Милливольтметр показывает величину напряжения поперечной ЭДС

(8.2.)

где I - ток; В - магнитная индукция; h - толщина пластины; х - коэффицент Холла.

На этой же установке можно определить и значение коэффициента Холла.

 

8.4.-Воздействие внешних факторов на электропроводности полупроводников

 

Температурная зависимость концентрации носителей заряда. Концентрация носителей в полупроводнике, например п-типа зависит от температуры и концентрации примесей (рис. 8.4). В области низких температур участок нижней ломанной между точками а - б характеризует только концентрацию носителей, обусловленную примесями. Наклон прямой на этом участке определяется энергией активации примесей. С увеличением температуры число носителей, поставляемых примесями, возрастает до тех пор, пока не истощатся электронные ресурсы примесных атомов (точка 6). На участке б - в примеси уже истощены, а электроны еще не переходят через запрещенную зону. Участок кривой с постоянной концентрацией носителей заряда называют областью истечения примесей. Дальнейший рост температуры приводит к быстрому росту концентрации носителей вследствие перехода Электронов через запрещенную зону (участок в - и). Наклон этого участка характеризует ширину запрещенной зоны полупроводника W.

ln n

и

 

в

б

а 1/ T

 

Рис. 8.4. Зависимость концентрации носителей заряда в полупроводнике от температуры.

 

С увеличением концентрации примесей в полупроводнике ломаная линия а – б - в несколько повышается.

Температурная зависимость подвижности носителей зарядов. Согласно экспериментальным данным у некоторых полупроводников и диэлектриков - веществ со значительно меньшей удельной проводимостью чем металлы, подвижность носителей мотет быть на несколько порядков больше, т.е. электроны в плохо проводящих кристаллах могут двигаться более свободно, чем в металлах. Подвижность носителей заряда

(8.3)

Большая подвижность может быть обусловлена малой эффективной массой носителя заряда m^* и большим временем свободного пробега или, точнее, временем релаксации t₀. В полупроводниках эффективная масса носителей заряда может быть как больше, так и меньше массы свободного электрона. Время релаксации, характеризующее спадение тока после снятия поля, обуславливается, процесссами рассеяния движущихся в полупроводниках электронов.

Причины рассеяния носителей заряда в полупроводниках влияющих на температурную зависимость подвижности, является;

- тепловые колебания атомов или ионов кристаллической решетки;

- примеси;

- всевозможные дефекты решетки (пустые узлы искажения, вызванные атомами внедрения; дислокации, трещины и т.д.).

Чем больше частота столкновений и чем они интенсивнее, тем меньше t₀, а, следовательно, и подвижность.

Температурная зависимость удельной проводимости полупроводников. Рассмотрев влияние температуры на концентрацию и подвижность носителей заряда; можно представить и характер изменения удельной проводимости при изменении температуры. В полупроводниках с атомной решеткой (а также в ионных кристаллах при повышенных температурах) подвижность меняется при изменении температуры сравнительно слабо (по степенному закону), а концентрация - очень сильно (по экспоненциальному закону). Поэтому температурная зависимость удельной проводимости подобна температурной зависимости концентрации. В области истощения (концентрация постоянна) изменение удельной проводимости обусловлено температурной зависимостью подвижности.

Температурная зависимость удельной проводимости полупроводника есть результат изменения концентрации и подвижности носителей заряда (рис. 8.5). В области низких температур полупроводник характеризуется примесной электропроводимостью, а в области высоких температур – собственной электропроводностью. В области примесной электропроводности приведены две кривые для различных значений концентрации примесей n₁ и n_2.

ln, g

 

 

n₂

n₁

1/ T

 

Рис. 8,5. Кривые зависимости удельной проводимости полупроводника от температуры при различных концентрациях носителей (n₁<n₂)

Математическое выражение для определения температурной зависимости полупроводников имеет вид;

J = A exp (-W/2KT), (8.4)

где К - постоянная Больцмана; W - энергия активации; А - постоянная величина, характерная для данного полупроводника.

Влияние деформации на электропроводность полупроводника. Электропроводность твердых кристаллических тел изменяется при деформации вследствие увеличения или уменьшения (растяжение, сжатие) межатомных расстояний, приводящих к изменению концентрации и подвижности носителей. Концентрация носителей заряда может стать меньше или больше вследствие изменения ширины энергетических зон кристалла и смещения примесных уровней, что в свою очередь изменяет энергию активации носителей и изменяет их эффективные массы, входящие в выражение концентрации носителей заряда. Подвижность носителей заряда меняется из-за уменьшения (увеличения) амплитуды колебаний атомов при их сближении (удалении). Для металлов основным является изменение подвижности, а для полупроводников изменение концентрации носителей заряда, определяемое энергией активации. Ширина запрещенной зоны может, как увеличиваться, так и уменьшаться при сближении атомов у различных полупроводников одна и та же деформация может вызывать как увеличение, так и уменьшение удельной

проводимости. 46

Величиной, численно характеризующей изменение удельной проводимости (удельного сопротивления) полупроводников при определенном виде деформации, является тензочувствительность

(8.5)

которая представляет собой отношение относительного изменения удельного сопротивления полупроводника к относительной деформации в данном направлении.

 

Влияние сильных электрических полей на электропроводность полупроводников.

Электропроводность полупроводников зависит от напряженности электрического поля. Как видно из рис. 8.6 при низких значениях напряженности поля (до некоторого критическою значения Ек) соблюдается закон Ома, и удельная проводимость не зависит от напряженности поля, а при более высоких напряженностях поля начинается интенсивный рост удельной проводимости по экспоненциальному закону, приводящий к разрушению структуры полупроводника. С ростом температуры кривая удельной проводимости перемещается вверх, а наклон возвышающей части становится меньше. Для полупроводников зависимость удельной проводимости от напряженности поля описывается выражением

g_е = ехр (b/ ), (8.6)

где g - удельная проводимость полупроводника при Е < Ек; b - коэффициент характеризующий полупроводник Возрастание проводимости обусловлено ростом числа носителей заряда, так как под влиянием поля они легче освобождаются тепловым возбуждением. При дальнейшем росте поля может появитяся механизм ударной ионизации, иногда приводящий к разрушению структуры полупроводника.

g_Е

т₂

 

т₁

 

Е

 

Рис.8.6. Зависимость удельной проводимости полупроводники от напряженности электрического поля при различной температуре окружающей среды (Т₁< Т₂ )

 

8.5. Полупроводниковые материалы

Девять элементов из таблицы Д.И. Менделеева обладают свойствами полупроводников Исторически элемент германий определил научно-техническую революцию в полупроводниковой электронике, однако кремний быстро завоевал первое место в дискретных приборах, микросхемах и т.д.

Германий. В зависимости от примеси может обеспечить электро­проводность типа п и типа р. Применяется для изготовления полупроводниковых диодов, тиристоров, и т.д., которые широко применяются в преобразовательной технике.

Полупроводниковый диод (рис.8.7) представляет собой двухслойную структуру, которая образуется в одном кристалле. Один слой имеет электропроводность п-типа, а другой р-типа.

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 направлении поля), так и отрицательным. Изменение знака может наблюдаться также у одного и того же материала (например, железа) при изменении магнитного поля.

 

Рис. 9.9. Кривые магнитострикционной деформации никеля по трем направлениям в кристалле

 

Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов зависит от температуры (pис. 9.10). Максимальная относительная магнитная проницаемость m достигается, при температурах близких к температуре (точке) Кюри. Для чистого железа точка Кюри составляет 708 °С, для никеля 318 °С и т.д. При температурах выше указанных области спонтанного намагничивания нарушаются тепловым движением и магнитный материал перестает быть магнитным.

 

m

 

T,⁰ С

 

Рис.. 9.10. Типичная зависимость относительной магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от температуры

 

Для характеристики изменения магнитной проницаемости при изменении температуры пользуются температурным коэффициентом магнитной проницаемости (К^-1)

(9.8.) 53

где t - температура, °К.

Если ферромагнитное тело намагничивать с помощью внешнего магнитного поля, а затем уменьшать напряженность этого поля до нуля, то тело размагничивается не полностью. В нем обнаруживается остаточный магнетизм. Это объясняется тем, что не все домены под влиянием имеющегося в каждой тела теплового движения возвращаются к беспорядочному состоянию.

Остаточный магнетизм может быть показан с помощью кривой намагничивания (рис.9.11). Если тело вначале не было намагничено, то при возрастании Н магнитная индукция В изменяется по кривой ОА. Пусть теперь Н уменьшатся. Тогда магнитная индукция будет изменяться не по той же кривой ОА, а по кривой АБ, которая расположена выше ОА. Изменение магнитной индукции отстает от изменения намагничивающего поля. Такое отставание называется магнитным гистерезисом.

 

 

рис.9.11 Кривая намагничивания

 

При уменьшении Н до нуля сохраняется некоторая остаточная магнитная индукция Во (отрезок ОБ). Она характеризует остаточный магнетизм. Чтобы полностью размагнитить тело, т.е. добиться В=0, нужно приложить внешнее магнитное поле обратного направления. Тогда при некотором отрицательном значении мы получим В=0. Величину Hс (отрезок ОГ) называют задерживающей или коэрцитивной силой. Если продолжать намагничивать тело, то можно довести его до насыщения (точка Д), а при уменьшении Н опять наблюдается гистерезис. Кривая размагничивая ДЕ не совпадает с кривой намагничивания ГД. При Н=0 снова наблюдаем остаточный магнетизм (отрезок ОЕ), и для его уничтожения необходимо иметь Н, соответствующее отрезку ОЖ.

Мощность потери на гистерезис определяет по формуле

Р_н = h Вⁿ_макс f V, (9.9)

где h - коэффициент, зависящий от материала; n – показатель степени; f - частота тока; V- объем ферромагнетика.

Мощность, расходуемую на вихревые токи, можно вычислить по формуле

Р_f = xВ²_максf ² V (9.10)

где x коэффициент, зависящий от ферромагнетика, а (в частности, от его удельного сопротивления) и его формы.

Поскольку Р_f зависит от второй степени частоты, а Р_н от первой степени, при высоких частотах приходится учитывать в первую очередь величину Р_f т.е. потери на вихревые токи. Потери, связанные с магнитным последствием, приходится учитывать при использовании ферромагнетиков в импульсных режимах.

В цепях переменного тока рассеяние мощности в катушках индуктивности иногда оценивают тангенсом угла магнитных потерь. Тороидальную катушку индуктивности с сердечником из магнитного материала, собственной емкостью и сопротивлением обмотки которой можно пренебречь, представим в виде схемы, состоящей из последовательно соединенных индуктивностей L и сопротивления r₁, эквивалентного всем видам потерь в магнетике (рис. 9.12); для этого случая из векторной диаграммы получим

I

L R U

U_R

 

U U_L

Рис. 9.12. Эквивалентная схема замещения и векторная диаграмма катушки индуктивности с магнитным сердечником

 

 

9.3. Магнитомягкие материалы

 

К магнитомягким материалам, относятся железо, мягкая (незакаленная) сталь, а также ряд других материалов» которые легко намагничиваются. В них можно получить высокие значения магнитной индукции при сравнительно небольших напряженностях намагничивающего поля. Но зато они легко размагничиваются, и поэтому в них наблюдается очень небольшой остаточный магнетизм,

Магнитомягкие материалы используются в качестве сердечников трансформаторов, электромагнитов, в измерительных приборах и в других случаях, где необходимо при наименьшей затрате энергии достигнуть наибольшей индукции. Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах использует магнитомягкие материалы с повышенным удельным электрическим сопротивлением, обычно применяются магнитопроводы, собранные из отдельных изолированных друг от друга тонких листов.

Наиболее распространенным магнитомягким материалом в электротехнике является электротехническая сталь.

Сталь электротехническую тонколистовую подразделяют и маркируют:

а) по структурному состоянию и виду прокатки на классы(первая цифра марки): 1 - горячекатаная изотропная, 2 - холоднокатаная изотопная, 3 - холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой.

б) по содержанию кремния (вторая цифра марки);

в) по основной нормируемой характеристике на группы (третья цифра) - удельные потери.

Сталь маркируется четырьмя цифрами, вместе первые три цифры означают тип стали; четвертая - порядковый номер типа стали. Например, марка стали 2013: электротехническая холоднокатаная сталь класса 2; содержания кремния не более 0,4%; удельные потери при 1,5 Тл и 50 Гц Р_1,5/50=7Вт/кг; порядковый номер типа стали -3 [1].

Магнитомягкие материалы применяются также для защиты от действия магнитного поля, т.е. для изготовления магнитных экранов. Когда нужно какой-либо прибор защитить от внешнего магнитного поля, то этот прибор заключают в экран из магнитомягкого материала (рис. 9.13). Подобный экран втягивает в себя магнитные силовые линии, которые проходят по экрану и почти не попадают в пространство внутри него. Поэтому внутри экрана поле получается весьма ослабленным.

 

 

 

Рис. 9.13. Ферромагнитный экран для защиты от магнитного поля.

 

Магнитный экран может также устранить влияние магнита или электромагнита на окружающие предметы. Для этого источник магнитного поля окружают ферромагнитным экраном. Тогда магнитный поток проходит по экрану и почти не проникает во внешнее пространство за пределами экрана (рис. 9.13, б). Практически магнитные экраны делают из мягкой листовой стали.

 

9.4. Магнитотвердые материалы

 

Магнитотвердые материалы намагнитить труднее. К ним относятся закаленная сталь и стальные сплавы, содержание вольфрам, хром, молибден, алюминий, никель, кобальт и другие материалы. Для ихнамагничивания необходимо значительно более сильное поле, но зато они

характеризуются большей коэрцитивной силой, т.е. их труднее размагнитить. В таких материалах может существовать большой остаточный магнетизм, нa рис. 9.14. показаны для сравнения гистерезисные петли магнитомягкого (кривая 1) и магнитотвердого (кривая 2) материалов.

Для изготовления сильных постоянных магнитов в настоящее время используются особые сорта стали, содержащие значительное количество примесей других металлов. К ним относится, например, алюминиево-никелевая сталь, называемая альни. Сплав альни с кобальтом получил название альнико. Применяется также сплав альни с кремнием, называемый альниси, и сплав железа, никеля, алюминия, кобальта и меди - магнико. Магниты из этих сплавов во много раз легче, чем магниты из обычной стали.

 

 

 

Рис. 9.14. Петли гистерезиса магнитомягкого (кривая 1) и магнитотвердого (кривая 2) материалов

Сплавы для постоянных магнитов характеризуются большой коэрцитивной силой Нс и большой остаточной магнитной индукцией В₀.

В последнее время применяются также металлокерамические постоянные магниты. Их изготавливают путем спекания или прессования с последующим отжигом некоторых ферромагнитных порошков.

Постоянные магниты размагничиваются от ударов и толчков, так как при этом нарушается правильный порядок в расположении магнитных полей доменов, Ферромагнитные тела размагничиваются также при нагревании вследствие того, что тепловое движение приводит к нарушению упорядоченного состояния доменов. При высокой температуре кристаллическая структура стали и других ферромагнитных веществ разрушается, и эти вещества вообще не могут быть намагничены. Для сохранения постоянных магнитов в течение долгого времени необхо­димо, чтобы их магнитный поток не рассеивался в воздухе. С этой целью прихранении магнита полюса замыкают каким-либо предметом из мягкой стали (якорем).

 

Самостоятельная работа студентов

 

Необходимо изучить основные характеристики, состав и область применения следующих материалов:

- магнитомягкие материалы: низкоуглеродистая сталь, особо чистое железо, кремнистая электротехническая сталь, пермаллой, альсиферы;

- материалы специального назначения: ферромагнеты, ферриты, магнитодиэлектрики;

- магнитотвердые материалы: легированные мартенситные стали, литые магнитотвердые сплавы, магниты из порошков, магнитотвердые ферриты.

ЛИТЕРАТУРА

 

 

1. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. – Л.: Энергоатомиздат, 1988.- 304с.

2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. –М.: Металлургия.– 516с.

3. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники.–М.: Высшая школа, 1986.–377с.

4. Сальников В.Г. Электротехнические материалы: монография. –Экибастуз; ЭВТУЗ, 1995.

5. Сальников В.Г. Конспект лекций по курсу «Электротехнические материалы». Учебное пособие. – Павлодар, КазГТУ, 1993. –85с.

6. Справочник по электротехническим материалам. Том 1-3. Под ред. Корицкого Ю.В., Пасынкова В.В., Тареева Б.М. –М.: Энергия, 1984.

7. Стефанов В.С. Электротехнические материалы. Методические указания и контрольные задания. – М.: ВЗПИ, 1988. –43с.