Для параллельной схемы имеем

Под влиянием электрического поля связанные электрические заряды диэлектрика смещаются в направлении действующих на них сил и тем больше, чем выше напряженность поля. При снятии электрического поля заряды возвращаются в прежнее состояние. Этот процесс называется поляризацией.

Любой диэлектрик с нанесенными на него электродами и включенный в цепь подобен конденсатору определенной емкости, заряд которого определяется по формуле

Q = C ´ U,

где C – емкость конденсатора, U – приложенное напряжение.

Заряд Q, при заданном значении приложенного напряжения складывается из заряда Q₀, который присутствовал бы на электродах, если быих разделял вакуум, и заряд Q_g, который

обусловлен поляризацией диэлектрика, фактически разделяющего электроды;

 

Q= Q_о+ Q_g

 

Преобразовывая это уравнение, можно получить:

где e_r - относительная диэлектрическая проницаемостьдиэлектрика, одна из важнейших его характеристик.

Относительная диэлектрическая проницаемость любого вещества не зависит от выбора системы единиц и всегда больше единицы.

Различают мгновенную и не мгновенную (релаксационную) поляризации. К мгновенной поляризации, при которойне происходит выделение тепла в диэлектрике, относятся ионная и электронная.

Электронная поляризация (Сэл, Qэл) наблюдается увсех видов диэлектриков, особенно характерна для газов. Она представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. При повышении температуры она усиливается в результате ослабления упругих сил, действующими междуионами, из-за увеличения расстояния междуними обусловленного тепловым расширением. Время установления этой поляризации составляет 10^-15 с.

Ионная поляризация (Си, Qи) характерна для твердых тел с ионным строением упруго связанных ионов. С повышением температуры она усиливается из-за теплового расширения. Время установления этой поляризации составляет 10^-13 с.

Релаксационная поляризация (замедленная поляризация) сопровождается рассеиванием энергии в диэлектрике.

Дипольно-релаксационная (Сд,р, Qд,р,) поляризация отличается от электронной и ионной тем, что она связана с тепловым движением частиц. Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием поля, что и является причиной поляризации. Однако при большой температуре ориентация под действием поля. Ослабевает из - за увеличенной энергии теплового движения. Поворот диполей в направлении поля в вязкой среде, которая обусловлена температурой, требует преодоления некоторого сопротивления, поэтому эта поляризация связана с потерей энергии.

Примером вещества с этой поляризацией является целлюлоза, полярность которой объясняется наличием гидроксильной группы ОН.

Ионно-релаксационная поляризация (Си,р; Qи,р;) наблюдается в неорганических стеклах. Слабо связанные ионы под воздействием внешнего электрического поля (среди хаотического теплового движения ионов) смещаются в направлении поля. После снятия электрического поля ионно-релаксационная поляризация постепенно ослабевает.

Электронно-релаксационная поляризация (Сэ,р; Qэ,р) отличается от электронной и ионной и возникает вследствие тепловой энергии избыточных электронов. Эта поляризация характерна для диоксида титана, загрязненного примесями бария Ва⁺², кальция Са⁺² и ниобия Nb⁺⁵

Миграционная поляризация (См; Qм) понимается как дополнительный механизм поляризации, появляющийся в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличия примесей. Эта поляризация проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеянием электрической энергии. Причинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью.

Самопроизвольная или спонтанная поляризация (Ссп; Qсп) проявляется у сегнетоэлектриков.

В веществах с самопроизвольной поляризацией имеются отдельные области (домены), обладающие электрическим моментом в отсутствии внешнего электрического поля. Однако ориентация их при этом различна. Наложение внешнего поля способствует ориентации

электрических моментов доменов в направлении поля, даёт эффект очень сильной поляризации.

 

 

1.3.Диэлектрическая проницаемость различных материалов

 

Диэлектрическая проницаемость газов. Газообразные вещества характеризуются весьма малыми плотностями вследствие больших расстояний между молекулами. Поэтому диэлектрическая проницаемость незначительна и близка к 1. Для газа основное значение имеет электронная поляризация.

Диэлектрическая проницаемость жидких диэлектриков. Жидкие диэлектрики могут быть из неполярных молекул или из полярных (дипольных).

Значение диэлектрической проницаемости неполярных жидкостей (бензол, трансформаторное масло, толуол) невелики и близкик значе­нию квадрата показателя преломления светаe_r»n².

Зависимость диэлектрической проницаемости неполярной жидкости от температуры (рис.1.5) связана с уменьшением числа молекул в единице объема. Чем выше температура, тем меньшеe_r. При температуре кипения e_{r =} 1, как у газа.

 

 

Рис 1.5. Зависимость диэлектрической проницаемости неполярной жидкости от температуры трансформаторного масла

 

 

По абсолютному значению температурный коэффициент диэлектрической проницаемости приближается к коэффициенту объемного расширения жидкости.

Частота электрического поля не влияет на коэффициент диэлектрической проницаемости неполярной жидкости.

Температурная зависимость диэлектрической проницаемости полярной жидкости (на пример, совол) более сложная, чем неполярной (рис. 1.6). Изменение кривых объясняется дипольно-релаксационной поляризацией.

Рис.1.6. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для полярной жидкости – совола

 

Значительное влияние наe_r дипольной жидкости оказывает частота (риc.1.7). Пока частота мала диполи успевают следовать за полем. e_r велика и равнаe_r=, определенной при постоянном напряжении. Когда частота становится большой, молекулы не успевают следовать за изменением поля, диэлектрическая проницаемость поля уменьшается, приближаясь к e_r обусловленной электронной поляризацией e_r» n²

Рис.1.7 Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для полярной жидкости - совола

Частота, при которой начинает снижение e_r, определяется по формуле:

(1.11)

гдеh - динамическая вязкость; r — радиус молекулы; k – коэффициент;

Т- температура.

Время релаксации молекул t₀ связано с частотой следующим соотношением

(1.12)

Диэлектрическая проницаемость полярных жидкостей изменяется в пределах 3,5-5 и заметно выше неполярных жидкостей (1,4 - 1,5).

Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков зависит от структурных особенностей твердого диэлектрика. В твердых телах возможны все виды поляризации.

Для твердых неполярных диэлектриков (парафин) характерны те же закономерности, что и для неполярных жидкостей и газов. Это подтверждается зависимостью Е₂=f(t) для парафина (рис.1.8).

 

 

Рис 1.8.Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для неполярного диэлектрика-парафина

 

При переходе парафина из твердого состояния в жидкое (t_пл=54⁰C) происходит резкое уменьшение диэлектрической проницаемости вследствие понижения плотности вещества.

Твердые диэлектрики, представляют собой ионные кристаллы, с плотной упаковкой частиц (например, KCl) обладают электронной и ионной поляризацией и имеют Е₂, изменяющуюся в широких пределах (рис.1.9)

Рис 1.9. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для ионного кристалла KCl

Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с неплотной упаковкой частиц (электротехнический фарфор), в которых наблюдаются помимо электронной и ионной поляризаций также и ионно-релаксационная поляризация, характеризуются невысоким значением диэлектрической проницаемости и большим положительным температурным коэффициентом диалектической проницаемости (рис 1.10).

 

Рис.1.10. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости

электротехнического фарфора

 

II. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКА

 

2.1. Физическая сущность электропроводности диэлектриков.

 

Электропроводность любого материала характеризует способность этого материала проводить электрический ток в замкнутой цепи с ЭДС. Наличие в диэлектрике небольшого количества свободных электронов приводит к возникновению слабых по величине сквозных токов Iск. Токи смещения различных видов замедленной поляризации называются абсорбционными токами Iаб.

Ток утечки Iут в техническом диэлектрике представляет собой сумму токов

 

Iут = Iск + Iаб (2.1)

Для плотностей токов можно записать;

 

Jут = Jск +Jаб (2.2)

 

Плотность тока смешения определяется скоростью изменения вектора смещения

(2.3)

где D = e_r Е - вектор смещения диэлектрика; Е - напряженности электрического поля; t-время.

Зависимость тока уточки через диэлектрик от времени приведена рис.2.1 Видно, что после завершения процессов поляризации через диэлектрик протекает только сквозной ток Iск. Ток абсорбции протекает для изоляции из бумажной и резиновой изоляции в течение 1 мин.

 

 

Рис 2.1 Зависимость тока утечки через диэлектрик от времени

 

Сопротивление диэлектрика Rиз определяется по формуле

(2.4)

где U – приложенное к диэлектрику напряжение.

При длительной работе под напряжением ток через твердые и жидкие диэлектрики с течением времени может уменьшаться или увеличиваться. Уменьшение тока со временем говорит о том, что электропроводность материала била обусловлена ионами посторонних примесей и уменьшалась за счет электрической очистки образца. Увеличение тока со временем говорит об участии в нем зарядов, являющихся структурными элемента самого материала, и о протекающем в нем под напряжением необратимом процессе старения, способном постепенно привести к разрушению – пробою диэлектрика.

Диэлектрик как конденсатор характеризуется постоянной времени саморазряда.

 

t₀ = R_изС = r e_oe_r (2.5)

Значение постоянной времени определяется из выражения

U = U₀ ехр(-t/t₀) (2.6)

где U - напряжение на электродах конденсатора спустя время t после отключения его от источника напряжения; U₀ – напряжение, до которого был заряжен конденсатор ( t = 0); r-удельное сопротивление; С - ёмкость конденсатора; e₀ и e₂ соответственно абсолютная и относительная диэлектрическая проницаемость вещества.

Принимая t = t₀, можем записать

U_t0 = U₀/e

Таким образом, определив постоянную времени как время, по истечении которого напряжение на выводах конденсатора уменьшится вследствие саморазряда в е= 2,7 раза, зная вид материала (а, следовательно, и его диэлектрическую проницаемость) и предполагая наличие только объемного тока утечки, можно оценить удельное сопротивление использованного диэлектрика.

Для твердых изоляционных материалов различают объемную и поверхностную проводимость. Для плоского образца материала в однородном поле удельное объемное сопротивление (Ом ∙м) рассчитывается по формуле

r = RS / h (2.8)

где R - объемное сопротивление Ом; S площадь, мм²; h- толщина, м.

Удельное поверхностное сопротивление равно сопротивлению квадрата (любых размеров), мысленно выделенного на поверхности материала, если ток проходит через квадрат, от одной его стороны к противоположной.

Его рассчитывают (вОмах) по формуле

r_S = R_S d /L (2.9)

где R_S - поверхностное сопротивление материала между параллельно поставленными электродами шириной d, отстоящими друг от друга на расстоянии L.

 

2.2 Электропроводность газов

 

Проводимость газов мала. Ток в них может возникнуть только при наличии ионов или свободных электронов. Ионизация молекул происходит под действием рентгеновских, ультрафиолетовых и др. лучей, а также сильного нагрева.

Возможно создание электропроводимостиза счет ионов, образующихся в результате соударения свободных электронов и ионов с молекулами газов. Это ударная ионизация.

Предположим, что ионизированный газ находится между двумя плоскими параллельными электродами, к которым приложено электрическое напряжение. Ионы под влиянием напряжения будут перемещаться, и в цепи возникнет ток. Часть ионов будет нейтрализовываться на электродах, часть исчезать за счет рекомбинации.

На начальном участке кривой (до напряжения насыщения U_н), характеризующем зависимость тока в газе от напряжения (рис.2.2) выполняется закон Ома, при этом запас положительных и отрицательных ионов достаточный и его можно считать постоянным. Ток пропорционален напряжению на газовом промежутке. По море возрастания приложенного напряжения ионы уносятся к электродам, не успевая рекомбинировать, и при некотором напряжении все ионы, создаваемые в газовом промежутке, будут разряжаться на электродах. Очевидно, что дальнейшее увеличение напряжения уже не будет вызывать возрастания тока, что соответствует горизонтальному участку кривой на рис. 2.2.

Рис.2.2. Зависимость тока в газах от напряжения

 

При увеличении напряжения ток остается постоянным лишь до тех пор, пока ионизация осуществляется под действием внешних факторов. При возникновении ударной ионизации появляется самостоятельная электропроводность (при напряжении, большем напряжения ионизации U_и), и ток вновь начинает увеличиватьсяс возрастанием напряжения (рис. 2.2). Для воздухаЕ_и » (10⁵¸10⁶⁾ В/м.

 

2.3. Электропроводность жидкостей

 

Очистка жидких диэлектриков от примесей заметно повышает их удельное электрическое сопротивление. При длительном пропускании электрического тока через неполярный жидкий диэлектрик (трансформаторное масло, бензол) также можно наблюдать возрастание электрического сопротивления за счет переноса свободных ионов к электродам (электрическая очистка). В полярной жидкости (совол, дистиллированная вода) электропроводность определяется не только примесями, но иногда и диссоциацией молекул самой жидкости. Ток в жидкости может быть обусловлен как перемещением ионов, так и перемещением относительно крупных заряженных коллоидных частиц.

С увеличением температуры возрастает подвижность ионов любой жидкости из-за уменьшения вязкости и увеличения тепловой диссоциации. Оба эти фактора повышают проводимость, которая определяется по формуле

g = А ехр(-а/т) (2.10)

где А и а - постоянные, характеризующие жидкость;

Рис. 2.3. Зависимость тока от напряженности электрического поля в жидких

диэлектриках

 

На рис. 2.3. представлена зависимость тока от напряженности, электрического поля. В технических жидкостях в отличие от газов (рис.2.2) отсутствует горизонтальный участок.

В коллоидных системах наблюдается молионная электропроводность, при которой носителями заряда являются группы молекул - молионы. При наложении поля молионы приходят в движение, что проявляется как явление электрофореза. Электрофорез отличается от электролиза тем, что при нём не наблюдается образование новых веществ, а лишь меняется относительная концентрация дисперсной фазы в различных слоях жидкости.

 

2.4. Электропроводность твердых тел

 

Электропроводность твердых тел обуславливается передвижением как ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей, а у некоторых материалов может быть вызвана наличием свободных электронов. Электронная электропроводность наиболее заметна при сильных электрических полях. Вид электропроводности устанавливают экспериментально, используя закон Фарадея. Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества. При электронной электропроводности это явление не наблюдается.

В твердых диэлектриках ионного строения электропроводность обусловлена главным образом перемещением ионов, освобождаемых под влиянием флуктуации теплового движения. При низких температурах передвигаются слабо закрепленные ионы, в частности ионы примесей. При высоких температурах освобождаются и некоторые ионы из узлов кристаллической решетки.

Удельную проводимость твердого диэлектрика можно определить по формуле

g=Вехр(-в/т) (2.11)

где В - постоянная, характеризующая диэлектрик; в - коэффициент диэлектрика учитывающий увеличение числа свободных ионов в твердом теле при возрастании температуры. Величина «в» для твердых веществ изменяется в пределах 10000 – 20000⁰К

Температурный коэффициент удельного сопротивления определяется по выражению

ТКr=ar=-в/т²

Поверхностная электропроводность твердых диэлектриков обусловлена присутствием влаги или загрязнений па поверхности. Вода имеет значительную электропроводность. Достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности диэлектрика, чтобы была обнаружена заметная проводимость, определяемая толщиной этого слоя.

Абсорбция влаги на поверхности диэлектрика зависит от относительной влажности окружающего воздуха. Поэтому относительная влажность является важнейшим фактором, определяющим значение удельной поверхностной проводимости диэлектрика. Особенно резкое уменьшение удельного поверхностного сопротивления наблюдается при относительной влажности, превышающей 70-80%.

Удельная поверхностная проводимость тем ниже, чем чище поверхность диэлектрика и чем лучше она отполирована. Наиболее высокое удельное поверхностное сопротивление имеют диэлектрики, поверхность которых не смачивается водой.

 

 

III. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

 

3.1. Физическая сущность диэлектрических потерь

 

Диэлектрическими потерями называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев. Потери в диэлектрике наблюдаются как при постоянном так и при переменном токе, поскольку в материале обнаруживается сквозной ток, обусловленный проводимостью.

Представим диэлектрик к которому приложено напряжение U. Схемы замещения такого диэлектрика (конденсатора) приведена на рис.3.1.

Из курса теоретических основэлектротехники известно, что активная мощность

Р_а = U I cosj,

где U – напряжение; I – ток; j - угол между векторами тока и напряжения.

 

 

Рис.3.1 Векторные диаграммы эквивалентные схемы диэлектрика с потерями:

а - последовательная; б— параллельная

 

Для последовательной схемы можно записать

(3.2)

где tg d=wс_s r_s (3.3)

P En

AK

Рис.8.7. Полупроводниковый диод

 

Эти два слоя разделены слоем собственной электропроводностью. В нем сосредоточен пространственный заряд, положительно заряженных ионов донорной примеси со стороны полупроводника п-типа и отрицательно заряженных электронов акцепторной примеси - со стороны полупроводника р-типа.

Механизм появления пространственного заряда следующий. При создании п-р перехода в одной части полупроводника появляется большая концентрация электронов, а в другой дырок, возникает их диффузия в соседней области. Но уход электронов из п-области нарушает электропроводность этой области; она заряжается положительно за счет положительно заряженных ионов доноров. К этому же приводит приход дырок в п-область. Наоборот, р-область заряжается отрицательно за счет пришедших электронов и не скомпенсированных зарядов акцепторов. Но если две части полупроводника заряжаются, то между ними возникает контактное электрическое поде, направленное от п-области к р-области. Нап­ряженность U этого поля препятствует дальнейшему переходу электронов из п-области в р-область и обратному потоку дырок.

Теперь, если положительный полос внешнего источника напряжения подсоединен к р-области, а отрицательный к п-области, т.е. поле внешнего источника направлено на встречу контактному полю и больше его, то потенциальный барьер исчезает и через полупроводник потечет электрический ток, зависящий от приложенного напряжения (рис. 8.8). Однако, если положительный полюс источника напряжения подсоединен к п-области, а отрицательный к р - области, то внешнее поле совпадает с контактным нолем и увеличивает потенциальным барьер. В этом случае ток очень маленький и не зависит от величины приложенного напряжения,

I_a

U_a

 

Рис. 8.8 Вольт – амперная характеристика силового германиевого вентиля с воздушным охлаждением

Кремний. В настоящее время кремний является основным материалом для изготовления полупроводниковых приборов; диодов, транзисторов, фотоэлементов, тензопреобразователей и твердых схем микроэлектроники. При изготовлении кремния верхний предел рабочих температуры приборов может составлять в зависимости от степени очистки материала 120 - 200°С, что значительно выше, чем для германия.

 

Самостоятельная работа студентов

Необходимо изучить:

- воздействие света на электропроводность полупроводников;

- полупроводниковые химические соединения и материалы на их основе.

IX. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 

9.1. Электромагнитные явления. Классификация веществ по магнитным свойствам

 

В прошлом веке было установлено, что в пространстве вокруг провода с электрическим током возникают магнитные силы, действующие на другие проводники с током и на различные вещества. Особенно большое влияние магнитные силы оказывают на тела, состоящие из железа, стали и некоторых сплавов. Эти силы передаются с помощью материальной среды, которая находится в особом напряденном состоянии и называется магнитным полем.

Магнитное поле всегда создается движущимися электрическими зарядами. Неподвижные заряды не могут создать магнитного поля. Вокруг них, как мы знаем, образуется электростатическое поле. Кроме того, магнитное поле возникает при изменении электрического поля. Само магнитное поле действует только на движущиеся электрические заряды. На неподвижные заряды магнитное поле не влияет.

Магнитное поле обладает способностью проникать через многие вещества – воздух, стекло, бумагу, картон, медь, воду, а также через разреженное (безвоздушное) пространство. Таким образом, вокруг провода с током магнитное поле образуется в любых веществах. По современным физическим воззрениям магнитное поле представляет собой вид материи. Так как магнитное поле действует на различные предметы и может приводить их в движение, то ясно, что оно обладает энергией.

Магнитное поле, возникает при протекании постоянного тока по проводящей среде, графически изображается магнитными силовыми линиями и в каждой точке характеризуется вектором магнитной индукции В, направленным по касательной к линиям поля (рис. 9.1). Направление этого вектора определяется правилом правоходного винта.

Рис. 9.1. Магнитное поле прямолинейного тока

 

Наряду с вектором магнитной индукции В при рассмотрении, магнитного поля пользуется скалярной величиной Ф - потоком вектора, магнитной индукции через некоторую поверхность S (рис. 9.2.)

(9.1)

 

Рис. 9.2. Определение потока вектора магнитной индукции.

 

При однородном магнитном поле, когда для всех точек пространства В= const и его направление перпендикулярно к плоскости S, магнитный поток

Ф = В S (9.2)

Магнитный поток в системе СИ измеряется в веберах (Вб). Эта единица измерения названа в честь немецкого ученого В.Вебера.

Магнитная индукция представляет собой плотность магнитного потока. Если Ф = 1 Вб и S =1 м², то и В будет равна единице. Эта единица измерения магнитной индукции в честь югославского ученого Тесла названа тесла (Тл). Таким образом, 1 Тл = 1 Вб/м²

Для характеристики силы магнитного поля вместо магнитной индукции В часто применяют вспомогательную величину - вектор напряженности магнитного поля Н, совпадающий по

направлению с вектором магнитной индукции и связанной с ним уравнением:

Н = В / m_а

Здесь m_а есть так называемая абсолютная магнитная проницаемость.

Она характеризует магнитные свойства среды, в которой создано магнитное поле.

Если в некоторой области магнитные силовые линии расположены равномерно, то поле в этой области называют однородным. Магнитная индукция В в нем везде одна и тоже. Такое поле возникает внутри тороидальной катушки (рис. 9.3.)

В тороидальной катушке напряженность поля тем больше, чем больше произведение тока I на число витков w чем меньше длина l окружности, вдоль которой выполнена намотка. Иначе говоря, l есть созданная длина силовой линии. Формула для расчета напряженности поля тороидальной катушки имеет следующий вид:

Н = I v / l (9.4)

По этой формуле можно установить единицу напряженности поля. Произведение Iv принято выражать а амперах, так как число витков не имеет размерности. Если произведение Iv равно одному амперу и l равно одному метру, то Н также равно единице, следовательно, напряженность измеряется в амперах на метр (А/м).

Рис. 9.3. Тороидальная катушка

 

Если в магнитное поле, созданное в воздухе или в безвоздушном пространстве, поместить какое-либо тело, то поле будет изменяться. В одних телах магнитный поток получается сильнее, чем в окружающем пространстве. Это так называемые парамагнитные вещества. Другие вещества, наоборот, ослабляют магнитный поток. Они называются диамагнитными.

Величина, показывающая, во сколько раз изменяется магнитный поток в данном веществе по сравнению с магнитным потоком в воздухе, называется относительной магнитной проницаемостью или просто магнитной проницаемостью вещества и обозначается m. Конечно, сравнивать следует магнитные потоки, проходящие через одинаковые площади.

Магнитная проницаемость является важной величиной, характеризующей магнитные свойства различных веществ. Для парамагнитных веществ m > 1, а для диамагнитных -m<1. У большинства диамагнитных парамагнитных веществ m незначительно отличается от единицы. Строго говоря m = 1 только для безвоздушного пространства (вакуум). Однако для воздуха практически можно считать, что m = 1.

Как было указано ранее, магнитные свойства веществ характеризует также абсолютная магнитная проницаемость m_а, связанная с относительной магнитной проницаемостью соотношением:

m_{а =} m_а m_о (9.5)

Здесь m₀ представляет собой абсолютную магнитную проницаемость вакуума (воздуха). Ее называет магнитной постоянной и она равна m₀ = 4210^-7 Ом с/м. Если ввести m₀ в ранее приведенные формулы для основных магнитных величин, то получим:

В = m₀ m Н; Ф = m₀ m Н S (9.6)

Среди парамагнитных веществ особое место занимают ферромагнитные вещества, у которых магнитная проницаемость доходит до сотен, тысяч и выше. К ферромагнитным веществам, имеющим широкое применение в электротехнике относятся, в частности, сталь, никель, кобальт. а также некоторые сплавы.

Значительное увеличение магнитного потоке в ферромагнитных телах объясняется тем, что такие тела под действием внешнего магнитного поля намагничиваются и создают собственное магнитное поле. Оно складывается с намагничивающим полем и результирующее поле становится более сильным.

 

Рис. 8.4. Ферромагнитное вещество в магнитном поле

 

Магнитная индукция результирующего поля В является суммой индукции В₀ внешнего намагничивающего поля и индукции В_внут внутреннего поля, возникающего под действием внешнего поля:

В = В₀ + В_внут (9.7)

На рис. 9.4. показано изменение магнитного поля, когда в него помещен ферромагнетик. Силовые линии поля втягиваются в этот предмет и в нем получается значительно более сильный магнитный поток, нежели в окружающем пространстве.

 

9.2. Природа магнитных свойств материалов

 

Современная физика объясняет магнитные свойства различных веществ следующим образом. Электроны, движущиеся вокруг ядра атома, представляют собой элементарные электрические токи, которые и создают магнитные поля. Если вещество не является ферромагнитным, то в нем элементарные магнитные поля расположены беспорядочно, т.е. имеют различные направления. В таком веществе не создается заметного результирующего поля, а сами внутриатомные магнитные поля во внешнем пространстве практически не обнаруживается.

Пол действием внешнего магнитного поля происходит изменение расположения элементарных магнитных полей. Но у веществ имеющих значение m близкое к единице, такое изменение незначительно. При этом у парамагнитных веществ результирующее магнитное поле элементарных токов складывается с внешним полем. Получается незначительное усиление поля. В диамагнитных веществах, наоборот, результирующее поле элементарных внутриатомных токов направлено навстречу внешнему полю и происходит незначительное ослабление поля. После прекращения влиянии внешнего поля элементарные токи снова располагаются в беспорядке и результирующее внутреннее поле исчезает.

Иные явления наблюдаются в ферромагнитных веществах. При нормальных температурах они имеют кристаллическое строение. Маленькие кристаллы ферромагнитных веществ состоят из отдельных намагниченных, областей, называемых доменами и имеющих размеры около 10^-2-10^{-3 см. В каждом домене магнитные поля атомов расположены в определенном порядке, т.е. имеют одинаковые направления. В не намагниченном теле магнитное поля доменов имеют различные направления (рис. 9.5., а). Под действием внешнего магнитного поля у части атомов, находящихся внутри доменов, магнитные поля поворачиваются и получают направление вдоль внешнего поля. Иначе говоря, домены, имеющие свое поле, почти совпадающие по направлению с внешним полем увеличиваются в размерах за счет соседних доменов (рис. 9.5, б, в). Возникает сильное результирующее поле.}

Чем сильнее внешнее намагничивающее поле, тем болеестрогий порядок наблюдается в расположении элементарных магнитных полей доменов и тем сильнее общий магнитный поток. При достаточно сильном намагничивающем поле магнитные поля всех доменов принимают одинаковое направление (рис. 9.5., в). Дальнейшее увеличение намагничивания становится невозможным. Такое состояние ферромагнитного тела называется магнитным насыщением.

Процесс намагничивания ферромагнитного вещества наглядно отражает кривая намагничивания. Онa показывает зависимость магнитной индукции В oт напряженности намагничивающего поля Н (рис. 9.6.). Как видно, сначала увеличении Н наблюдается быстрый рост магнитного потока (при малых значениях, Н это возрастание происходит несколько медленней), но при некотором значении Н увеличение магнитного потока замедляется и далее почти прекращается, т.е. наступает магнитное насыщение. Наибольшее усиление магнитного потока при насыщении происходит за счет того, что растет внешнее намагничивающее поле.

 

 

Рис. 9.5. Схема ориентации спинов в доменах при намагничивании ферромагнетика

B

 

 

H

 

Рис. 9.1. Кривая намагничивания ферромагнитного вещества

Из рассмотренной кривой намагничивания можно сделать вывод, что магнитная проницаемость у ферромагнитных веществ не является постоянной и зависит от Н. Действительно, магнитная проницаемость m=В/m₀Н могла бы оставаться постоянной только тогда, когда величина В изменялась бы пропорционально, т.е. если бы кривая намагничивания представляла собою прямую линию, проходящую через начало координат. Кривая намагничивания показывает, что В изменяется не пропорционально Н, поэтому m при возрастании Н сначала растет, а при переходе к магнитному насыщению она уменьшается (рис.9.7).

m

 

 

 

H

Рис. 9.7. Зависимость магнитной проницаемости от напряженности намагничивающего поля

 

Монокристаллы ферромагнитных веществ характеризуются магнитной анизотропией, выражающейся в различной легкости намагничивания вдоль разных осей. Основными ферромагнитными элементами являются железо, никель и кобольт. Направлением легкого намагничивания для ячейки монокристалла железа будет ребро куба, а наиболее трудного - диагональ.

Для ячейки никеля направление вдоль ребра куба будет соответствовать, наоборот, направлению трудного намагничивания. В тех случаях, когда анизотропия в поликристаллических магнетиках выражена достаточна резко, принято говорить, что ферромагнетик обладает магнитной текстурой. Получение заданной магнитной текстуры имеет большое значение и используется в технике для создания в определенном направлении повышенных магнитных характеристик материала.

При намагничивании ферромагнитных монокристаллов наблюдается изменение их линейных размеров. Это явление называется магнитострикцией. Магнитострикция монокристалла железа различна для различных направлений. Монокристалл железа, намагниченный в направлении ребра куба, удлиняется в направлении диагонали, т.е. сжимается в направлении намагничивания. Магнитострикция наблюдается и у поликристаллических материалов. Из трех основных ферромагнитных материалов наибольшей магнитострикцией обладает никель (рис.9.9.). Знак магнитострикционной деформации у различных материалов может быть как положительным (растяжение в направле