Диаграмма состояния – график, отражающий зависимость фазового состава от температури и концентрации компонентов. Температуру указывают по оси ординат, концентраци по оси абцисс

При охлаждении чистого металла, как и при охлаждении воды на графике изменения T во времени (рис 2)

Горизонтальный участок, обусловленный кристаллизацией при T_{плавления} (1 и 6 кривые). При охлаждении сплава првые кристаллы появляются при температуре…

Здесь ACD - линия начала кристаллизации сплавов (линия ликвидус); AECF - линия окончания кристаллизации сплавов (линия солидус), PSK- линия перлитного или эвтектоидного превращения (соответствует температуре перестройки решетки при охлаждении А, содержащего 0,8 % С); GS - линия превращения А в Ф при охлаждении (зависимость температуры перестройки кристаллической решетки от концентрации С в А); SЕ - линия предельной растворимости С в А (зависимость растворимости С в Fe от температуры).

§3 Классификация электротехнических метериалов.

ЭТМ – материалы, исполуемые в электротехнике, в частности в электронной и радио технике.

Их классифицирут по поведению с электрическом иди магнитном поле.

3.1 Классификация ЭТМ по поведению в магнитном поле.

Клоссификация ЭТМ по поведеню магнитном поле ведут по значению относительной магнитной проницаемости

, где В – магнитная индукция

Н- напряженность магнитного поля

m₀ – магнитная постоянная

Слабомагнитные материалы (m»1):

1. Диамагнетики

2. Парамагенитки

3. Антиферромагнетики

Диамагнетики – вещества с m<1, которые не зависит от напряженности магнитного поля. Зависимомть m от T слабая. Внешним проявление диамагнетика является выталкивание его из неоднородного магнитного поля.К диамагеникам относяться медь, серебро, цинк, золото, водород и инертные газы. Для Сu m=0,999995

Парамагнетики – вещества с m³1, которое не зависит от напряженности магнитного поля. Зависимомть m от T сильная. К ним относяться платинум, алюминий, кислород, воздух(m=1,000003) , оксид азота и тд

Антиферромагнетики - вещества с m³1, и сильно зависящие от напряженности магнитного поля. Зависимомть m от T сильная. При нагревании антиферромагнетики фазовый переход в парамагнитные состояния. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца, оксидов редкоземельных элементов (элементы с номерами 57-71)

В диамагнетке внешнее магнитное поле ослабляется, а в парамагнетике и антиферромагнетике усиливается магнитными моментами атомов.

Магнитный момент атомов - образуется геометрически из магнитных моментов всех его электронов.

Магнитный момент электрона состоит из мангитных моментов, обусловленных вращением вокруг ядра и вокруг собственной оси. Первый из них называется орбитальным, а второй спиновым магнитным моментом.

Сильномагнитные материалы m>>1 или магеники – вещества m которых в большей степени зависит от напряженности магнитного поля и температуры. В кристаллах магнетика существуют области (домены) и в домене магнитные моменты атомов параллельныдруг другу и создают магнитный момент домена .

При отсутствии внешнего магнитного поля домены магнитных моментов отдельных атомов различны при наложении внешнего магнитного поля происходит постепенный рост числа доменов, намагниченность которых совпадает с внешним полем или близка к направлению внешнего поля. Когда все магнитные моменты доменов сорентированы по полю, то наступает магнитное насыщение .

По удельному сопротивлению магнетикиделят на

1. Ферромагнетики (железо, никель, кобальт и их сплавы)

2. Ферримагеники (ферриты r>r_Fe d 10⁶-10¹¹ раз)

Феррит – это соединение оксида железа с оксидом другого метеалла (ВаО*6Fe₂O₃ – барриевый феррит)

Достоинства ферритов : У них из-за высокого r потери на вихревые токи в высокочастотных электромагнитных полях(10⁸ Гц) малы.

Первые ферриты появились в конце 70-х. Зависимость магнитной индукции В от напряженности Н при цикличном намагничивании образует петлю.

Петля Гистерезиса:

1 - Кривая намагничивания

2-3 Петля Гистерезиса

Площадь петли характеризует потери энергии за 1 цикл перемагничивания на необратимое смещение градиц доменов и др процессы. Значение В_r при Н=0 называется остаточной нидкуцией. З начение Н_с при В=0 – коэрцетивная (заднрживающая ) сила.

По величине Н_с магеники делят на:

1. магнтомягкие Н_с<800 A/м

2. магнитотвердые Н_с>4 к A/м

Помимо них бывают еще магнитные материалы спциального назначения.

3.2 Сильно магнитные материалы.

Типичные виды магнитомягких материалов:

1. Технически чистое железо (сплав Fe и C 0,05%)

2. Электротехническая сталь (сплав Fe и C<0,8% и кремния 0,5%) Количество Si определяет удельное сопротивление стали.

3. Пермаллой – сплав Fe c никелем < 80% или Fe C Ni c Co и с добавьением малибдена, хрома и других элементов.

Из чистого железа, электротехнической стали, пермаллоя делают сердечники магнитов и трансфориаторов.

4. Магнитдиэлектрик – диэлектрик с внедрением в него частиц мягкомагнитного материала

5. Ферриты, например марганцево – цинковые. Их, как и магнитодиэлектрики испльзуют на высоких частотах тк вихревые токи в них малы

6. Альсифер (Al 6% Si 10% Fe) по магнитным свойствам не уступают пермаллою, хотя и не содержат диффицитных материалов (Ni Co малибден). Из него делают частицы магнитодиэлектрика. Извесны следующие магнитотвердые материалы, используемые как постоянные магниты:

1) мантрситная сталь, которая содержит добавки хрома, вольфрама, кобальта (для ее получения необходимо быстрое охлаждение)

2) сплав Кунифе (50% Сu 20% Ni 20% Fe)

сплав Кунико (50% Сu 21% Ni 20% Сo)

3) магнитодиэлектрик – диэлектрик с частицами магниттвердого материала, его наносят например на ленту для записи информации.

4) Магнитотвердые ферриты (бариевый ферит BaO6Fe₂O₃)

Магнетики специального назначения делят на 6 групп

1) сплавы с высокой магнитострикцией (сильная деформация в магнитном поле)

Например 54%Pl ;46%Fe или 50%Co и 50%Fe

Чистый никель и его сплавы имеют высокую магнитострикцию, используемую в генераторах звуковых колебаний.

2) Сплавы, отличающиеся незначительным изменением магнитной проницаемости n при изменении напряженности магнитного поля H. Например : сплав железа, никеля и алюминия.

3) Сплавы с сильной зависимостью магнитной проницаемости n от T(термомагнитные сплавы). Например, из сплава 70% никеля и 30% купрума делают сопротивление для компенсации температурной погрешности.

4) Магнитные пленки и монокристаллы со спецефическими доменными структурами. Перемещение полосовых доменов под воздействием внешнего поля используется в управляемых магнитным полем дифракционных решетках.

5) Магнитная жидкость. На рис. Приведена схема магнито-жидкосного герметезатора.

М/у разделяемыми областями А и В есть 2 магнитных диска 1. Один из них заострен. М/у дисками установлен постоянный колцевой магнит 2, намагниченный в осевом направлении. Тк гермитизированный вад 3 изготовлен из магнитного материала, то образуется магнитная цепь, которая замыкает магнитный поток 4. Магнитная жидкость 5 втянута в обасть самого сильного магнитного поля те в зазор м/у валом и заостренной кромкой одного из дисков 1. Они образуют кольцо, разделяющее области А и В

6) Магнто-оптические материалы.

Например для записи лазером, изменяющие магнитные свойства компакт дика при записи.

3.3 Классификация по поведению в магнитном поле.

Каждой орбите электрона твердого тела соответствуетсвое значение энергии. W – энергетический уровень. Из-за притяжения ядра электроны полностью заполняют нижние энергетические уровни те орбиты ближайшие к ядру, а верхние энергтические уровни остаются свободныим(см рис).

Зонная диаграмма.

I – зона проводимости

II – запрешенная зона

III – валентная зона

· - электрон

1 – уровни возбужденного состояния электрона

2 – нормальные уровни

Энергетические уровни, заполненние эектронаминазывают валентной зоной (III). Что бы вырвать электрон из этой зоны и вовлечь его в поток зарядов, необходимо сообщить электрону энергию, те перевести в зону проводимости(в свободную зону I).

Энергетическуюцель м/у валентной зоной и зоной проводимости называют запрещенной зоной D W (зона II). В зависимости от значений r, a_r , D W веществ при атомном давлении делят на проводники, полупроводники и диэлектрики.

r [Ом*м] – удельное электрическое сопротивление.

a_r = - температурный коэфициент удельного сопротивления

- удельная электрическая проводимость

Один и тот же материал в зависимости от условий его использования может являться и проводником и полупроводником и диэлектриком. Например, металлы, являющиеся в твердом состоянии проводниками, оказываютс ядиэлектриками в газообразном.

§4 Диэлектрики.

Диэлектрики – материалы с удельным сопротивлением r³10⁸ Ом*м при t=20ºC и нормальном атмосферном давлении. Важным свойством диэлектрика является его способность к поляризации.

Поляризация – процесс ограниченногосмещения или ориентации связанных электрических зарядов в теле под действием электрического поля, который происходит в объеме и сопровождается появлением зарядов на поверхности материала у электронодов (см рис)

Расположение зарядов в поляризованном диэлектрике плоского конденсатора

При этом образец пиобретает полярность. Отсюда термин – поляризация. На практике мерой поляризации служит относительная диэлектрическая проницаемомть , где С и С₀ – емкости кондесатора с диэлектриком и без него соответственно. E_A – абсолютная проницаемость дилектрика E₀ – диэлектрическая проницаемость вакуума.

При нормальных условиях у твердых образцов с неполярными молекулами (неполярными диэлектриками)

E = 2- 5, а у полярных диэлектриков E = 10-40

Диэлектрики делят на пассивные и активные:

Пассивные диэлектрики сохраняют свои свойства при внешних воздействиях

Активные сильно меняют свои свойства.

Пассивные диэлектрики используют в качестве электрической изоляции в обычных конденсаторах. Электрическая изоляция препятствует прохождению тока нежелательным путем.

Широко примееняют следующие активные диэлектрики :

1. Пъезоэлектрики – Значение их E сильно зависит от механических напряжений (например кристаллический кварц). Пьезоэлектрики используют для стабилизаторов частоты, фильтров с высокой избирательной способностью

2. Пироэлектрики – Значение их E сильно зависит от температуры(например LiNbO₃). Использут в датчиках температуры.

3. Сегнетоэлектрики – Значение E сильно зависит от напряженности электрического поля, что используют в варикондах (переменных емкостях). Наличие петли Гистерезиса в переменном электрическом поле – основное свойство сигнетоэлектриков, отличающее их от других классов диэлектриков (Титонат бария BaTiO₃ и материалы на его основе). Поляризованные сигонтоэлектрики используют в качестве пъезоэлектриков.

Зависимость заряда q отнапряжения U и электрической проницаемости E от температуры T сигнетоэлектрика.

Точка B соответсткует насыщению – вседлины ориентированны по полю. Важным параметром сигнетоэлектрика является точка Кюри T_k - температура, при которой диэлектрическая проницаемость E мксимальна.

4. Электреты – электрические аналоги постоянных магнитов – десятки лет сохраняют постоянный заряд, создающий в окружающем пространстве электричесое поле. Один из способов их получения – “бомбардировка” заряженными частицами поверхности диэлектрика.

5. Жидкие кристаллы – органические жидкости с сильно вытянутыми нитевидными молекулами, одинаково ориентированными. Внешнее электричекое поле меняет направление их ориентации и тем самым прохрачность жидкого кристалла, часто используют в индикаторах.

6. Лазерные диэлектрики с резонаторми генерируют когерентное излучение, при этом возбужденные атомы теряют энергию те электроны переходят с верхнего энергетического уровня на нижний. Например твердый диэлектрик лазера (ZnO,Al₂O₃, SiO₂ и др)должен быть прозрачным на частоте возбуждения генерации, оптически однородным, твердым для тщательной полировки и обладать высокой проводимостью.

4.1 Виды поляризации.

Существуют 4 основных вида поляризации:

Электронная поляризация, ионная, дипольная, спантанная.

1. Электронная – упругое смещение электронов в атомах и ионах(см рис)

Орбиты электрона в атоме водорода: 1 - в электронном поле, 2 – при отсутствии внешнего поля ъ

Такая поляризация есть во всех материалах, а поляризации других видов добавляются к электонной. Она происходит быстро (t=10^-14 – 10^-15) и поэтому не зависит от частоты изменения электрического поля до тех пор, пока время поляризации не соизмерима с периодом изменения электрического поля (f = 10^-14 – 10^-15Гц)

Зависимость диэлектрической проницаемости E от частоты электрического поля f

При нагревании плотность падает, уменьшается число атомов в единице объема в следствии чего поляризация ослабевает.

Зависимость E(T) для вещества сэлектронной (а) и ионной(б) поляризацией

1 – вещество в твердом состоянии

2 – вжидком

3 – в газообразном

Значение E веществ, имеющих электронную поляризацию (неполярные диэлектрики, например - полистирол ), численно равно квадрату показателя преломления света

Согласно теории Максвелла скорость света (электромагнитной волны) в пустоте

Где E₀ и m₀ – электрическая и магнитная постоянные.

Скорость электромагнитной волны в веществе V= . Отношение - показатель преломления n, следовательно, n= . В связи с тем, что большинство диэлектриков материалы немагнитные и для них m»1, то n²=E.

2. Ионная поляризация – смещение ионов в узлах кристаллической решетки электрическим полем за время t=10^-12 – 10^-13 (ионы тяжелее электронов). Она не зависит от частоты до f=10¹²-10¹³Гц.

С ростом температуры расстояние м/у ионами увеличивается из-за теплового расширения, хмимические связи ослабляются. Ионы легче смешиваются, поэтому поляризация ионных диэлектриков растет вместе с температурой.

К диэлектрикам с ионной поляризацией относят слюду.

Электронная и ионная поляризации – это быстрый сдвиг зарядов, независящий от частоты электрического поля до частоты f. Потери энергии при этом пренебрежимо малы.

3. Дипольная (ориентационная) поляризация – поворот диполей, находящихся в хаотическом тепловом движении электрическим полем за время 10^-6-10^-8 сек. Дипольную поляризацию, ноаборот, наблюдают в полярных диэлектриках (в воде, канифоле и др) Она сопровождается потерями энергии на преодоление трения при повороте диполей, что приводит к нагреву диэлектрика

При частоте10⁶-10⁸ Гц диполи не успевают ориентироваться по полю и остается только электронная поляризация. Зависимость дипольной поляризации от температуры см на рисунке.

При низких темпераурах вязкость вещества велика. Диполи неподвижны и электрическая прницаемость обусловлена электронной поляризацией. С увеличением температуры вязкости уменьшается, и диполи начинают поворачиваться, приводя к росту E. При темперауре выше температуры плавления тепловое движение мешает ориентации диполей и E снижается. Часто строят зависимость Е от дух факторов: частоты и температуры(рис 5б). После снятия электрического поля ориентация диполей ослабевает по экспоненте из-за теплового движения.

4. Спонтанную поляризацию наблюдают в веществах, называемых сигнетоэлектриками(по названию сигнетовой соли, первого вещества, в котором была обнаружена эта поляризация), например в титанате бария и титанате стронция.Как правило, в кристаллах сигнетиков, как и в кристаллах магнетиков есть домены. В одном домене все диполи ориентированы одинаково и создают электр. момент домена. В силу этого электрические моменты различных доменов не совпадают по направлению. При воздействии внешнего электрического поля эл. Моменты доменов постепенно ориентруются в направлении поля, что создает поляризацию до 100тыс.

4.2 Электропроводность диэлектриков.

Электопроводность твердого диэлектрика обусловлена движением свободных электронов, а так же движением ионов из узлов решетки (собственная или высокотемпературная электроповодность) или ионов примесей в диэлектриках с ковалентной связью (примесная электропроводность).

В отличье от электронной ионная теплопроводность, например, в органческих полимерах сопровождается переносом вещества. В этом случае удельную проводимость находят по формуле

, где Ai и Bi – коэфициены для каждого типа ионов в донном диэлектрике.

По мере изменения температуры в этой формуле приволибуют отдельные слагаемые, позволяющие пренеюрегать остальными. Поэтому зависимость log от 1/T можно минеаризировать, например, двумя прямыми.

Отрезок стева от (.) O справедлив для высокотемпературной или собственной проводимости; Отрезок справа от (.) O справедлив для низкотемпературной или примесной проводимости. Участок собственной проводимости воспроизводим для данногосоединения. Участок примесной проводимости зависит от концентрации примесей: чем больше концентрация, тем выше проводимость при тех же температурах.

После подачи на диэлектрик постоянного напряжения прибор фиксирует выпадающий ток , называемый током утечки.

Изменение тока утечки во времени после подачи посточнного напряжения на диэлектрики.