Конструкция и область применения различных типов кабеля (вопрос 18)

Вариант 18

 

 

Факультет: Заочный

Группа: ЭМ – 08

Шифр: 08-218

Выполнил:

Чечков Алексей Валерьевич

Преподаватель:

д-р техн.наук, профессор

Горелов Валерий Павлович

 

Тобольск - 2009

 

Содержание

Введение………………………………………………………………………………………3

1 Конструкция и область применения различных типов кабеля (вопрос 18)………4

2 Тепловой пробой твердых диэлектриков (вопрос 28)……………………………...9

3 Зависимость пробивного напряжения в твердом диэлектрике от температуры

и частоты (вопрос 30)……………………………………………………………….13

4 Нагревостойкость твердых и жидких диэлектриков (вопрос 12)………………..15

5 Основные физико-химические характеристики проводниковых материалов

(вопрос 16)…………………………………………………………………………..16

6 Классификация магнитных материалов и требования к ним (вопрос 22)………27

7 Основные виды поляризации (вопрос 4)………………………………………….36

8 Сверхпроводники и возможности их применения в электротехнике

(вопрос 20)………………………………………………………………………..…41

9 Векторное изображение электрических величин (тока, напряжения, ЭДС). Примечание комплексных чисел для расчета электрических цепей. Представление синусоидальных э.д.с., напряжений и токов комплексными числами…………………………………………………………………………….51

Ответы на письма в редакцию……………………………………………………………57 Заключение…………………………………………………………………………………59

Список реферативно использованной литературы………………………………………60

 

Введение

Конструкционные материалы являются основными видами электротехнических материалов с которыми придется встретиться на практике будущим инженерам-электрикам. Эти материалы служат в качестве изоляции токоведущих частей энергооборудования. Они включают в себя такие разнообразные типы электрической изоляции как: воздух в линиях электропередач и электроаппаратах; нефтяные и искусственные масла в трансформаторах, кабелях и конденсаторах; твердые диэлектрики в изоляторах воздушных линий (ВЛ), конденсаторах, установочных изделиях и корпусах аппаратов и т.п.

При этом физические условия, в которых должна находиться и функционировать изоляция, накладывают определенные требования на физико-химические параметры материала, ограничивая возможные вид, тип используемых электротехнических материалов.

Кроме того, при конструировании даже простейших изделий, предназначенных для работы в электрическом поле, необходимо четко представлять, какие процессы происходят в материале, как влияет тот, или иной материал на работу других частей устройства, в том числе за счет перераспределения электрического поля. Здесь необходимо учитывать разноплановые характеристики материала - механические характеристики: плотность и вес материала, прочность на сжатие, разрыв или изгиб; теплофизические характеристики: теплопроводность, теплоемкость, нагревостойкость, теплостойкость и горючесть; электрофизические характеристики: диэлектрическая проницаемость, электропроводность, электрическая прочность, трекингостойкость; физико-химические характеристики: химическая стойкость, влагопроницаемость и т.д.

Зачастую всем требованиям невозможно удовлетворить, поэтому необходимо ясное понимание всего комплекса процессов, происходящих при функционировании устройств, чтобы оценить значимость каждого из требований и понять, какие их них, в каждом конкретном случае, являются главными, а какие - второстепенными и ими можно пренебречь [17].

 

Конструкция и область применения различных типов кабеля (вопрос 18)

Основными элементами всех типов кабелей, проводов и шнуров являются токопроводящие жилы, изоляция, экраны, оболочка и наружные покровы. Неизолированные провода изоляции не имеют. В зависимости от назначения и условий эксплуатации кабелей и проводов экран и наружные покровы могут отсутствовать.

Кабель - одна или более изолированных жил (проводников), заключенных, как правило, в металлическую или неметаллическую оболочку, поверх которой в зависимости от условий прокладки и эксплуатации может накладываться защитный покров, в состав которого может входить броня.

Провод - одна неизолированная или одна и более изолированные жилы, поверх которых в зависимости от условий прокладки и эксплуатации может быть неметаллическая оболочка, обмотка и (или) оплетка волокнистыми материалами или проволокой.

Шнур - гибкий кабель с ограниченным числом токопроводящих жил небольшого сечения [14].

Токопроводящие жилы

Несмотря на большое многообразие конструкций кабельных жил и применяемых проводниковых материалов, для кабелей и проводов общего применения разработан ряд типовых конструкций медных и алюминиевых токопроводящих жил стандартных рядов сечений, требования к которым приведены в ГОСТ 22483-77.

Оболочки

Для защиты изоляции жил от воздействия света, влаги, различных химических веществ, а также для предохранения её от механических повреждений кабель снабжают оболочками. Наиболее распространены металлические оболочки из алюминия, свинца и стали.

Алюминиевые оболочки - выполняются гладкими и гофрированными. На поверхности оболочки не допускается риски, вмятины, раковины, посторонние включения. Допускается пайка дефектов на строительной длине кабеля не более чем в трех местах. Алюминиевые оболочки в 2-2,5 раза прочнее свинцовых и имеют повышенную вибростойкость. Их могут использовать в качестве экранов для защиты кабелей от внешних электрических влияний.

Свинцовые оболочки уступают алюминиевым и по герметичности, и по механической прочности, и по стойкости к вибрации, и по весу. Однако они имеют существенное преимущество по отношению к алюминиевым: высокая стойкость в условиях воздействия агрессивных сред (пары щелочи, концентрированные щелочные растворы).

Кабели с невлагоемкой (пластмассовой или резиновой) изоляцией не нуждаются в металлической оболочке и поэтому их изготавливают в пластмассовой или резиновой оболочке.

Широкое применение имеют также комбинированные - металлопластмассовые оболочки (оболочки из полиэтилена с алюминиевыми и стальными лентами), заменяющие свинцовые оболочки.

Защитные покрытия

Кабели в металлических и неметаллических оболочках в зависимости от условий монтажа и эксплуатации изготавливаются с небронированными и бронированными стальными лентами или с оцинкованными стальными проволоками с различными наружными защитными покровами.

Защитный покров кабелей состоит из подушки, брони и наружного покрова.

Подушка — предназначена для предохранения его оболочки от повреждения

стальными лентами или проволоками и защиты её от коррозии.

Броня - предназначена для предохранения кабелей от механических повреждений

(от поедания животными).

Наружный покров - предназначены для предохранения кабелей от проникновения влаги и от механических повреждений.

Защитные покровы могут быть пластмассовые, волокнистые наружные и легкие защитные покрытия.

Кабели, провода и шнуры с резиновой изоляцией для предохранения изоляции от воздействия света и нефтяных продуктов оплетают хлопчатобумажной изоляцией.

Гибкие шнуры оплетают швейной ниткой в три сложения или глянцевой пряжей темных цветов или комбинированной из двух цветов. В зависимости от условий эксплуатации оплетка хлопчатобумажной пряжей может быть пропитана атмосферостойкими или противогнилостными составами.

Провода с резиновой изоляцией для защиты от воздействия масла, бензина и других растворителей, а также озона применяют с покрытием оплетки проводов лаками на основе эфиров целлюлозы. Для защиты хлопчатобумажной пряжи от плесневых грибов лаки применяют с антисептиком оксидефинилом или соединениями фенола[14].

 

На рисунке 1.1 показаны типичные конструкции силовых кабелей. Силовые кабели состоят из следующих основных элементов: токопроводящих жил, изоляции, оболочек и защитных покровов. Помимо основных элементов в конструкцию силовых кабелей могут входить экраны, нулевые жилы, жилы защитного заземления и заполнители.

 

Рисунок 1.1 - Сечения силовых кабелей: а) - двужильные силовые кабели с круглыми и сегментными жидами;

б) - трехжильные силовые кабели с поясной изоляцией и с отдельными оболочками;

в) - четырехжильные силовые кабели с нулевой жилой секторной, круглой и треугольной формы

1 - токопроводящая жила;2 - нулевая жила;3 - изоляция жилы;4 - экран на токопроводящей жиле

5 - поясная изоляция;6 – заполнитель;7 - экран на изоляции жилы;8 – оболочка;9 - бронепокров

10 - наружный защитный покров.

 

Токопроводящие жилы предназначены для прохождения электрического тока, они бывают основными и нулевыми. Основные жилы применяются для выполнения основной функции силового кабеля- передачи по ним электроэнергии. Нулевые жилы предназначены для протекания разности токов фаз (полюсов) при неравномерной их нагрузке. Они присоединяются к нейтрале источника тока.

Жилы защитного заземления являются вспомогательными жилами силового кабеля и предназначены для соединения не находящихся под рабочим напряжением металлических частей электроустановки, к которой подключен силовой кабель, с контуром защитного заземления источника тока.

Изоляция служит для обеспечения необходимой электрической прочности токопроводящих жил силового кабеля по отношению друг к другу и к заземленной оболочке (земле).

Экраны используются для защиты внешних цепей от влияния электромагнитных полей токов, протекающих по силовому кабелю, и для обеспечения симметрии электрического поля вокруг жил кабеля.

Заполнители предназначены для устранения свободных промежутков между конструктивными элементами силового кабеля в целях герметизации, придания необходимой формы и механической устойчивости конструкции кабеля.

Оболочки защищают внутренние элементы кабеля от увлажнения и других внешних воздействий.

Защитные покровы предназначены для защиты оболочки силового кабеля от внешних воздействий. В зависимости от конструкции кабеля в защитные покровы входят подушка, бронепокров и наружный покров[15].

Силовые кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена и оболочкой из полиэтилена показаны на рисунке 1.2

 

 

Рисунок 1.2 - Конструкция кабеля типа ПвПг

1- Токопроводящая медная жила; 2- Полупроводящий слой по жиле; 3- Изоляция; 4-Полупроводящий слой по изоляции; 5-Водонабухающая полупроводящая лента; 6- Экран из медных проволок; 7- Медная лента; 8-Водонабухающая лента; 9 - Оболочка из полиэтилена.

 

Таблица 1.1 Марки, элементы конструкции и области применения

Марка кабеля	Материал жил	Оболочка	Герметизация	Область применения
АПвП	Алюминий	П	нет	Прокладка в земле и на воздухе при условии обеспечения мер противопожарной защиты
ПвП	Медь	П	нет	То же
АПвПу	Алюминий	Пу	нет	То же на сложных участках трасс
ПвПу	Медь	Пу	нет	Тоже
АПвПг	Алюминий	П	г	Для прокладки в грунтах с повышенной влажностью и в сырых, частично затапливаемых помещениях
ПвПг	Медь	П	г	То же
АПвП2г	Алюминий	П	2г	Тоже
ПвП2г	Медь	П	2г	То же
АПвВ	Алюминий	В	нет	Для прокладки в кабельных сооружениях и производственных помещениях и в сухих грунтах
ПвВ	Медь	В	нет	То же
АПвВнг	Алюминий	Внг	нет	То же для групповой прокладки
ПвВнг	Медь	Внг	нет	Тоже

 

Типы оболочек: П - оболочка из полиэтилена; Пу - оболочка из полиэтилена, усиленная ребрами жесткости; В - оболочка из ПВХ-пластиката; Внг - оболочка из ПВХ-пластиката пониженной горючести. Типы герметизации:
г - продольная герметизация экрана водонабухающими лентами;
2г - поперечная герметизация алюминиевой лентой, сваренной с оболочкой, в сочетании с продольной герметизацией водонабухающими лентами.

 

2 Тепловой пробой твердых диэлектриков (вопрос 28) У твердых диэлектриков могут наблюдаться три основных механизма пробоя:

1. электрический;

2. тепловой;

3. электрохимический.

Каждый из указанных механизмов пробоя может иметь место в одном и том же материале в зависимости от характера электрического поля, в котором он находится – постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты; времени воздействия напряжения; наличия в диэлектрике дефектов, в частности закрытых пор; толщины материала; условий охлаждения и т. д. [2, С.198].

 

Тепловой пробой связан с разогревом диэлектрика вследствие выделяемой в нем энергии при приложении на­пряжения. Если с повышением температуры выделяемая энергия увеличивается, то при некотором напряжении, называемом напряжением теплового пробоя, тепловыделение в диэлектрике превысит теплоотдачу в окружающую среду. Это обусловливает непрерывный рост температуры во вре­мени и разрушение диэлектрика [2, С.198].

Для загрязненных либо недостаточно очищенных диэлектриков, а также для полупроводников и резистивных материалов механизм пробоя связан с процессами электропроводности и нагревания материалов. Тепловой пробой – разрушение диэлектрика за счет прогрессирующего локального энерговыделения при протекании тока в среде. Тепловой пробой возника­ет вследствие положительного температурного коэффициента электропровод­ности диэлектриков, т.е. увеличения электропроводности диэлектрика с рос­том температуры. Эту зависимость обычно представляют в виде

, (2.1)

где а – температурный коэффициент зависимости; – начальная температура; – электропроводность при начальной температуре.

Механизм возникновения пробоя представляется следующим образом.

Приложенное напряжение вызывает потери энергии в диэлектрике; при постоянном напряжении они определя­ются удельной проводимостью диэлектрика g, а при переменном – тангенсом угла диэлектрических потерь tgd. Так как с повышени­ем температуры величины g, а в об­ласти повышенных температур – и величины tgd растут, то при некотором напряжении возможно возникновение неустойчивого теплового состояния диэлектрика. В этом случае увеличение g или tgd с повышением температуры, в свою очередь, приводит к увеличению вы­деляемых в диэлектрике потерь и к дальнейшему росту температуры; это заканчивается тепловым разрушением диэлектрика.

 

Рисунок 2.1 – Схема диэлектрика к расчёту теплового пробоя:

А, В – электроды; С – диэлектрик

 

Рассмотрим слой однородного диэлектрика с толщиной = d, находящийся между бесконечными плоскими элек­тродами (рисунок 2.1). Составим дифференциальное уравнение, соответствующее равновесномусостоянию системы. В дан­ном случае из соображений симметрии принимаем плоскопараллельное тепловое поле с градиентом температуры по оси z. Поток тепла, входящий за 1 с в параллельный электро­дам слой диэлектрика толщиной dz и площадью 1 см², бу­дет меньше потока, выходящего из слоя, на количество теп­ла, выделяющегося ежесекундно в этом слое вследствие ди­электрических потерь

 

, (2.2)

где k – коэффициент теплопроводности диэлектрика; – эквивалентная удельная проводимость диэлектрика. Для переменного напряжения

(2.3)

где – относительная диэлектрическая проницаемость; – частота приложенного напряжения.

Напряженность теплового пробоя изменяется обратно пропорционально d.

С учетом связи между и tgd по уравнению (2.3) имеем

(2.4)

где k – в кал/с град см; – в вольтах.

Приведенные выше формулы получены в предположении, что в диэлектрике при его разогреве величина напряженности поля не зависит от координаты z. Это допущение можно считать справедливым при переменном напряжении, для ко­торого, если пренебречь током проводимости

(2.5)

Величина для большинства технических диэлектриков сла­бо зависит от температуры при не очень высоких частотах. При постоянном напряжении

(2.6)

и вследствие зависимости от имеет место существенная зависимость Е от z, причем слои диэлектрика, ближайшие к электродам, нагружаются сильнее, чем центральные.

В этом случае напряженность и напряжение теплового пробоя определяются формулами, аналогичными (2.4 и (2.5), в которых изменяется только функция

(2.7)

(2.8)

При d ® ∞ и c ® ∞ j₁(с) ® 1,0. Повышение пробивных напряжений для постоянного напряжения при тех же d и объясняется уменьшением напряженности в центральной части диэлектрика, т. е. в области наибольших температур, и затруднением развития теплового пробоя.

При малых толщинах диэлектрика на основании (2.7) и (2.8), пробивное напряжение пропорционально , а пробивная напряженность – обратно пропорциональна . Термическое разрушение диэлектрика может происходить и без неограниченного роста температуры. В стационарном состоянии, когда количество тепла, выделяемого в диэлек­трике за счет потерь, равно количеству тепла, отводимого через электроды, установившаяся температура может ока­заться слишком высокой. Разрушение в этом случае может наступить в результате оплавления, обугливания и подобных процессов, вызванных диэлектрическим нагревом. Это явление называют тепловым пробоем второго рода [2, С.204].

А) Диамагнетики

Диамагнетизм проявляется в намагничивании вещества навстречу направлению действующего на него внешнего магнитного поля.

Диамагнетизм свойствен всем веществам. При внесении какого-либо тела в магнитное поле в электронной оболочке каждого его атома, в силу закона электромагнитной индукции, возникают индуцированные круговые то­ки, т. е. добавочное круговое движение электронов вокруг направления магнитного поля. Эти токи создают в каждом атоме индуцированный магнитный момент, направленный, согласно правилу Ленца, навстречу внешнему магнитному полю (независимо от того, имелся ли первоначально у атома собственный магнитный момент или нет и как он был ориентирован). У чисто диамагнитных веществ электронные оболочки атомов (молекул) не обладают постоянным маг­нитным моментом. Магнитные моменты, создаваемые отдельными электронами в таких атомах, в отсутствие внешнего маг­нитного поля взаимно скомпенсированы. В частности, это имеет место в атомах, ионах и молекулах с целиком заполнен­ными электронными оболочками в атомах инертных газов, в молекулах водорода, азота.

Удлинённый образец диамагнетика в однородном магнитном поле ориентиру­ется перпендикулярно силовым линиям поля (вектору напряженности поля). Из неоднородного магнитного поля он вытал­кивается в направлении уменьшения напряжённости поля [2, С.301].

Индуцированный магнитный момент I, приобретаемый 1 молем диамагнитного вещества, пропорционален напряженности внешнего поля H, т.е. I=χН. Коэффициент χ называется молярной диамагнитной восприимчивостью и имеет отрицательный знак (т.к. I и H направлены навстречу друг другу). Обычно абсолютная величина χ мала (~10^-6), например для 1 моля гелия χ = -1,9·10^-6.

Классическими диамагнетиками являются так называемые инертные газы (He, Ne, Ar, Kr и Xe), атомы которых имеют замкнутые внешние электронные оболочки.

К диамагнетикам также относятся: инертные газы в жидком и кристаллическом состояниях; соединения, содержащие ионы, подобные атомам инертных газов (Li⁺, Be²⁺, Al³⁺, O^2- и т.д.); галоиды в газообразном, жидком и твердом состояниях; некоторые металлы (Zn, Au, Hg и др.). Диамагнетиками, точнее сверхдиамагнетиками, с χ_Д = - (1/4π) ≈ 0,1, являются сверхпроводники; у них диамагнитный эффект (выталкивание внешнего магнитного поля) обусловлен поверхностными макроскопическими токами. К диамагнетикам относится большое число органических веществ, причём у многоатомных соединений, особенно у циклических (ароматических и др.), магнитная восприимчивость анизотропна (таблица 6.1).

 

Таблица 6.1 - Диамагнитная восприимчивость ряда материалов

Вещество	χД ·106	Вещество	χД ·106
Металлы Медь Cu ………… Бериллий Be……… Цинк Zn………… Серебро Ag ……… Золото Au ………… Ртуть Hg ………… Висмут Bi …………   Неорганические соединения H2O (жидкость)….. CO2 (газ)……….… NaCl (кристалл)….. Al2O3 (кристалл)….. CuCl (кристалл)…… PbO (кристалл)….. AgNO3 (кристалл)… PbSO4 (кристалл)… BiCl3 (кристалл)…	-5,41 -9,02 -11,4 -21,5 -29,6 -33,4 -284 (ср.)   -13 (0º C) -21 -30,3 -37,0 -40,0 -42,0 -43,7 -69,7 -100	Органические соединения Метан CH4 (газ)… Бензол C6H6 (жидкость)……….... Анилин C6H7 (жидкость)………… Нафталин C10H6 (жидкость)………… Октан C8H6 (жидкость)………… Дифениламин C12H11N (кристалл) ………… Тетрафенилатилен C21H20 (кристалл)…	-16,9   -54,8 (ср.)   -62,9   -91,8 (ср.)   -96,8     -107   -217

 

Б) Парамагнетики

Парамагнетизм – свойство веществ (парамагнетиков) намагничиваться в направлении внешнего магнитного поля, и, в отличие от ферро-, ферри- и антиферромагнетизма, парамагнетизм не связан с магнитной атомной структурой, а в отсутствие внешнего магнитного поля намагниченность парамагнетика равна нулю.

Парамагнетизм обусловлен в основном ориентацией под действием внешнего магнитного поля Н собственных магнитных моментов µ частиц парамагнетического вещества (атомов, ионов, молекул). Природа этих моментов может быть связана с орбитальным движением электронов, их спином, а также (в меньшей степени) со спином атомных ядер. При µ Н «kТ, где Т – абсолютная температура, намагниченность парамагнетика М пропорциональна внешнему полю: М=χН, где χ – магнитная восприимчивость. В отличие от диамагнетизма, для которого χ < 0, при парамагнетизме восприимчивость положительна; её типичная величина при комнатной температуре (Т ≈ 293 К) составляет 10^-7 – 10^-4.

Парамагнетик – магнетик с преобладанием парамагнетизма и отсутствием магнитного атомного порядка. Парамагнетик намагничивается в направлении внешнего магнитного поля, т.е. имеет положительную магнитную восприимчивость, которая в слабом поле при не очень низкой температуре (т.е. вдали от условий магнитного насыщения) не зависит от напряженности поля. Поскольку свободная энергия парамагнетика понижается в магнитном поле, при наличии градиента поля он втягивается в область с более высоким значением напряжённости магнитного поля. Конкуренция диамагнетизма, появление дальнего магнитного порядка или сверхпроводимости ограничивают область существова­ния вещества в парамагнитном состоянии[2, С.299].

Парамагнетик содержит, по крайней мере, один из перечисленных ниже типов носителей парамагнетизма.

а) Атомы, молекулы или ионы с некомпенсированными магнитными моментами восновном или возбуждённом состояниях с энергией возбуждения E_i «kТ. Парамагнетики этого типа обладают ориентацией ланжевеновским парамагне­тизмом, зависящим от температуры Т по Кюри закону или Кюри – Вейса закону, в них возможно магнитное упоря­дочение. [Похожий по проявлениям магнетизм неоднородных систем малых ферро- или ферримагнитных однодоменных частиц (кластеров) в жидкостях или твердых матрицах выделен в особый вид – суперпарамагнетизм ].

Этот тип носителей присутствует в парах металлов нечётной валентности (Na, Тl); в газе молекул О₂ и NO; в некоторых органических молекулах со свободными радикалами; в солях, окислах и др. диэлектрических соединениях 3 d -, 4 f -, и 5 f - элементов; в большинстве редкоземельных металлов.

б) Те же частицы, имеющие орбитальный магнитный момент в возбуждённом состоянии с энергией возбуждения E_i «kТ. Для таких парамагнетиков характерен не зависящий от температуры поляризационный парамагнетизм.

Этот тип носителей парамагнетизма проявляется в некоторых соединениях d - и f - элементов (соли Sm и Eu и др.).

в) Коллективизированные электроны в частично запол­ненных энергетических зонах. Им присущ сравнительно слабо зависящий от температуры спиновый Паули-парамагнетизм, как правило, усиленный межэлектронными взаимодействиями. В d - зонах спиновый парамагнетизм сопровождается заметным ванфлековским парамагнетизмом.

Подобный тип носителей преобладает в щелочных и щёлочноземельных металлах, d - металлах и их интерметаллических соединениях, актиноидах, а также в хорошо проводящих ион-радикальных органических солях:

O₂ Li

NO Ca

FeCl₂ Al

EuCl₃ Pt

UF₆ U

В) Ферромагнетики

Ферромагнетизм – магнитоупорядоченное состояние вещества, при котором все магнитные моменты атомных носителей магнетизма в веществе параллельны, и оно обладает самопроизвольной намагниченностью [2, С.301].

Рисунок 6.1–Ферромагнитная (коллинеарная) атомная структура гранецентрированной кубической решётки. Ниже точки Кюри θ стрелками обозначены направления атомных моментов; J_s – вектор суммарной намагниченности единиц объёма.

 

Параллельная ориентация магнитных моментов (рисунок 6.1) устанавливается при температурах Т ниже критической температуры Кюри θ. Часто ферромагнетизм называется совокупностью физических свойств вещества в указанном выше состоянии. Вещества, в которых установился ферромагнитный порядок атомных магнитных моментов, называются фер­ромагнетиками.

 

 

Рисунок 6.2 –Кривая безгистерезисного намагничивания (0 B_m) и петля гистерезиса поликристаллического железа. Значению индукции В_т соответствует намагниченность насыщения J_s

Магнитная восприимчивость χ ферромагнетиков положительна (χ >0) и достигает значений 10⁴-10⁵; их намагниченность J и магнитная индукция В=H+4πJ (в СГС системе единиц или В=(H+J)/µ₀ в единицах СИ) растут с увеличением напряжённости магнитного поля H нелинейно (рисунок 5.2) и в полях до 100 Э (7,96·10³ А/м) достигают предельного значения J_s – магнитного насыщения и В_т. Значение J зависит от «магнитострикции предыстории» образца, что делает зависимость J от H неоднозначной (наблюдается магнитный гистерезис ). При намагничивании ферромагнетиков изменяются их размеры и форма, т.е. наблюдается м агнитострикция. Имеется и обратный эффект – кривые намагничивания и петли гистерезиса зависят от внешних механических напряжений. В ферромагнитных монокристаллах наблюдается м агнитная анизотропия – различие магнитных свойств по разным кристаллографическим направлениям. В поликристаллах с хаотичным распределением ориентации кристаллических зёрен анизотропия в среднем по образцу отсутствует, но при неоднородном распределении ориентации она может наблюдаться (текстура магнитная).

Ферромагнетик – вещество, в котором ниже определённой температуры (Кюри точки) – устанавливается ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или магнитных моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах). Среди химических элементов ферромагнитные переходные элементы: Fе, Со и Ni (3d- металлы) иредкоземельные металлы Gd, Тb, Dу; Но, Ег, Тm (таблица 6.2).

 

 

Таблица 6.2 - Ферромагнитные металлы

Металлы	Θ, К	J SO1 Гс *
Fe Co Ni Gd Tb Dy Ho Er Tm	219 ** 87 ** 20 ** 19,6 ** 25 **	1735,2 508,8 1991,8 3054,6 1872,6

 

*J so - намагниченность ед. объёма при абсолютном нуле температуры.

** Точка перехода из ферромагнитного в антиферромагнитное состояние.

Для 3d -металлов и Gd характерна коллинеарная ферромагнитная атомная структура, а для остальных редкоземельных ферромагнетиков – неколлинеарная (спиральная, циклоидальная и синусоидальная).

Ферромагниты также многочисленны: металлические бинарные и более сложные (многокомпонентные) сплавы и соединения упомянутых металлов между собой и с другими неферромагнитными элементами; сплавы и соединения Сг и Мn с неферромагнитными элементами (Гейслеровы сплавы), соединения ZrZn₂ и Zr_xM_1-x (где М – это Тi, Y, Nb или Hf), Au₄V, Sc₃Ln и др. (таблица 6.3), а также некоторые соединения группы актинидов, например UH_3.

Таблица 6.3 - Ферромагнитные соединения

Соединения	Θ, К	Соединения	Θ, К
Fe3Al Ni3Mn FePd3 MnPt3 CrPt3 ZnCMn3 AlCMn3		TbN DyN EuO MnB ZrZn3 Au4V Sc3In	42 – 43 5 – 6

 

Особую группу ферромагнетиков образуют сильно разбавленные растворы замещения парамагнитных атомов, например Fe или Co в диамагнитной матрице Pd. В этих веществах атомные магнитные моменты распределены неупорядоченно (при наличии ферромагнитного порядка отсутствует атомный порядок). Ферромагнитный порядок обна­ружен также в аморфных (метастабильных) металлических сплавах и соединениях (металлические стекла ), в аморфных полупроводниках, в обыч­ных органических и неорганических стёклах халькогенидов (сульфидах, селенидах, теллуридах) и т.п. Число извест­ных неметаллических ферромагнетиков пока невелико. Это, например, ионные соединения типа La_1-x Са_хМn0₅ (0,4>x>0,2), EuO, Eu₂SiO₄, EuS, EuSe, EuI₂, CrBr₃ и т.п. У большинства из них точка Кюри лежит ниже 1 К. Только у сое­динений Eu, халькогенидов, CrB₃ значение θ ~ 100 К [2, С.304].

Г) Антиферромагнетики

Антиферромагнетизм – магнитоупорядоченное состояние вещества, ха­рактеризующееся тем, что магнитные моменты соседних частиц вещества – атомов но­сителей магнетизма – ориентированы навстречу друг другу (антипараллель­но) и поэтому намагниченность тела в целом в отсутствии магнитного поля равна нулю. Этим антиферромагнетизм отличается от ферро­магнетизма, при котором одинаковая ориентация всех атомов магнитных моментов приводит к высокой намагниченности тела.

Антиферромагнетизм – упорядоченное состояние вещества, харак­теризующееся тем, что средние магнитные моменты всех (или большей части) ближайших соседей любого иона направлены на­встречу его собственному магнитному моменту. Для этого обменное взаимодействие должно быть отрицательным (при ферромагне­тизме обменное взаимодействие положительно и все магнитные моменты направлены в од­ну сторону). В каждом антиферромаг­нетике устанавливается определённый по­рядок чередования магнитных моментов.

Антиферромагнетик – вещество, в котором установился антиферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов. Обычно вещество становится антиферромагнетиком ниже определённой температуры Т_N (точка Нееля) и остаётся антиферромагнетикам вплоть до T = 0 K. Из эле­ментов к антиферромагнетикам относятся: твёрдый кислород (α-модификация при T < 24 К), хром - антиферромагнетик с геликоидальной структурой (T_N =310 К), α-марганец (T_N =100 К), а также ряд редкоземельных металлов (с T_N от 60 К у Tu до 230 К у Tb). В последних обычно наблюдаются сложные антиферромагнитные структуры в тем­пературной области между T_N и некоторой температурой Т₁ (0 К<T₁< T_N); ниже Т₁ они становятся ферромагне­тиками [2, С.305].

Число известных химических соединений, которые становятся антиферромагнетиками при определённых температурах, приближается к тысяче.

 

Таблица 6.4 - Свойства редкоземельных элементов – антиферромагнетиков

Элементы	T1·K	T N ·K
Dy...………………… Ho …………………… Er …………………….. Tu ……………………. Tb …………………….

 

Д) Ферримагнетики

Ферримагнетик –вещество, в котором при температуре ниже Кюри (точки Тс) существует ферримагнитное упорядочение магнитных моментов ионов. Значит, часть ферримагнетиков – это диэлектрические или полупроводниковые ионные кристаллы, содержащие магнитные ионы различных элементов или одного элемента, но находящиеся в разных кристаллографических позициях (в неэквивалентных узлах кристаллической решётки). Среди них наиболее обширный класс хорошо изученных и широко используемых ферримагнетиков образуют ферриты (шпинели, гранаты и гексаферриты).

Другую группу диэлектрических ферритов образуют двойные фториды (типа RbNiF₃), в которых из шести магнитных подрешеток намагниченность четырех направлена в одну сторону, а намагниченно