Шпаргалка по метрологии / 3

2. Физическая природа ферромагнетизма. Намагничивание ферромагнетиков.

Особые свойства ферромагнетиков обусловлены их доменным строением. Домены представляют собой макроскопические области, намагниченные практически до насыщения даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Спонтанная намагниченность доменов обусловлена параллельной ориентацией магнитных моментов атомов.

Энергия электростатического взаимодействия валентных электронов может составлять несколько электрон-вольт, так что даже небольшой доли этой энергии достаточно для достижения необходимого ориентирующего эффекта.

Согласно теории ферромагнетиз­ма, решающую роль в создании спонтанной намагничен­ности играют силы обменного взаимо­действия, которые носят чисто квантовый характер, хотя и являются электростатическими по своему происхождению. Энергия обменного взаимодействия определяется выражением: , где А - так называемый обменный интеграл, имеющий размерность энергии; s_{1 и} s₂ — единичные векторы, характеризующие направления спиновых моментов взаимодействующих электронов.

Электростатическая энергия молекулы мини­мальна при определенной ориентации спинов электронов. Как сле­дует из формулы (9.4), при положительном знаке обменного интег­рала минимуму электростатической энергии отвечает параллельная ориентация спинов. Если же обменный интег­рал отрицателен, то энергетически выгодно антипараллельное рас­положение спинов. Таким образом, обменный интеграл характеризует влияние магнитной упорядоченности на энергию системы. Его численное значение и знак определяют­ся степенью перекрытия электронных оболочек, т. е. зависят от расстояния между

этом случае на концах ферромагнетика возникают магнитные полюса, создающие внешнее магнитное поле, которое обладает определенной потенциальной энер­гией. Однодоменную структуру можно рассматривать как совокупность нескольких магнитов, соприкасающихся одноименными полюсами. Если кристалл состоит из двух доменов с противоположной ориентацией магнитных моментов, то он обладает существенно мень­шей магнитостатической энергией. Еще более выгодной является структура с боковыми, замыкающими доменами. В этом случае магнитный поток замыкается внутри образца, а за его пределами магнитное поле практически равно нулю.

Деление на домены ограничивается увеличением энергии доменных границ. Для образования доменной границы необходимо совершить работу против обменных сил, которые стремятся вызвать параллель­ную ориентацию спиновых моментов, и сил магнитной кристаллогра­фической анизотропии. Наиболее устойчивым является та­кое состояние ферромагнетика, в котором уменьшение магнитостатической энергии вследствие разбиения на домены компенсируется увеличением энергии доменных границ. Кристаллы малых размеров могут состоять из одного домена.

Переходный слой разделяющий два домена, намагниченные в противоположных направлениях, называют «стенкой Блоха». В пределах такого слоя происходит постепенное изменение ориентации спинов; плавность перехода от одного направления магнитного момента к противополож­ному обеспечивает меньшую удельную энергию доменных границ. Толщина «стенок Блоха» может достигать нескольких сот межатомных расстояний.

В монокристаллах ферромагнитных веществ существуют направления легкого и трудного намагничивания. Число таких направлений определяется

прослушивать отдельные щелчки, обус­ловленные индуцируемой в катушке э, д. с. при резком измене­нии магнитного потока. Ступенчатый характер процесса намагничива­ния получил название эффекта Баркгаузена. На участке необратимого смещения доменных границ кривая намагничивания имеет наиболь­шую крутизну.

По мере дальнейшего увеличения напряженности магнитного поля возрастает роль второго механизма намагничивания – механизма вра­щения, при котором магнитные моменты доменов из направления лег­кого намагничивания, образующего небольшой угол с полем, посте­пенно поворачиваются в направлении поля, т. е. в направлении более трудного намагничивания.

Когда все магнитные моменты доменов ориентируются вдоль поля, наступает техническое насыщение намагниченности.

Магнитный гистерезис. Если ферромагнетик намагнитить до насы­щения, а затем отключить внешнее поле, то индукция в нуль не обратится, а примет некоторое значение, называемое остаточной индукцией. Чтобы убрать остаточную индукцию, необхо­димо приложить магнитное поле противоположного направления.

Напряженность размагничивающего поля, при которой ин­дукция в ферромагнетике, предварительно намагниченном до насыще­ния, обращается в нуль, называют коэрцитивной силой.

6. Магнитомягкие материалы для низких частот.

Помимо высокой магнитной проницаемости и малой коэрцитивной силы магнитомягкие материалы должны обладать большой индукцией насыщения, т. е. пропускать максимальный магнитный поток через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. Выполнение этого требования позволяет уменьшить габаритные размеры и массу магнитной системы.

Магнитный материал, используемый в переменных полях, должен иметь возможно меньшие потери на перемагничивание, которые скла­дываются в основном из потерь на гистерезис и вихревые токи.

Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах вы­бирают магнитомягкие материалы с повышенным удельным сопротив­лением. Обычно магнитопроводы собирают из отдельных изолированных друг от друга тонких листов. Широкое применение получили лен­точные сердечники, навиваемые из тонкой ленты с межвитковой изоляцией из диэлектрического лака. К листовым и ленточным материалам предъявляется требование высокой пластичности, благодаря которой облегчается процесс изготовления изделий из них.

Важным требованием к магнитомягким материалам является обес­печение стабильности их свойств как во времени, так и по отношению к внешним воздействиям, таким, как температура и механические на­пряжения. Из всех магнитных характеристик наибольшим изменениям в процессе эксплуатации материала подвержены магнитная проницае­мость (особенно в слабых полях) и коэрцитивная сила.

Железо и низкоуглеродистые стали. Основным компонентом боль­шинства магнитных материалов является железо. Само по себе желе­зо в элементарном виде представляет собой типичный магнитомягкий материал,

основным магнитомягким материалом массового потребления. Введением в состав этой стали кремния достигается повышение удельного сопротивления, что вызывает снижение потерь на вихревые токи.

Текстурованная сталь анизотропна по свойствам: вдоль направления прокатки наблюдается существенно более высокая магнитная

проницаемость и меньшие потери на гистерезис. Объясняется это тем, что намагничивание вдоль направления прокатки осуществляется в основном за счет смещения доменных границ. Вращение магнитных моментов, затрудняющее намагничивание, выражено очень слабо.

Эффективное использование текстурованных сталей возможно лишь при такой конструкции магнитопровода, при которой магнитный поток целиком проходит вдоль направления легкого намагничивания. Легче всего это условие выполняется при использовании ленточных сердеч­ников.

Сталь выпускается в виде рулонов, листов и резаной ленты. Она может быть без электроизоляционного покрытия или иметь его.

С уменьшением толщины листов уменьшаются потери на вихревые токи. Однако в очень тонких листах наблюдается резкое возрастание коэрцитивной силы, соответственно увеличиваются и потери на гистерезис.

Пермаллои — железоникелевые сплавы, обладающие весьма большой магнитной проницаемостью в области слабых полей и очень маленькой коэрцитивной силой.

Магнитные свойства пермаллоев очень чувствительны к внешним механическим напряжениям, зависят от химического состава и наличия инородных примесей в сплаве, а так­же очень резко изменяются в зависимости от режимов термообработки материала (температуры, скорости нагрева и охлаждения, окружающей среды и т. д.).

механические нагрузки неизбежно возникают даже при наложении токовых обмоток. Обычно кольцеобразные ленточные сердечники из пермаллоя помещают в немагнитные защитные каркасы из пластмассы или алюминия. В целях амортизации динамических нагрузок свободное пространство между каркасом и сердечником заполняют каким-либо эластичным веществом.

Альсиферы - тройные сплавы железа с кремнием и алюмини­ем. Такой сплав отличается твердостью и хрупкостью, но может быть изготовлен в виде фасонных отливок.

Изделия из альсифера - магнитные экраны, корпусы приборов и т. п.

Благодаря хрупкости альсифера его можно размалывать в порошок и использовать наряду с карбонильным железом для изготовле­ния высокочастотных прессованных сердечников.

4. Потери в магнитных материалах, их зависимость от частоты. Способы уменьшения потерь на высоких частотах.

Перемагничивание ферромагнетиков в пере­менных полях сопровождается потерями энергии, вызывающими нагрев материала. Потери на перемагничивание складываются из потерь на гистерезис, на вихревые токи и магнитное последействие. Вкладом последнего механизма в разогрев ферромагнетика обычно можно пренебречь.

Потери на гистерезис за один цикл перемагничивания, отнесенные к единице объема вещества, опре­деляются площадью статической петли гистерезиса.

Потери на гистерезис обусловлены необратимыми процессами перемагничивания. Вихревые токи возникают в проводящей среде за счет э. д. с. самоиндукции, пропорциональной скорости изменения магнит­ного потока. Отсюда вытекает отличие статических петель гистерезиса от динамических: если статические характеризуют лишь потери на гистерезис, то динамические включают суммарные потери на гистерезис и вихревые токи, т. е. при намагничивании переменным полем пет­ля гистерезиса расширяется. При этом потери на гистерезис за один период изменения внешнего поля остаются постоянными в до­статочно широком диапазоне частот, а потери на вихревые токи возрастают пропорционально частоте.

Вихревые токи всегда возникают в плоскости, расположенной перпенди­кулярно магнитному полю. Под действи­ем переменного магнитного потока в любом цилиндри­ческом контуре, ориенти­рованном вдоль оси сер­дечника, возникает э. д. с. самоиндукции.

Для уменьшения потерь на вихревые токи необходимо использо­вать магнитный материал с повышенным удельным сопротивлением, либо собирать сердечник из тонких листов, изолированных друг от друга. В случае сборного сердечника

20. Основные представления о строении и свойствах высокомолекулярных соединений.

Полимерами называют высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из большого числа структурно повторяющихся звеньев – мономеров. Геометрические размеры молекул могут быть настолько велики, что растворы этих веществ по свойствам приближаются к коллоидным системам.

В зависимости от пространственной структуры макромолекул полимеры делят на два основных типа – линейные и пространственные. В линейных полимерах макромолекулы представляют собой цепочечные последовательности повторяющихся звеньев.

В пространственных полимерах макромолекулы связаны в общую сетку, что приводит к неограниченному возрастанию молекулярной массы, которая характеризует уже не отдельную макромолекулу, а некоторую область полимера. В таких пространственно-структурированных материалах отдельные макромолекулы теряют индивидуальность. Поэтому иногда пространственные полимеры называют полимерными телами.

Линейные полимеры в практике называют термопластичными материалами, а пространственные – термореактивными.

Высокая гибкость линейных полимеров определяется двумя одинаково важными факторами – размером макромолекул и природой химической связи между атомами.

Межмолекулярное взаимодействие ограничивает гибкость полимерных макромолекул.

Тепловые толчки не в состоянии вызвать движение всей макромолекулы в структуре полимера. Однако благодаря гибкости молекулярных цепей в тепловом движении могут участвовать отдельные участки макромолекулы, называемые

Аморфные полимеры характеризуются отсутствием трехмерного дальнего порядка в расположении макромолекул, хотя и в этом случае полимеры не являются полностью неупорядоченными. В зависимости от температуры аморфные полимеры могут находиться в трех физических состояниях.

1) Стеклообразное состояние. Материал в этом состоянии обладает хрупкостью и при весьма больших механических напряжениях он лишь незначительно деформируется перед разрушением. Температуру, при которой полимер в процессе нагревания перестает быть стеклообразным и приобретает высокую эластичность или, наоборот, при которой в процессе охлаждения он переходит в стеклообразное состояние, называют температурой стеклования.

2) Высокоэластичное состояние. В этом состоянии материалы при сравнительно небольших механических напряжениях обладают весьма большой упругой деформацией. Так, каучуки могут растягиваться почти в 10 раз. При дальнейшем нагревании и достижении температуры текучести полимер переходит в состояние текучести.

3) Вязкотекучее состояние. Материал в этом состоянии под влиянием небольших усилий проявляется необратимую пластическую деформацию, что может быть использовано для его технологической обработки.

При понижении температуры линейные полимеры проходят через все перечисленные стадии. Нахождение в той или иной стадии обусловлено изменением структуры вещества и силами сцепления между макромолекулами линейных полимеров. Пространственные полимеры на высокой стадии полимеризации полностью инертны к изменениям температуры окружающей среды.

По химическому составу полимеры можно разделить на органические и элементоорганические. К органическим

симметрией кристаллической решетки. В отсутствие внешнего поля магнитные моменты доменов самопроизвольно ориентируются вдоль одной из осей легкого намаг­ничивания.

Энергию, затрачиваемую внеш­ним магнитным полем на поворот вектора намагниченности фер­ромагнитного кристалла из направления легкого намагничивания в направление трудного намагничивания, называют энергией естест­венной магнитной кристаллографической анизотропии.

Зависимость магнитной индукции макрообъема ферромагнетика от напряженности внешнего магнитного называют кривой намагничивания. Для получения кривых намагничивания в качестве исходного принимают размагниченное со образца, при котором в отсутствие внешнего поля индукция нулю, поскольку магнитные моменты доменов статистически равновероятно распределяются по всем возможным направлениям легкого намагничивания.

Возрастание индукции под дан внешнего поля обусловлено двумя основными процессами: смещением доменных границ и поворотом маг­нитных моментов доменов. Началь­ному участку кривой соответствует обратимое (упругое) смещение доменных границ. При этом происходит увеличение объе­ма тех доменов, магнитные момен­ты которых образуют наименьший угол с направлением внешнего поля, и, наоборот, уменьшаются размеры доменов с неблагоприят­ной ориентацией вектора спонтан­ной намагниченности. После сня­тия слабого поля доменные грани­цы возвращаются в прежнее по­ложение; остаточная намагничен­ность в образце не возникает.

В области более сильных по­лей смещение доменных границ носит необрати­мый, скачкообразный, характер. Если намагничиваемый обра­зец поместить внутри катушки, подключенной через усилитель к телефону, то можно

атомами.

На рисунке приведена зависимость обменного интеграла (т. е. энергии обменного взаимодействия) от степени перекрытия электрон­ных оболочек соседних атомов, характеризуемой отношением , где - расстояние между атомами, а - диаметр оболочки, со­держащей нескомпенскровйнные спины. Энергия обменного взаимо­действия оказывается слишком незначительной, если расстояние между атомами в 3—4 раза превышает диаметр электронной оболочки. В этом случае обменные силы не могут противодействовать тепловому движению и вызывать упорядоченное расположение спинов. Соответ­ственно, такие вещества должны проявлять свойства парамагнетиков.

При уменьшении расстояния между атомами обменный интеграл возрастает, что указывает на усиление обменного взаимодействия, бла­годаря которому становится возможной параллельная ориентация спи­нов, характерная для ферромагнетика. При дальнейшем сближении атомов обменный интеграл изменяет знак. Это говорит о том, что в случае близкодействия энергетически выгодным является антипараллель­ное расположение спиновых моментов соседних атомов, т. е. такие ве­щества должны быть антиферромагнетиками.

Ферромагнетиками являются многие сплавы на основе магнитных элементов, железо, кобальт, ни­кель, шесть редкоземельных элементов: гадолиний, диспрозий, эльмий, эрбий, тербий и тулий, а также сплавы магнитных элементов с немагнитными.

Геометрия доменной структуры ферромагнети­ка, т. е. характер разбиения его на домены, также определяется из условия минимума свободной энергии системы. Однодоменное сос­тояние энергетически невыгодно, так как в

Термическая обработка высоконикелевых пермаллоев слож­нее, чем низконикелевых.

Маг­нитные проницаемости высоконикеле­вых пермаллоев в несколько раз вы­ше, чем у низконикелевых, и на­много превосходит проницаемости электротехнических сталей. Удель­ное сопротивление высоконикелевых

пермаллоев почти в три раза меньше, чем у низконикелевых, поэтому при повышенных частотах предпочтительнее использовать низконикелевые пермаллои. Кроме того, магнитная проницаемость пермаллоев сильно снижается с увеличением частоты, причем тем резче, чем больше ее первоначальное значение. Это объясняется возникновением в материале заметных вихревых токов из-за небольшого удельного сопротивления. Стоимость пермаллоев опреде­ляется содержанием в их составе никеля.

Для придания сплавам необходимых свойств в состав пермаллоев вводят ряд добавок.

Молибден и хром повышают удельное сопротивление и начальную магнитную проницаемость пермаллоев и уменьшают чувствительность механическим деформациям. Однако одновременно с этим сни­жается индукция насыщения. Кремний и марганец в основном только увеличивают удельное сопротивление пермал­лоев.

Низконикелевые сплавы применяют для изготовления сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей, работающих при повышенных ин­дукциях без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием.

Высоконикеле­вые сплавы используют для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов.

Сильная зависимость магнитных свойств пермаллоя от механических напряжений вынуждает принимать специальные меры защиты сердечников, поскольку

магнитные свойства которого существенно зависят от содержания примесей. Среди элементарных ферромагнетиков железо обладает наибольшей индукцией насыщения.

Электролитическое железо изготавливают путем электролиза раствора сернокислого или хлористого железа, причем анодом служит чистое железо, а катодом — пластина мягкой стали.

Карбонильное железо получают посредством терми­ческого разложения пентакарбонила железа.

Карбонильное железо имеет вид тонкого порошка, что делает его удобным для изготовления прессованных магнитных сердечников. В карбонильном железе отсутствуют кремний, фосфор и сера, но содержится углерод.

Примеси относительно слабо влияют на магнитные свойства железа, если их концентрация ниже предела растворимости. Низким пределом растворимости в железе обладают углерод, кислород, азот и сера. Соответственно, эти примеси оказываются и наиболее вред­ными. При охлаждении металла после термообработки такие приме из-за ограниченной растворимости выделяются в виде микровключе­ний побочных фаз, которые затрудняют смещение доменных границ в слабом магнитном поле.

Свойства железа зависят не только от содержания примесей, но и от структуры материала, размера зерен, наличия механических напряжений.

Технически чистое железо обычно содержит небольшое количество примесей углерода, серы, марганца, кремния и других элементов, ухудшающих его магнитные свойства. Вследствие сравнительно низкого удельного сопротивления технически чистое железо используют довольно редко, в основном для изготовления магнитопроводов постоянного магнитного потока.

Кремнистая электротехническая сталь является

полимерам относят такие высокомолекулярные соединения, у которых главная цепь состоит из углерода или комбинации углерода с кислородом, азотом, серой и фосфором.

Элементоорганическими называют такие полимеры, главная цепь которых не содержит атомов углерода, но обрамляется органическими группами. Наиболее распространенными представителями этих материалов являются кремнийорганические соединения.

Строение макромолекул во многом определяет электрические свойства полимеров. Все химические связи углерода с другими элементами в той или иной степени полярны из-за различия электроотрицательностей атомов, участвующих в связи. Суммарный дипольный момент молекулы определяется векторной суммой дипольных моментов отдельных связей. Если молекула имеет симметричное строение, то дипольные моменты отдельных связей могут уравновешивать друг друга, благодаря чему суммарный дипольный момент равен 0.

Вещества с несимметрично построенными звеньями полимерных молекул являются дипольными и обычно обладают известной гигроскопичностью, невысокими или средними электрическими характеристиками. Высокомолекулярные углеводороды с симметрично построенными молекулами практически неполярны или слабополярны, гигроскопичность их ничтожно мала и поэтому они имеют малое значение тангенса угла диэлектрических потерь и низкую удельную проводимость.

Основная проблема химии высокомолекулярных соединений – создание более нагревостойких материалов при сохранении у них гибкости, эластичности и др. характерных для органических веществ свойств. В настоящее время промышленностью производятся и весьма нагревостойкие высокомолекулярные материалы: фторсодержащие полимеры, полиамиды, кремнийорганические соединения.

сегментами. Чем меньше размер сегментов, способных к самостоятельному перемещению, тем больше гибкость макромолекулы. У линейных полимеров сегменты обычно состоят из нескольких десятков звеньев. Сегментальная подвижность молекулярных цепей является одной из причин релаксационных диэлектрических потерь в полимерах.

Макромолекулы могут быть регулярными и нерегулярными. Полимер построен регулярно, если соблюдается совершенный дальний порядок расположения звеньев по цепи. Гибкие нерегулярные макромолекулы имеют тенденцию сворачиваться в сфероподобные структуры, называемые глобулами. Поверхность глобулы намного меньше поверхность вытянутой макромолекулы, поэтому межмолекулярное взаимодействие при контакте глобул оказывается слабым. Глобулярной структурой объясняется непрочность некоторых органических полимеров.

Жестким полимерным цепям трудно сворачиваться в глобулы. За счет сил межмолекулярного взаимодействия несколько соседних макромолекул могут организоваться в пучки параллельных молекул. Полимеры с гибкими макромолекулами регулярного строения обладают способностью образовывать кристаллическую фазу, которая характеризуется упорядоченным расположением молекул. В кристаллической фазе обычно наблюдается складывание молекулярных цепей, т.е. их изгиб через определенные интервалы под углом 180º и встраивание в плоскости в виде гармошки. При кристаллизации сильно разбавленных растворов можно получить небольшие пластинчатые кристаллы некоторых полимеров (например, полиэтилена). В кристаллическом полимере макромолекулы плотно упакованы и им трудно проявлять свою гибкость. Такие полимеры обычно являются жесткими материалами с высоким модулем упругости и малой деформируемостью.

плоскости листов должны быть направлены вдоль линий магнитной индукции.

Потери на магнитное последействие обусловлены отставанием магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля. Исследования показывают, что спад намагниченности ферромагнетиков после отключения внешнего поля происходит не мгновенно, а в тече­ние некоторого промежутка времени — от долей миллисекунды, до не­скольких минут. Время установления стабильного магнитного состоя­ния существенно возрастает с понижением температуры. Одной из ос­новных причин магнитного последействия является тепловая энергия, которая помогает слабо закрепленным доменным границам преодоле­вать энергетические препятствия (барьеры), мешающие их свободному смещению при изменении поля. Рассмотренное явление называют маг­нитной вязкостью. Физическая природа потерь на магнитное последей­ствие во многом аналогична релаксационной поляризации диэлектриков.