

Прежде чем перейти к понятию «магнитная проницаемость», вспомним основные понятия магнетизма.

Магнитный момент – это основная векторная величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Поскольку источником магнетизма является электрический ток, текущий по замкнутому контуру, значение магнитного момента М определяется как произ-

ведение силы тока I на площадь, охватываемую контуром тока

S (А·м2): М = I · S.

Магнитными моментами обладают электронные оболочки атомов и

молекул. Эти моменты называются орбитальными магнитными момен-

тами электрона. Сами электроны и другие элементарные частицы имеют спиновые магнитные моменты, определяемые существованием собственного механического момента частицы – спина. Спиновый магнитный момент электрона может ориентироваться во внешнем магнитном поле так, что возможны только две равные и противоположно направленные проекции момента на направление вектора напряженности магнитного поля, равные магнетону Бора – 9,274 · 10–24 А·м2.

34. Определите понятие «намагниченность» вещества

Намагниченность J – это суммарный магнитный момент единицы объема вещества: J VM [А / м].

При внесении в магнитное поле различных по свойствам материалов они реагируют на это поле по-разному. Количественно эта реакция описывается магнитной восприимчивостью вещества.

35. Определите понятие « магнитная восприимчивость»

Магнитная восприимчивость вещества א – отношение намагничен-

ности вещества к напряженности магнитного поля:

א = HJ – безразмерная величина.

Удельная магнитная восприимчивость א – отношение магнитной восприимчивости к плотности вещества, измеряемая в метрах в кубе на килограмм (м3/кг).

В качестве технической характеристики реакции материала на магнитное поле чаще используется величина, называемая магнитной проницаемостью. К этому понятию можно прийти следующим путем. В пустоте соотношение между индукцией магнитного поля В и его напряженностью Н выглядит так: В = μ0Н. В материале к вектору

напряженности внешнего магнитного поля добавляется вектор намагниченности материала, имеющий ту же размерность: В = μ0 (Н+J). Используя связь между намагниченностью и напряженностью магнитного поля, получаем: В = μ0 (Н+אH); В = μ0 (1+א)H. Величина μ = (א+1) названа магнитной проницаемостью. В = μ0 μH.

Магнитная проницаемость μ – это физическая величина, характеризующая изменение магнитной индукции в материале при воздействии магнитного поля. Для изотропных сред магнитная проницае-

мость равна отношению магнитной индукции в среде В к напряженно-

сти внешнего магнитного поля Н и к магнитной постоянной μ0:

B .

0 H

Магнитная проницаемость – величина безразмерная. Ее значение для конкретной среды на 1 больше магнитной восприимчивости той же среды:

μ = אv + 1,

так как магнитная индукция в веществе усиливается по сравнению с магнитной индукцией внешнего поля за счет намагниченности веще-

ства: В = μ0(Н+J).

По магнитному строению и значению магнитной проницаемости (восприимчивости) материалы подразделяются:

на диамагнетики μ < 1 (материал «сопротивляется» магнитному полю);

парамагнетики μ > 1 (материал слабо усиливает магнитное поле);

ферромагнетики μ >> 1 (магнитное поле в материале заметно усиливается);

ферримагнетики μ >> 1 (магнитное поле в материале заметно усиливается, но магнитная структура ферримагнетиков отличается от структуры ферромагнетиков);

антиферромагнетики μ ≈ 1 (материал слабо реагирует на магнитное поле, хотя по магнитной структуре схож с ферримагнетиками).

Разберем теперь подробнее каждый из названных классов.

Диамагнетизм – это свойство вещества намагничиваться навстречу направлению действующего на него внешнего магнитного поля (в соот-

ветствии с законом электромагнитной индукции и правилом Ленца).

Диамагнетизм свойствен всем веществам, но в «чистом виде» он проявляется у диамагнетиков. Диамагнетики – вещества, молекулы которых не имеют собственных магнитных моментов

36. Опре-

делите по-

ня т и е « магнитная про-

ни ц а е - мость»

37. Дайте классификацию материалов по магнитным свойствам

38. Опишите природу диамагнетизма

Ферримагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, в котором магнитные моменты атомов образуют в определенном объеме вещества (домене) магнитные подрешетки атомов или ионов с суммарными магнитными моментами, не равными друг другу и направленными встречно. Ферримагнетизм можно рассматривать как наиболее общий случай магнитоупорядоченного состояния, а ферромагнетизм – как случай с одной подрешеткой. В состав ферримагнетиков непременно входят атомы ферромагнетиков. Примеры ферримагнетиков:

Fe3O4; MgFe2O4; CuFe2O4; MnFe2O4; NiFe2O4; CoFe2O4…

Магнитная проницаемость ферримагнетиков имеет тот же порядок, что и у ферромагнетиков: μ ≈ 100…100 000.

41 . Опи-

шите природу ферримагнетизма

Антиферромагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, характеризующееся тем, что магнитные моменты соседних частиц вещества ориентированы, как и в ферримагнетике, встречнопараллельно, но равны друг другу и в отсутствие внешнего магнитного поля суммарная намагниченность вещества равна нулю. Антиферромагнетик в отношении магнитного строения можно рассматривать как частный случай ферримагнетика, в котором магнитные моменты подрешеток равны по модулю и направлены противоположно друг другу. Магнитная проницаемость антиферромагнетиков близка к 1. Примеры антиферромагнетиков:

Cr2O3; марганец; FeSi; Fe2O3; NiO… μ ≈ 1.

Особым поведением в магнитном поле отличаются материалы в сверхпроводящем состоянии (см. ниже). При внесении сверхпроводника в магнитное поле в сверхпроводнике индуцируется электрический ток, создающий магнитный поток, равный магнитному потоку поля-

возбудителя и в соответствии с правилом Ленца направленный в противоположную сторону. В результате внутри сверхпроводящего материала магнитного поля не бывает. Иными словами, внешнее магнитное поле не проникает в вещество, находящееся в сверхпроводящем состоянии (у некоторых сверхпроводников существует весьма малая «глубина проникновения»).

42. Опишите природу антиферромагнетизма

можноподразделить механические свойства материалов?

45. Что такоемодуль нормальной упругости?

Вторая группа включает параметры, оценивающие сопротивление материалов длительным переменным и длительным статическим нагрузкам.

Третью группу составляют характеристики разрушения, которые определяются на образцах с заранее выращенными начальными трещинами.

Основные характеристики, определяемые при однократном кратковременном нагружении.

Модуль нормальной упругости Е – это характеристика упругих свойств материала, коэффициент пропорциональности между нормальным напряжением и относительным удлинением в законе Гука.

Нормальное напряжение – это сила, приложенная перпендикулярно поперечному сечению образца, поделенная на площадь этого сечения. Размерность нормального напряжения σ – [Па = Н/м–2].

Относительное удлинение – это отношение приращения длины образца к его первоначальной длине. Относительное удлинение в законе Гука δ измеряется в процентах.

Закон Гука: σ = Еδ. Модуль нормальной упругости иногда называют модулем Юнга.

46. Что такое коэффициент Пуассона?

При растяжении образца происходит уменьшение его поперечных размеров. Коэффициент Пуассона – это абсолютное значение отношения поперечной деформации к продольной в упругой области.

20