Учебное пособие по материалке от Дистанционщиков (540408), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Пироэлектрический эффект состоит в измененииполяризованности диэлектриков при изменении температуры.спонтаннойВопрос. Чем отличаются пироэлектрики от сегнетоэлектриков?Ответ.Пироэлектрикиспонтаннополяризованы,новотличиеотсегнетоэлектриков направление их поляризации не может быть изменено внешнимэлектрическим полем.136Вопрос. Какие области применения пироэлектриков?Ответ.
При изменении температуры спонтанная поляризованность изменяется,что приводит к освобождению некоторого заряда на поверхности пироэлектрика,благодаря чему в замкнутой цепи возникает электрический ток. Пироэффектиспользуется для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии,предназначенных, в частности, для регистрации инфракрасного и СВЧ-излучения.137Магнитные материалыМагнитные свойства веществаНамагниченность любого вещества в магнитном поле J можно определить какотношение суммарного магнитного момента M материала к единичному объему V:J = M V.Намагниченность зависит от намагничивающего поляJ = kмH, А/ мгде kм - магнитная восприимчивость - безразмерная величина, характеризующаяспособность к намагничиванию данного вещества.Магнитная индукция B является основным параметром магнитного материала:B = µ 0 H + µ 0 J = µ 0 H (1 + k M ) = µ 0 µH.-7где µ0=4π 10проницаемость.Гн/м - магнитная постоянная, µ=1+kM - относительная магнитнаяОсновнаякривая намагничиванияЗависимости B=F(H) и J=F(H), полученные на предварительно размагниченныхобразцах, называют основными кривыми намагничивания.Основная кривая намагничивания - важнейшая характеристика магнитныхматериалов.
Физика процессов намагничивания магнитных материалов может бытьпонята при отождествлении ее с характерными участками основной кривойнамагничивания.Рис. 6.1. Основные кривые намагниченности:а) по намагниченности; б) по индукцииJs и Hs – намагниченность и поле насыщенияКлассификация веществ по магнитным свойствамДиамагнетики - вещества, в которых в "чистом" виде проявляется диамагнитныйэффект, являющийся результатом воздействия внешнего магнитного поля намолекулярные токи. Магнитный момент, возникающий при этом эффекте, направленнавстречу внешнему полю.
Для диамагнетиковkm= -(10-6 - 10-7), µ<1km - слабо изменяется от температуры. Диамагнетизм присущ всем веществам,однако в большинстве случаев он маскируется другими типами магнитного состояния.138Примеры диамагнетиков: все вещества с ковалентной химической связью,щелочно-галоидныекристаллы,неорганическиестекла,полупроводниковыесоединения А3В5, А2В6, кремний, германий, бор и другие. Ряд металлов: медь, серебро,золото, цинк, ртуть, галлий и другие, водород, азот, вода и другие.Парамагнетики - вещества с нескомпенсированными магнитными моментами иотсутствием магнитного атомного порядка. Магнитный момент парамагнетика равеннулю. Под действием внешнего поля из-за преимущественной ориентации магнитныхмоментов в направлении поля появляется намагниченность. Для парамгнетиковkm>0, µ>1km парамагнетиков в большинстве случаев меньше зависит от температуры.
Прикомнатной температуре km = 10-6 - 10-3.Примеры парамагнетиков: щелочные и щелочно-земельные металлы, некоторыепереходные металлы, соли железа, кобальта, никеля, редкоземельных металлов,кислород, окись азота. Al, Na, Mg, Ta, W, CaO, CoO и другиеФерромагнетики - вещества, в которых (ниже температуры Кюри) наблюдаетсямагнитная упорядоченность, соответствующая параллельному расположению спинов вмакроскопических областях (доменах) даже в отсутствие внешнего магнитного поля. kmферромагнетиков (также как и µ) достигает больших положительных значений, сильнозависит от напряженности магнитного поля и температуры.Примеры ферромагнетиков: железо, никель, кобальт, их соединения и сплавы,некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия и др. При низких температурахнекоторые редкоземельные элементы - гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий,тулий. Сплавы RCo5, где R редкоземельный элемент (Sm, Ce или Pr).Антиферромагнетики - характеризуются антиферромагнитным атомнымпорядком, возникающим из-за антипараллельной ориентации одинаковых атомов илиионов кристаллической решетки.
Для антиферромагнетиков km=10-3-10-5 сильно зависитот температуры. При нагревании магнитная упорядоченность исчезает притемпературе, называемой точкой Нееля (антиферромагнитная точка Кюри).Примеры антиферромагнетиков: хром, марганец, цезий, неодим, самарий идругие. Химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов,галогенидов, сульфидов, карбонатов и др. MnSe, FeCl2, FeF2, CuCl2, MnO, FeO, NiO.Ферримагнетики — вещества с нескомпенсированным антиферромагнетизмом.Как и антиферромагнетизм существует при температуре не выше точки Нееля. Вышеэтой температуры ферримагнетики переходят в парамагнитное состояние.К ферримагнетикам относятся некоторые упорядоченные металлические иразличные оксидные соединения, наибольший интерес среди которых представляютферриты MnO*Fe2O3, BaO*6Fe2O3, (NiO*ZnO)Fe2O3, Li2O*Fe2O3 и другие.Ферро- и ферримагнетики относятся к сильномагнитным материалам, остальныегруппы к слабомагнитным веществам.Аморфные магнитные материалы.
Магнитный порядок наблюдается и внекоторых химических соединениях в аморфном состоянии, в которых имеет местообменное взаимодействие (обмен энергией) между ближайшими соседними атомами.Металлические магнитомягкие аморфные сплавы состоят из одного или несколькихпереходных металлов (Fe, Co, Ni), сплавленных со стеклообразователем - бором,углеродом, кремнием или фосфором.Спиновыемагнитныестекла.Этосильномагнитныевеществасферромагнитным порядком, если магнитные свойства в них возникают в результатекосвенных обменных взаимодействий через электроны проводимости и сантиферромагнитным порядком, если возбуждение происходит через промежуточные139немагнитные атомы. Такими структурами могут быть также проводящие сплавы смалым содержанием переходных элементов.Природа ферромагнетизмаВозникновение магнитных свойств у ферромагнетиков связано с их доменнымстроением.
Домены - это области самопроизвольной намагниченности, возникающиедаже в отсутствие внешнего магнитного поля, в которых магнитные моменты атомовориентированы параллельно.Атомы или ионы приобретают магнитный момент, как правило, если они имеютнескомпенсированные спины электронов. Например, в атомах железа на внутренней3d-оболочке имеется четыре нескомпенсированных спина. Так как самопроизвольнаянамагниченность относится к внутриатомным явлениям, то ее природа может бытьустановлена только на основе квантово-механических понятий.По Я. И. Френкелю и В. Гейзенбергу главную роль в возникновенииферромагнитного состояния играют силы обменного взаимодействия междуатомами, имеющие квантовый характер и по происхождению являющиесяэлектростатическими.Энергию А, возникающую в результате обмена электронами родственных атомов,называют обменной энергией или интегралом обменной энергии.
При положительноминтеграле обменной энергии А, что соответствует минимуму электростатическойэнергии, возникает параллельная ориентация спинов. При отрицательном знаке Аэнергетически выгодно антипараллельное расположение спинов. Численное значение изнак интеграла А зависит от степени перекрытия электронных оболочек, то есть зависитот расстояния между атомами.На рисунке показано изменение интеграла обменной энергии в функции ототношения межатомного расстояния a к диаметру незаполненной электроннойоболочки d. При a/d>1.5 происходит переход от антиферромагнитного состояния кферромагнитному.
Эта зависимость позволила обнаружить ферромагнетизм у сплавовмарганца с неферромагнитным висмутом, сурьмой, серой и т.д.Рис. 6.2 Зависимость интеграла обменной энергии A ототношения межатомного расстояния a к диаметрунезаполненной электронной оболочки dХотя максимум обменного взаимодействия в металлах носит более сложныйхарактер, чем это следует из теории Френкеля-Гейзенберга, данная теория позволяеткачественно объяснить причину самопроизвольной намагниченности, то есть критериемферромагнетизма является существование незаполненных внутренних электронных140оболочек, радиус которых должен быть мал по сравнению с расстоянием между ядрамив решетке.Возникновение магнитных свойств у ферромагнетиков связано с их доменнымстроением.
Домены - это области самопроизвольной намагниченности, возникающиедаже в отсутствие внешнего магнитного поля, в которых магнитные моменты атомовориентированы параллельно.Атомы или ионы приобретают магнитный момент, как правило, если они имеютнескомпенсированные спины электронов.
Например, в атомах железа на внутренней3d-оболочке имеется четыре нескомпенсированных спина. Так как самопроизвольнаянамагниченность относится к внутриатомным явлениям, то ее природа может бытьустановлена только на основе квантово-механических понятий.По Я.И.Френкелю и В.Гейзенбергу главную роль в возникновенииферромагнитного состояния играют силы обменного взаимодействия междуатомами, имеющие квантовый характер и по происхождению являющиесяэлектростатическими.Энергию А, возникающую в результате обмена электронами родственных атомов,называют обменной энергией или интегралом обменной энергии. При положительноминтеграле обменной энергии А, что соответствует минимуму электростатическойэнергии, возникает параллельная ориентация спинов. При отрицательном знаке Аэнергетически выгодно антипараллельное расположение спинов. Численное значение изнак интеграла А зависит от степени перекрытия электронных оболочек, то есть зависитот расстояния между атомами.На рисунке показано изменение интеграла обменной энергии в функции ототношения межатомного расстояния a к диаметру незаполненной электроннойоболочки d.
При a/d>1.5 происходит переход от антиферромагнитного состояния кферромагнитному. Эта зависимость позволила обнаружить ферромагнетизм у сплавовмарганца с неферромагнитным висмутом, сурьмой, серой и т.д.Хотя максимум обменного взаимодействия в металлах носит более сложныйхарактер, чем это следует из теории Френкеля-Гейзенберга, данная теория позволяеткачественно объяснить причину самопроизвольной намагниченности, то есть критериемферромагнетизма является существование незаполненных внутренних электронныхоболочек, радиус которых должен быть мал по сравнению с расстоянием между ядрамив решетке.Доменная структураКаждый реальный магнитный материал разделен по всему объему на множествозамкнутых областей - доменов, в каждом из которых самопроизвольнаянамагниченность однородна и направлена по одной из осей легкой намагниченности.Такое состояние энергетически выгодно и кристалл в целом немагнитен, так какмагнитные моменты доменов ориентированы в пространстве равновероятно.
Междусоседними доменами возникают граничные слои (стенки Блоха). Внутри доменныхстенок векторы намагниченности плавно поворачиваются. Объем доменов можетколебаться в широких пределах (10-1÷10-6 см3).141Рис. 6.3. Стенка БлохаШирина границы между антипараллельными доменами для железа 13.10-8 м, тоесть около 500 элементарных ячеек. Толщина границы зависит главным образом отсоотношения энергий: обменной, магнитной анизотропии и магнитоупругой. Размерысамих доменов зависят от неметаллических включений, границ зерен, скопленийдислокаций и других неоднородностей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
