2. Как и почему изменяется емкость керамического конденсатора при увеличении частоты электрического поля с 50Гц до 200кГц?

Емкость керамического конденсатора при увеличении частоты уменьшится.

Частотные свойства. Ёмкость конденсатора зависит от частоты приложенного переменного напряжения. При изменении частоты изменяются диэлектрическая проницаемость диэлектрика и степень влияния паразитных параметров – собственной индуктивности и сопротивления потерь. На высоких частотах любой конденсатор можно рассматривать как последовательный колебательный контур, образуемый ёмкостью С, собственной индуктивностью Lc и сопротивлением потерь Rn.

При f>fp конденсатор в цепи переменного тока ведёт себя как катушка индуктивности. Следовательно, конденсатор целесообразно использовать лишь на частотах f<fp, на которых его сопротивление носит ёмкостный характер. Обычно максимальная рабочая частота конденсатора примерно в 2…3 раза ниже резонансной.

Характер частной зависимости действующей ёмкости конденсатора (с учётом влияния параметров Lc и Rn) в диапазоне частот от нуля до fp обусловливается соотношением параметров С, Lc, Rn. В большинстве случаев Сд уменьшается с ростом частоты во всём указанном диапазоне частот. Однако вблизи резонансной частоты она всегда уменьшается и стремится к нулю.

Рис.1. Изменение емкости от частоты.

3. Объясните, почему железо, никель, кобальт являются ферромагнетиками, а медь и марганец не ферромагнитны?

Ферромагнетики

Ферромагнетиками называют вещества (твердые), которые могут обладать спонтанной намагниченностью, т.е. намагничены уже при отсутствии внешнего магнитного поля. Типичные представители ферромагнетиков – это железо, кобальт, никель и многие их сплавы.

Мерой взаимодействия материалов с магнитным полем является магнитная индукция (В), то есть средняя напряженность магнитного поля внутри материала при нахождении во внешнем магнитном поле напряженностьюН.Магнитная индукция является суперпозицией напряженности внешнего магнитного поля и намагниченности:В=Н+ 4pМ, гдеМ- намагниченность материала, то есть отношение векторной суммы элементарных магнитных моментов к объему материала. У веществ слабо взаимодействующих с полем намагниченность невеликаВ»Н.

В настоящее время установлено, что молекулы многих веществ обладают собственным магнитным моментом, обусловленным внутренним движением зарядов. Каждому магнитному моменту соответствует элементарный круговой ток, создающий в окружающем пространстве магнитное поле. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты молекул ориентированы беспорядочно, поэтому обусловленное ими результирующее магнитное поле равно нулю. Равен нулю и суммарный магнитный момент вещества. Последнее относится и к тем веществам, молекулы которых при отсутствии внешнего поля не имеют магнитных моментов.

Если же вещество поместить во внешнее магнитное поле, то под действием этого поля магнитные моменты молекул приобретают преимущественную ориентацию в одном направлении, и вещество намагничивается – его суммарный магнитный момент становится отличным от нуля. При этом магнитные поля отдельных молекул уже не компенсируют друг друга, в результате возникает поле. Иначе происходит намагничивание веществ, молекулы которых при отсутствии внешнего поля не имеют магнитного момента. Внесение таких веществ во внешнее поле индуцирует элементарные круговые токи в молекулах, и молекулы, а вместе с ними и все вещество приобретают магнитный момент, что также приводит к возникновению поля. Большинство веществ при внесении в магнитное поле намагничиваются слабо. Сильными магнитными свойствами обладают только ферромагнитные вещества: железо, никель, кобальт, многие их сплавы и др.

Важно отметить, что при достижении определенной температуры магнитная проницаемость ферромагнитных тел резко падает до значения, близкого к 1. Эта температура, характерная для каждого ферромагнитного вещества, носит название точки Кюри. {Речь идет не о том нагревании под действием вихревых токов Фуко, которое испытывают все металлы, помещенные в переменное магнитное поле, но о нагревании ферромагнитных тел, обусловленном их перемагничиванием и связанном со своеобразным внутренним трением в перемагничиваемом веществе.}

При температурах выше точки Кюри все ферромагнитные тела становятся парамагнитными. У железа точка Кюри равна 767°С, у никеля 360°С, у кобальта около 1130°С. У некоторых ферромагнитных сплавов точка Кюри лежит вблизи 100°С.

Ферромагнитными свойствами могут обладать кристаллы веществ, атомы которых имеют не заполненные электронами внутренние оболочки, так что проекция результирующего спинового магнитного момента на направление магнитного поля отлична от нуля. При определенных условиях благодаря обменному взаимодействию между электронами соседних атомов, имеющему особую квантово-механическую природу, оказывается устойчивым такое состояние ферромагнетика, когда спины электронов всех атомов в пределах одного домена ориентированы одинаково. Таким образом, возникает спонтанное намагничивание доменов до насыщения. При нагревании ферромагнетика до точки Кюри тепловое движение разрушает области спонтанной намагниченности, и вещество теряет свои особые магнитные свойства.

Обменный интеграл зависит от расстояния между соседними атомами (а) и от радиуса незаполненных орбиталей (r) или в обобщенном виде от отношения (а/r). Зависимость обменного интеграла от отношения а/r показана на рисунке 2.

Рис.2. Зависимость обменного интеграла (А) от расстояния между атомами, отнесенного к радиусу незаполненной электронной оболочки (a/r).

При отношении расстояния между атомами к радиусу незаполненных оболочек большем 3 обменный интеграл положителен и для того чтобы обменная энергия вычиталась из общей энергии системы необходимо параллельная ориентация спиновых магнитных моментов соседних атомов. Такие вещества являются ферромагнетиками. При отношении а/r меньшем 3 обменный интеграл отрицателен и для того чтобы энергия системы была минимальной скалярное произведение магнитных моментов соседних атомов должно быть отрицательным. В этом случае магнитные моменты соседних атомов антипараллельны и такие вещества принято называть антиферромагнетиками. При равенстве отношения а/r 3 обменная энергия нулевая и взаимная ориентация магнитных моментов произвольна. Такие вещества являются парамагнетиками.

Для того чтобы вещество было ферромагнитным необходимо выполнение двух условий:

1). В состав материала должны входить атомы переходных металлов, обладающих большими магнитными моментами;

2). Отношение расстояния между атомами к радиусу незаполненных электронных оболочек должно превышать 3.

Диамагнетики

Диамагнетиками называются вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном направлению вектора магнитной индукции поля (т.е. в нём внешнее магнитное поле незначительно ослабевает).

К диамагнетикам относятся вещества, магнитные моменты атомов, молекул или ионов которых в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю. Диамагнетиками являются инертные газы, молекулярный водород и азот, цинк, медь, золото, висмут, парафин и многие другие органические и неорганические соединения.

В случае отсутствия магнитного поля диамагнетик немагнитен, поскольку в данном случае магнитные моменты электронов взаимно компенсируются, и суммарный магнитный момент атома равен нулю.

Т.к. диамагнитный эффект обусловлен действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, то диамагнетизм свойственен всем веществам.

Следует отметить, что магнитная проницаемость у диамагнетиков µ<1. Вот, например, у золота µ=0,999961, у меди µ=0,9999897 и т.д.

Интересно, что марганцевая бронза - сплав марганца с медью - может намагничиваться, хотя ни тот, ни другой компонент в отдельности не проявляют магнитных свойств.