Міністерство спільного освітнього і професійної освіти Російської Федерації
>ТОМСКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
СИСТЕМ УПРАВЛІННЯ ІРАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
(>ТУСУР)
КафедраКУДР
>РЕФЕРАТ
Перевірив
Викладач кафедриКУДР
__________>Кистенева
«___» вересня 2001р.
>Виполнил
студент групи49В
__________Попов З. У.
«___» вересня 2001р.
р. Томськ
2001 р.
Зміст
1. Метали.. 3
1.1Зонная енергетична структура металів. 3
1.2 Основні електричні параметри металів. 5
1.3 удільне опір чистих металів. 6
1.4 Електричні властивості металевих сплавів. 8
2.Диелектрики. 10
2.1 Функції, що їхдиелектриками вРЭА.. 10
2.2 Видиполяризаций. 10
2.3Диелектрические втрати. 12
3. Магнітні матеріали. 14
3.1. Класифікація речовин по магнітним властивостями.. 14
3.2. Класифікація магнітних матеріалів. 15
3.3Феррити.. 15
3.3.1 Особливостіферримагнетиков. 16
3.4 Природа обмінного взаємодії. 17
3.5 залежність магнітних властивостей від температури.. 19
Список літератури.. 21
1. Метали
1.1Зонная енергетична структура металів
Щоб осягнути, чому метали мають значної провідністю, набагато більшої, ніж провідність діелектриків і напівпровідників, слід подивитися на як і структура їх енергетичних зон.
У ізольованому атомі є низка дозволених рівнів енергії, які можна «заселені» електронами (рис. 1.1, а). Якщо атомів багато, але де вони віддалені досить великі відстані друг від друга, структура енергетичних рівнів не змінюється, а електрони як і виявляютьсялокализованними поблизу своїх ядер. При конденсації речовини і за освіті кристалічною ґрати твердого тіла всі в атомів такого типу електронні рівні (як заповнені електронами, і незаповнені) трохи зміщаються внаслідок впливу сусідніх атомів друг на друга. Зокрема, тяжіння електронів одного атома ядром сусіднього знизає висоту потенційного бар'єра, котрий поділяє електрони вуединенних атомах. Головне у цьому, що з зближення атомів відбувається перекриття електронних оболонок, але це своєю чергою істотно змінює характер руху електронів. Завдяки перекриття оболонок електрони без зміни енергії у вигляді обміну переходити від однієї атома до іншого, тобто переміщатися по кристалу. >Обменное взаємодія має суто квантову природу і є наслідком нерозрізненості електронів. І тут вже не можна казати про приналежність тієї чи іншого електрона визначеному атома – кожен валентний електрон всім атомам кристалічною ґрати одночасно. Інакше кажучи, при перекриття електронних оболонок відбувається усуспільнення електронів.
У результаті обмінного взаємодії дискретні енергетичні рівні ізольованого атома розщеплюються в енергетичні зони (малюнок 1.1, б). Дозволені енергетичні зони розділенізапрещенними інтервалами енергії (>запрещенними зонами -ЗЗ). Рівні енергії внутрішніх оболонок, які локалізовано поблизу ядра і піддаються сильному обуренню з боку навколишніх атомів, розщеплюються менше, ніж рівнівалентних (зовнішніх) електронів.
Рівнівозбужденного атома
ЗП
ЗЗ
ВЗ
Рівеньневозбужденного стану атома
а) б)
Малюнок 1.1 – енергетичні рівні:
а –уединенного атома;
б – твердого тіла;
Розглянемо просту кристалічну грати, освічену одним сортом атомів. У кожнійразрешенной енергетичної зоні міститься стільки рівнів енергії, скільки атомів міститься в усьому кристалі. Коли ж врахувати, що енергетичні зони мають ширину порядку одиницьеВ, то тут для кристала розміром1см3, що містить 1022-1023 атомів, енергетичне «відстань» між рівнем виявиться ~ 10-22-10-23еВ. Ці цифри свідчать у тому, що енергетичний спектр зони вважатимуться безперервним, бо навіть і теплові флуктуації енергії електрона при нормальних умов становлять значно більшу величину ~103еВ.
Прагнення системи атомів до мінімуму енергії призводить до того, що енергетичні рівні зон заселяються наявними електронами «знизу - вгору». У цьому діє принцип Паулі – кожен рівень то, можливозаселен лише двома електронами. У результаті, нижні (внутрішні) зони заселяються повністю до зони, освіченоювалентними рівнями. >Валентная зона (>ВЗ) є останньою заселеній зоною. Залежно від «укомплектованості» електронами вони можуть виявитися або повністю заповненою, або частково заповненою. Наприклад, якщо валентна зона освіченаS-оболочками атомів, мають за одним електрону (лужні метали), вона буде заповнена рівно наполовину. Наступна за валентної зоною вільна, незаповнена електронами зона називається зоною провідності (ЗП). Взаємна становище цих зон і рівень заповнення валентної зони визначають більшість процесів, які у твердому тілі.
1. Припустимо, що валентна зона населена повністю (малюнок 1.2). Якщо за цьому між валентної зоною - та зоною провідності є досить велика зона заборонених енергійDЕ > ~ 0.1еВ, то такий стан відповідає або напівпровідникові (>DЕ < ~ 3еВ), абодиелектрику (>DЕ > ~ 3еВ). Знаходячись у валентної зоні, електрони роблять квантовомеханічні руху, але з здатні до поданого руху (дрейфу) в електричному полі, бо на те їм необхідні змінювати свою енергію, переходячи з рівня до рівня. Але рівні не більше валентною зони повністю заселені, тому дрейф можливий лише за умови перекидання частини електронів з валентної зони до зони провідності рахунок зовнішніх збудливих чинників (температурний нагрівання,освещение тощо.).
Рівнівозбужденного атома
Ен
е
р
р
іє
1
DЕ 3
2
а) б) в)
1 – валентна зона;
2 – зона провідності;
3 –запрещенная зона;
Малюнок 1.2 – структура енергетичних зон діелектриків (а),
напівпровідників (б) і металів (в).
2. Випадок, коли заборонна зона виявляється незначною, чи взагалі немає, (валентна зона перекривається з зоною провідності) відповідає матеріалу високої провідності – метали, оскільки електрони отримують унікальну можливість щодо вільно змінювати свою енергію при вплив зовнішнього електричного поля, безперешкодно переходячи із зони до зони.
3. якщо валентна зона населена електронами частково то, очевидно, що відповідний матеріал має металевими властивостями незалежно від взаємної розташування валентної зони і зони провідності.
Випадок перекритих зон та випадок частково заповненою валентної зони з погляду електропровідності еквівалентні. Важливо, що справжній рівень Фермі металів міститься у області дозволенихквазинепреривних енергетичних зон, І що концентрацію носіїв заряду («вільних» електронів) вважатимуться майже постійної стосовно зміни зовнішніх умов. І це відрізняє метали від напівпровідників, які мають носіїв заряду різко зростає зростанням температури.
1.2 Основні електричні параметри металів
Із загального курсу фізики відомо, що щільність електричного струму в речовині визначається зарядомq, концентрацією n ідрейфовой (середньої спрямованої) швидкістю носіїв заряду vін
j =q n vін; (1.1)
>Дрейфовая швидкість окреслюється середня векторна сума швидкостей електронів.Дрейфовую швидкість не можна плутати з теплової швидкістюvт, яка дорівнює середньому модулю швидкості електронів:
(1.2)
>Cсредняя теплова швидкість пов'язані з температурою металу співвідношенням
>mvт2 =3kT звідки слід, що з кімнатної температурі ~300К, теплова швидкість значна і має порядок 105 м/с.
Через те, що напрями швидкостей електронів хаотичні, за відсутності електричного полядрейфовая швидкість дорівнює нулю. При вплив електричного поля електрони отримують деяку додаткову складову у бік поля. Однак це добавка незначна, та практично впливає на характер руху електронів. Елементарні розрахунки показують, що з самому жорсткого режимі перебігу струму, величинадрейфовой швидкості перебігу струму не перевищує ~ 10-4 м/с, цебто в 9 і більше порядків менший від теплової. Це з тим, що електрони, набуваючи від зовнішнього поля незначний надлишок енергії (понад теплової енергії), відразу розсіюють їх у матеріалі внаслідок взаємодії з динамічними і статичними дефектами. За умов настільки великих сил «>терния» має місце пряма пропорційність міждрейфовой швидкістю і напруженістю поля:
vін = >m E; (1.3)
Коефіцієнт пропорційності >m називається «рухливість» [м2 / У з].Подстановка (1.3) в (1.1) дає
j =q n >m E; (1.4)
Коефіцієнт пропорційності між щільністю струму і напруженістю поля називається «провідність» [g] = [1 /Ом м], а величина, зворотна йому – «удільне опір» [>r] = [>Ом м]:
g =q n >m;r =1/g. (1.5)
1.3 удільне опір чистих металів
Якби кристалічна ґрати було б позбавлена дефектів, електричне опір металу дорівнювало б нулю, оскільки електрони не відчували б розсіювання енергії і безперешкодно прискорювалися в електричному полі. У цьому нерухомі власні іони, які працюють у вузлах кристалічною ґрати не були брассеивающими центрами, зсамосогласованности полі зквантовомеханическим рухом електронів.
Насправді ж, як раніше, присутність дефектів структури в кристалічною ґрати неминуче.Рассеяние електронів може й в регулярних частинах кристала, оскільки сувора періодичність його порушується тепловими коливаннями іонів. Досвід свідчить, що став саме теплові коливання ґрати є головнимрассеивающим чинником в чистих металах. Звідси випливає, що зі збільшенням температури опір металів має монотонно зростати, як і зокрема у дослідах. Розглянемо типову залежність питомої опору чистого металу від температури (малюнок 1.3, а). Більшість чистих металів у сфері низьких температур спостерігається прискорений ріст питомої опору залежно від температури, що можна описати статечної залежністю. У сфері відносно високих температур, вище так званої температуриДебаяТд, залежність стає близька до лінійної. Характер зростання питомої опору на всьому діапазоні температур можна пояснити лише з позицій квантової теорії. Річ у тім, що всяке коливання кристалічною ґрати розкласти на елементарні коливання, чи коливальні кванти – фотони.Фотони, як і електрони мають дискретним спектром енергій, причомуразрешенная зона фотонів має ширину ~ 0.01еВ. Проте за них поширюється принцип Паулі, і кожному рівню енергії може відповідати як завгодно велика кількість фотонів. Говорячи спрощено, за умов зростання температури від абсолютного нуля до температуриДебая, зростає кількість фотонів, відповідне кожному окремомувозбужденному рівню енергії. Але, ще, порушуються дедалі більше і вищі рівні енергії фотонів. При температуріДебая порушено вже всі фотонні рівні, тому приріст фотонів уповільнюється, і залежністьr(Т) перетворюється на лінійну. Як свідчить експеримент, лінійна апроксимація температурної залежностіr(Т) справедлива для температур вище 2/3Тд з помилкою, яка перевищує 10%. ТемператураДебая більшість металів становить 400 –450К, тому лінійне наближення зазвичай справедливо для температур від кімнатної і від. Поблизу температури плавленняТпл відбувається відхилення від лінійного закону, а за нормальної температури плавлення настає різкескачек питомої опору, пов'язані з фазовим переходом. Зазвичай, опір сплаву вище, ніж опіртве1рдого металу. Виняток становлять такі метали, якBi,Ga та інших, які мають за нормальної температури плавлення опір падає.
У сфері температур, близьких до нуля, деякі метали (наприклад,Nb,Sn,Al,Zn,Hg та інших.) переходить до надпровідний стан, у якому удільне опір різко знижується нанівець (малюнок 1.3, б). У металів, не які у надпровідний стан (наприклад,Pt, малюнок 1.3, б), за незначного зниження температури до нуля, удільне опір залишається на деякому сталому рівніr0. це значення називається залишковим опором. Вочевидь, вона пов'язана з тепловим розсіюванням електронів. Досвід свідчить, щоr0 пропорційно кількості домішок, і навіть зростає при загартуванню і механічних деформації, отже, залишкове опір пов'язане тільки з наявністю дефектів. З сказаного слід, що удільне опір металу можна як сумитампературозависимой і залишкової (постійної стосовно зміни температури) складової.
r =rт +r0. (1.6)
Для характеристики впливу температури певнутемпературозависимую величину (в обмеженому температурному діапазоні, де її зміна вважатимуться приблизно лінійним), вводять поняття температурного коефіцієнта цієї величини.r /r273
>r 0,015
>Pt
0,010
>Hg
0,005
>rост
0ТсвТдТпл Т 0Тсв 10 15 Т, До
а) б)
Малюнок 1.3 – температурна залежність питомої опору металів:
а – широтою діапазону температур (схематично);
б – у сфері низьких температур для платини і ртуті.
>Температурним коефіцієнтом величини А називається відносне зміна величини При зміні температури однією градус.
(1.7)
Слід зазначити, що навіть за умови суворого лінійного зміни фізичної величини за зміни температури, ТК сам є функцією температури. Вислів, що стоїть після першого наближеного рівності, дає рецепт визначення ТК в кінцевихприращениях при деякою конкретної температуріТ0 з урахуванням експериментального виміру залежностіА(Т) на околиціТ0. у своїй кінцеве прирощенняDА відкладається на дотичній до характеристиці у точціТ0. вираз, що стоїть другогоприближенного рівності, дає рецепт визначення середнього ТК на температурному діапазоні відТ1 доТ2. причому у відповідність до прийнятими стандартами, відносне зміна величини визначають розподілом різниці (А2 – А1) на значення, відповідне найменшої температурі діапазону А1. при слабкої температурної залежності величини Ті відмінності немає істотного значення. З (1.7) слід формула, що дозволяє, з урахуванням відомого ТК та відомого значенняА0 при кімнатної температуріТ0, визначити значення При інший температурі Т:А(Т) =А0 [1 +ТКА (Т –Т0)].
Незалежно від розмірності величини А, температурні коефіцієнти мають однакову розмірність – К-1.
Типові значення температурного коефіцієнта питомої опору ТК>r для чистих металів становлять ~ 10-3 К-1. РозглянемоТКr металу з дефектами, використовуючи вираз (1.7) й гадаючи виконання співвідношення (1.6):
>ТКr =1/rdr/dT =1/(rт +r0)drт/dT =rт/(rт +r0) [(>1/rт)drт/dT] =ТКrтrт/(rт +r0). (1.8)
Одержаний вираз свідчить, що з запровадження домішок (збільшення постійної складовоїr0) удільне опір металу стає менштемпературозависимим (>ТКr зменшується). Досвід свідчить, що запровадженням домішок це значення можна понизити на 1-2 порядку (у своїй, проте, загальне удільне опір підвищується).
Типові значення питомих опорів чистих металів становлять ~ 10-8 - 10-7Ом м. Найбільш які проводять при кімнатної температурі є відома четвірка металівAg,Au,Cu,Al. Їх удільне опір < 3 10-8Ом м.
1.4 Електричні властивості металевих сплавів
Поруч із чистими металами, практично часто використовують металеві сплави. Одержання сплаву за певної міри вважати запровадженням домішки на метал, у якому концентрація атомів домішки порівнянний з концентрацією основного речовини. У цьому втрачається зміст у поділі речовини на домішка і основу. З викладеного вище, легко зрозуміти, що удільне опір сплаву має бути більше, ніж удільне опір окремих компонент, оскільки відбуваєтьсявзаимообусловленное порушення періодичності кристалічних структур. На відміну від чистих металів, залишкова складова питомої опору сплаву на багаторазовотемпературонезависимую складову.
Для простоти розглянемо сплави, містять два компонента Проте й У. для сплавів типу фізичного розчинутемпературонезависимая залишкова складова досить добре описується параболічної залежністюНортгейма:
r0=СХАХВ=СХВ(1-ХВ), (1.9)
деХА=NА/N іХВ=NВ/N – атомні частки компонентів Проте й У в сплаві;
N,NА,NВ – загальна концентрація атомів і концентрація атомів Проте й У;
З – константа, що залежить від температури компонент. Така залежність відповідаєконцентрационной залежності повного питомої опору, показаної малюнку 1.4.
>rТКr
0 Х в , % 100
Малюнок 1.4
>Сплави мають значно вищі значення питомої опору, ніж чисті метали. З іншого боку, як слід, зокрема, з висловлювання (1.8), сплавитермостабильнее чистих металів, тобто, їхТКr істотно нижчий (малюнок 1.4). Обидва ці властивості можна використовуватиме виготовлення резисторів – дротяних іпленочних.
>r
0 Х в , % 100
Малюнок 1.5
ЗаконНортгейма і співвідношення дляТКr добре виконуються тільки до сплавів, що становлять фізичний розчин компонент Проте й У (суміш фаз). Нерідко, розчини можуть утворювати звані >интерметаллические сполуки – власне, нові хімічні речовини зі своїми кристалічною структурою, у якій атоми двох компонент суворо упорядковані. Наприклад, в сплавахMg –Zn можуть утворюватися такі сполукиMgZn,Mg2Zn3,Mg2Zn4,Mg2Zn6 до регулярних власними кристалічними системами. На діаграмах «>свойство-состав» таких сплавів тлі загального максимуму, за певних співвідношеннях у складі, спостерігаються різкі провали, відповідні чистої металевої фазі (малюнок 1.5).
2.Диелектрики
2.1 Функції, що їхдиелектриками вРЭА
>Диелектрики мають надзвичайно велику значення для радіоелектронної техніки. Теоретичні питання, пов'язані з будовою діелектриків з погляду зонної теорії, було розглянуто у пункті 1.1. У найпростіших випадках собі застосування, діелектрики використовують якелектроизоляционних матеріалів. Призначення електричної ізоляції зводиться до того що, щоб перешкодити проходженню електричного струму шляхами, небажаним до роботи даної електричної схеми. Проте, крім пасивних, ізолюючих функцій, деяких видів діелектриків виконують активні функції, часом складніші, ніж напівпровідникові матеріали. Дамо певний (неповний) перелік функцій, виконуванихдиелектриками вРЭА і елементів, у яких використовуються.
Пасивні функції
1)Электроизоляция провідників струму;
2)Поляризационно –изорирующаямежобкладочная середовище конденсаторів;
3)Подзатворная ізоляція польових транзисторів;
4) єднальна середовищемагнитодиетектриков;
Активні функції
5)Вариконди, датчики температури,нелинейние підсилювальні елементи (з урахуванням сегнетоелектриків);
6)Пьезоелектрические генератори, резонатори, трансформатори. Елементиакустоелектроники (з урахуваннямпьезоелектриков,акустооптических матеріалів);
7) Джерела постійного електричного поля (з урахуваннямелектретов);
8)Электролюминофори,фотолюминофори, сцинтилятори;
9)Модулятори світла;
10)Оптические запам'ятовуючі пристрої;
11)Индикатори (з урахуванням рідких кристалів);
12) Робітники оптичні лазерні середовища.
2.2 Видиполяризаций
Вільні заряди – заряди здатні рухатися під впливом електричного поля на відстані, які набагато перевищуютьмежатомние.
Пов'язані заряди – заряди,смещающиеся під впливом електричного поля на відстань, порівнянні, чи менші, ніжмежатомние відстані.
>Поляризация – спрямоване переміщення у вихідному матеріалі великої кількості пов'язаного заряду на мізерно малі відстані, порівнянні, або меншої, ніжмежатомние відстані.
Фізично процес поляризації може протікати по-різному і супроводжуватися різними явищами, тому, з урахуванням фізичних тонкощів поляризацію поділяють на види й класи (малюнок 2.1). Принципові відмінності пружних і >неупругих видів поляризації відбито в таблиці 2.1. Спонтанна поляризація – щодо рідкісне та унікальне явище, властиве деяким кристалічнимдиелектрикам. На відміну від інших видів поляризації, пружних інеупругих, спонтанна поляризація має здатність нелінійності.
ПОЛЯРИЗАЦИИ
УпругиеНеупругие
>Релаксационние Міграційні Спонтанна
1.Электронно- 1.Ионно- 1.Межслоевая
пружнарелаксациооная 2.Високовольтная
2.Ионно-упругая 2.Дипольно-
>релаксационная
3.Дипольно- 3.Электронно-
пружнарелаксационая
Малюнок 2.1 – Видиполаризации
Таблиця 2.1 – Особливості пружних інеупругих видів поляризації
>Упругие види
>Неупругие види
1. Мале час встановлення
t < ~ 10-12 з.
1. Щодо велике час встановленняt < ~ 10-7 з.
2. малі усунення пов'язаних зарядів (не більше пружних сил), на відстані значно меншімежатомних.
2. Зміщення пов'язаних зарядів відбувається на відстані порядкумежатомних (пружні сили долаються).
3. відсутність розсіювання енергії як тепла на радіочастотах.
3. мають місце втрати енергії як тепла у процесі встановлення на радіочастотах.
Зазначені в таблиці відмінності взаємно обумовлені. Якщо заряди пов'язані сильним внутрішнім полем, а зовнішнє електричне полі, і теплові коливання неспроможні розірвати ці зв'язку, це відбувається невеличке усунення заряду не більше дії пружних сил. Енергія зовнішнього джерела поля, витрачена на усунення зарядів, практично цілком повертається джерелу після зняття поля, - у процесі зворотного усунення у зовнішній ланцюгаиндуцируется струм, має протилежний зміст стосовно току прямого усунення. Час встановлення пружнихполяризаций мало, бо вона визначається динамічним зміщенням мікрочастинок при вплив ними поля.
Якщо заряди «прив'язані» до свого місця щодо слабко і здатні, подолавши пружні сили, зміститися на відстань, однакову одній або кількоммежатомним відстаней, те з неминучістю виникає їхню взаємодію з оточуючими частинками. Отже, у процесі непружній поляризації частина енергії зовнішнього поля передадуть середовищі як теплової енергії. Слід зазначити, причиною виникненнянеупругихполяризаций є спільну дію зовнішнього електричного поля і теплового руху частинок середовища. Одне зовнішнє полі нездатна розірвати навіть слабкі зв'язку, томурелаксационная поляризація мусить бути >термоактивирована. У результаті, характерне час встановлення поляризації визначається не динамікою усунення частинок на полі, а характерним часомтермоактивационного стрибка.
Назва «>релаксационние» більшістьнеупругих видів поляризації одержало тому, що їх встановлення у часіt описується >релаксационними законами, що містятьзатухающие експоненти типуexp(-t /t).Параметрt, що називається часом релаксації, власне визначає час встановлення даної поляризації. Будь-якарелаксационная поляризація пов'язані з переміщенням пов'язаного заряду на відстані, порівнянні чи великі, ніжмежатомние відстані.
2.3Диелектрические втрати
Потужність,виделяющаяся вдиелектрике як тепла при вплив нею електричного поля, називається діелектричними втратами.
>Мерой збитків є щільність потужності теплової енергії, тобто, кількість тепла, який виділяється в одиниці обсягу матеріалу за одиницю часу [w] = [Вт / м3].
При вплив електричного поля була в будь-якомуматериалле виділяється тепло зокрема й удиелектрике. Втрати в діелектриках викликаються різними процесами, тому їх поділяють сталася на кілька видів (малюнок 2.2)
>ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВТРАТИ
Пов'язані із течією провідності Пов'язані із течією усунення
>Jпр = g ЄJсм =dD/dt (поляризацією)
Втрати провідностіРелаксационние втрати
>Ионизационние втрати Резонансні втрати
Міграційні втратиСегнетоелектрические втрати
Малюнок 2.2 – Види діелектричних втрат
Відповідно до малюнка є дві головна причина втрат. Перша причина – наскрізний струм, чи струм провідності, обумовлений наявністю певної кількості вільного заряду, що створює провідність. Друга причина – поляризація.Поляризация, як і будь-яка реальний фізичний процес, супроводжується втратою певній порцією енергії під час усунення пов'язаного заряду (у разі виникнення струму0,смещения).
Втрати провідності. Більшість твердих діелектриків наскрізна провідність обумовлена рухом слабко закріплених іонів, що у щодо неглибоких потенційних ямах. Рух іонів природного характеру окремих стрибків, викликаних повідомленням ним із боку окремого колективу частинок порцій енергії, достатніх задля подолання бар'єрів. Електричне полі, створює дисбаланс в ймовірності стрибків проти і з напрямку поля, і поза рахунок цього рух відбувається щодо одного напрямі.
>Ионизационние втрати творяться у діелектриках, мають всередині себе газоподібні пори. Прикладом може бути кераміка, чи деякі пухкі полімери. Електрична міцність газів щодо низька, тому, тоді якдиелектрике створено досить сильний полі, то газоподібні включення пробиваються, і над ними спалахують звані часткові розряди. У розряді виділяється тепло, що становить частина втратдиелектрика. Часткові розряди може бутипричиное поступового руйнації матеріалу рахунок взаємодії іонів і електронів,ускоренни в розряді, із головною речовиною. Поступова ерозія речовини при часткових розрядах призводить до старіння і наприкінці кінців, до пробоюдиелектрика.
Особливістю іонізаційних збитків є їх сильна залежність від напруги вище деякого граничного значенняЕ0.
>Ионизационние струми, як та інші струми провідності,млжно охарактеризувати величиною провідності, проте провідність буде складним чином залежить від напруженості поля.
Міграційні втрати мають місце у сильно неоднорідних діелектриках, які з окремих фаз. Навіть якщо взяти проходження вільних зарядів крізь кордону розділу фаз утруднено, вільні заряди можуть мігрувати не більше зерен, створюючи короткочасні струми провідності і. Міграційні втрати дають максимуми на частотних залежностяхтангенса кута діелектричних втрат, подібнірелаксационним максимумів.
>Релаксационние втрати. Що стосується, тоді якдиелектрике значнарелаксационная поляризація, то неминуче виникають втрати пов'язані з цим поляризацією. У процесі усунення пов'язаних зарядів виникають сили опору з боку оточуючих молекул, подібні силам тертя. У цьому, кожен диполь передає матеріалу певну порцію енергії. Щойно усунення сталося, теплові втрати припиняються. Тому, казати про релаксаційних втрати є лише тоді, коли на діелектрик діє змінне полі сі усунення зарядів відбувається періодично.
З огляду на інерційності встановленнярелаксационной поляризації, при стрибкоподібному зміні зовнішнього поля, рівноважнаполяризованность (для даної напруженості) може встановитися лише через час.
Резонансні втрати. Втрати, створювані пружними видами поляризації,пренебрежимо малі якщо поляризація відбувається під впливом змінних полів радіочастотного діапазону. Через малої амплітуди усунення частинок, вони на полі пружних сил. У разі резонансу (інфрачервоний діапазон частот) може різко змінитися амплітуда і характеру коливань частинок, що зумовлює порушення умови пружності зусиль і виникненню втрат. Тому, різкої зміни діелектричним проникності при резонансі частинок відповідає максимумтангенса діелектричних втрат.
>Сегнетоелектрические втрати обумовлені рухом кордонів доменів в діелектриках, які мають спонтанної поляризацією (такі діелектрики називаютьсегнетоелектриками). Ці втрати істотні у умовах гранично низьких частот і визначаються чистотою і досконалістю внутрішньої структури кристала. Про більші втрати всегнетоелектриках може свідчити яскраво вираженапетлеобразность характеристикиD(E).
3. Магнітні матеріали.
3.1. Класифікація речовин по магнітним властивостями
По реакцію зовнішнє магнітне полі, і характеру внутрішнього магнітного упорядкування все речовини у природі можна підрозділити п'ять груп:диамагнетики,парамагнетики,ферромагнетики,антиферромагнетики іферримагнетики. Зазначеним видаммагнетиков відповідають п'ять різних видів магнітного стану речовини:диамагнетизм,парамагнетизм,ферромагнетизм,антиферромагнетизм іферримагнетизм.
Додиамагнетикам відносять речовини, які мають магнітна сприйнятливість негативною та залежною від напруженості зовнішнього магнітного поля. Додиамагнетикам ставляться інертні гази, водень, азот, багато рідини (вода, нафта і природний її похідні), ряд металів (мідь, срібло, золото, цинк, ртуть, галій та інших.), більшість напівпровідників (кремній, германій, сполуки А3В5,А2В6) і органічних сполук,щелочно-галоидние кристали, неорганічні скла та інших.Диамагнетиками є всі речовини з ковалентної хімічної зв'язком і ті речовини всверхпроводящем стані.
Допарамагнетикам відносять речовини позитивного магнітної сприйнятливістю, яка від напруженості зовнішнього магнітного поля. Допарамагнетиков відносять кисень, окис азоту, лужні іщелочноземельние метали, деякі перехідні метали, солі заліза, кобальту, нікелю і рідкісноземельних елементів.
Доферромагнетикам відносять речовини з великою позитивної магнітної сприйнятливістю (до 106), яка залежить від напруженості магнітного поля і температури.
>Антиферромагнетиками є речовини, у яких нижче деякою температури спонтанно виникаєантипараллельная орієнтація елементарних магнітних моментів однакових атомів чи іонів кристалічною грати. При нагріванніантиферромагнетик відчуває фазовий перехід упарамагнитное стан.Антиферромагнетизм виявлено у хрому, марганцю й низки рідкісноземельних елементів (>Ce,Nd,Sm,Tm та інших.). Типовимиантиферромагнетиками є найпростіші хімічні сполуки з урахуванням металів перехідною групи типу окислів,галогенидов,сульфидов, карбонатів тощо.
Доферримагнетикам відносять речовини, магнітні властивості яких обумовленінескомпенсированнимантиферромагнетизмом. Подібноферромагнетикам вони мають високої магнітної сприйнятливістю, яка істотно залежить від напруженості магнітного поля і температури. Поруч ізферримагнетики характеризуються і низкою істотної різниці відферромагнитних матеріалів.
Властивостіферримагнетиков мають деякі впорядковані металеві сплави, але, переважно, - різніоксидние сполуки, серед яких найбільший практичний цікавіферрити.
3.2. Класифікація магнітних матеріалів
Застосовувані в електронної техніці магнітні матеріали поділяють на дві основні групи: >магнитотвердие імагнитомягкие. До окремої групу виділяють матеріали спеціального призначення.
До >магнитотвердим відносять матеріали з великоюкоерцитивной силою Мз. Вониперемагничиваются лише дуже сильних магнітних полях і служать виготовлення постійних магнітів.
До >магнитомягким відносять матеріали з малоїкоерцитивной силою і високої магнітноїпроницаемостью. Вони у змозі намагнітіться до насичення в слабких магнітних полях, характеризуються вузької петлеюгистерезиса і малими втратами наперемагничивание.Магнитомягкие матеріали використовують у основному ролі різнихмагнитопроводов: сердечниківдросселей, трансформаторів, електромагнітів , магнітних систем електровимірювальних приладів та т. п.
Умовномагнитомягкими вважають матеріали, які мають Мз < 800А/м, амагнитотвердими - з Мз > 4кА/м. Необхідно, проте, відзначити, що з кращихмагнитомягких матеріалівкоерцитивная сила їх може становити менш 1А/м, а кращихмагнитотвердих матеріалах його значення перевищує 500кА/м. За масштабами застосування в електронної техніці серед матеріалів спеціального призначення слід виділити матеріали з прямокутної петлеюгистерезиса (>ППГ),феррити для пристроївсверхвисокочастотного діапазону імагнитострикционние матеріали.
Усередині кожної групи розподіл магнітних матеріалів за родами і видам відбиває розбіжності у їх будову і хімічний склад, враховує технологічні особливості і пояснюються деякі специфічні властивості.
Властивості магнітних матеріалів визначаються формою кривоюнамагничивания і петлігистерезиса.Магнитомягкие матеріали застосовуються щоб одержати великих значень магнітного потоку. Величина магнітного потоку обмежена магнітним насиченням матеріалу, тому основним вимогою до магнітним матеріаламсильноточной електротехніки і електроніки є висока індукція насичення. Властивості магнітних матеріалів залежить від їх хімічного складу, від чистоти використовуваного вихідного сировини й технології виробництва. Залежно від вихідного сировини й технології виробництвамагнитомягкие матеріали діляться втричі групи: монолітні металеві матеріали, порошкові металеві матеріали (>магнитодиелектрические) іоксидние магнітні матеріали, коротко званіферритами.
3.3Феррити
>Феррити є хімічні сполуки, у випадку мають формулуМFe2>O4, де М - найчастішедвухвалентний іон металу, наприклад,Cu,Zn,Mg,Ni, Fe, Co іMn. На відміну від порошкових сердечниківферрити є монолітні матеріали.Магнитомягкиеферрити кристалізуються в кубічної системи та мають структуру шпінелі - мінералу складуMgAl2>O4. Найчастіше застосовуютьсяферрити наступних типів:
>MnO*ZnO x2Fe2>O3 -марганцево-цинковийферрит;
>Nio*ZnO x2Fe2>O3 -никель-цинковийферрит;
>MgO*MnO*2Fe2>O3 -магний-марганцевийферрит.
>Феррити мають високе удільне електричне опір порядку 10-109 Ом*см і таким чином низькі втрати на вихрові струми. Індукція насичення становить приблизно 20-25% від індукції насичення заліза.
>Феррити діляться втричі підгрупи:
а)феррити з гарантованими втратами іпроницаемостью;
б)феррити з прямокутної петлеюгистерезиса;
в)феррити зі спеціальними властивостями.
>Марганец-цинковиеферрити протиникель-цинковими мають менші втрати. Обидва ці виду феритів ставляться до першої підгрупі.Т.к.никель-цинковиеферрити мають вищу електричне опір, їх доцільно запровадити у області частот від 500кГц до 200 МГц і від, тобто. для ланцюгів високочастотної техніки.Магний-цинковиеферрити призначені до застосування буде в діапазоні від звукових частот за кілька МГц.
>Феррити з прямокутної петлеюгистерезиса буваютьникель-цинковими чимагний-марганцевими. У техніці УКХ також застосовуютьсямагний-марганцевиеферрити, проте співвідношення окремих складових частин у потрійний системі відрізняється від складумагний-марганцевих феритів з прямокутної петлеюгистерезиса. Ціферрити разом ізмагнитострикционними матеріалами ставляться до групи матеріалів зі спеціальними властивостями.
Завдяки своїм властивостями,феррити мають дуже широкий діапазон застосування. Ниніферрити застосовують у виробництвіреле,сетевих трансформаторів пристроїв зв'язку,дросселей, електромеханічних перетворювачів і резонаторів тощо. Однак найбільша поширенняферрити отримали виробництві сердечників для котушок (>феррокатушек), запам'ятовувальних іпереключающих ланцюгів тощо.
3.3.1 Особливостіферримагнетиков
Будоваферримагнетиков.Ферримагнетики отримали свою назву від феритів, під якими розуміють хімічні сполуки окисла заліза Fe2>O3 з окислами інших металів. Нині використовують сотні різних марок феритів, які відрізняються хімічним складом, кристалічною структурі, магнітним, електричним та інших властивостями.
Найбільшого застосування знайшлиферрити зі структурою природного мінералу шпінелі. Щодо хімічного складуферритов-шпинелей відповідає формуліМеFe2>O4, де підМе розуміють будь-якоїдвухвалентний катіон. Приклад цих сполук розглянемо найхарактерніші риси магнітних властивостейферримагнетиков.
Дослідження свідчать, що наявність або відсутність магнітних властивостей визначається кристалічною структурою матеріалів і зокрема, розташуванням іонів двовалентних металів і заліза між іонами кисню. Елементарна осередок шпінелі є куб, до складу якої входить вісім структурних одиниць типуМеFe2>O4, тобто. 32 іона кисню, 16 іонівтрехвалентного заліза і побачили 8-го іонівдвухвалентного металу.Кислородние іони розташовані за принципом щільною кубічної упаковки куль. У цьому виникаютьмеждуузлия двох типів:тетраедрические, освічені оточенням чотирьох іонів, іоктаедрические, освічені оточенням шести іонів кисню. У цих кисневихмеждуузлиях перебувають катиони металів. Загалом у елементарної осередку шпінелі то, можливо заповнене 8тетраедрических проміжків (назвемо їх позиціями типу А) і 16октаедрических місць (позиції типу У).
Структуру, коли всі катионидвухвалентного заліза займають позиції типу А, а катионитрехвалентного заліза розподіляються вмеждуузлиях типу У, називають нормальноїшпинелью. З огляду на такий характер розподілу катионів по кисневиммеждуузлиям, формулуферрита зі структурою нормальної шпінелі можна наступного вигляді:
(>Мe2+)[Fe3+Fe3+]>O4
де у круглі дужки вказані іони, що займають позиції типу А, а квадратних - іони в позиціях типу У.Стрелками умовно показано напрям магнітних моментів катионів. У структурі нормальної шпінелі кристалізуютьсяферрити цинку (>ZnFe2>O4) і кадмію (>CdFe2>O4). Як показано далі,феррити зі структурою нормальної шпінелінемагнитни.
Частіше зустрічаютьсяферрити з іншим характером розподілу катионів по кисневиммеждуузлиям. Структура, у якій катиониМе2+ перебувають у позиціях типу У, а катионитрехвалентного заліза порівну розподіляють між позиціями Проте й У, отримав назву зверненої шпінелі. Формулу зверненої шпінелі з урахуванням розподілу катионів можна записати як:
(Fe3+)[>Me2+Fe3+]>O4
Структуру зверненої шпінелі маютьферрити нікелю, кобальту, міді деяких інші елементи.
Більшість реальних феритів характеризується деяким проміжним розподілом катионів, що й іониМе2+, і іонитрехвалентного заліза Fe3+ займають огляду на те чи іншого типів. Такі структури називаютьамфотернойшпинелью.Промежуточному розподілу катионів відповідає структурна формула
(>Me2+>1-x Fe3+x)[>Me2+x Fe3+>1-x]>O4
де параметр x характеризує ступінь спрямованості шпінелі.Структуре нормальною і зверненої шпінелі відповідають значення x, рівні, відповідно, нулю і одиниці.
Природа магнітного упорядкування. У феритахмагнитоактивние катиони перебувають досить далеко друг від друга, оскільки розділеніанионами кисню, не з магнітним моментом. Тому прямеобменное взаємодія між катионами виявляється дуже слабким або відсутня взагалі. Їх електронні оболонки мало перекриваються.
3.4 Природа обмінного взаємодії
Елементи з недобудованими внутрішніми оболонками називаються перехідними.
На малюнку 3.1 схематично показано структура атома заліза, який містить 26 електронів в чотирьох оболонках. Цифри вказують кількість електронів наподоболочках, напрямиспинов умовно є такі «+» і «-». На зовнішньої4s-оболочке перебуває два електрона зі спинами, мають протилежний зміст (спини компенсовані). Проте за внутрішньоїподоболочке3d перебуває шість електронів, їх в чотирьох електронів спини не компенсовані. Інакше кажучи, цяподоболочка є недобудованій. Між сусідніми атомами виникаєобменное взаємодія,характеризуемое значенням інтеграла обмінній енергії. Виявляється, що обсяг і це ознака обмінній енергії А залежить від відносини відстані між атомами до радіусу незаповненою оболонки (малюнок 3.2). схематичний графік залежностіА(a/r) показаний малюнку 3.3. різні ділянки цієї залежності характеризують різко різняться друг від друга стану магнітних середовищ, розглянуті нижче.
1) >Ферромагнитное стан. Інтеграл обмінній енергії позитивний лише заa/r > 3.2. Цьому співвідношенню відповідають кристали елементівGd,Dy,Ho,Er ,>Tb,Tm. Позитивний знак обмінній енергії означає, що енергетично вигідним станом системі є така, у якому електронні спининезавершенних оболонок сусідніх атомів однаково спрямовані (всі мають однакову знак проекцій спина на виділену просторову вісь).Магнетики, які мають таким властивістю називаютьсяферромагнетиками. Поширюючи це властивість кожну пару атомів, можна зробити висновок, що спини електронів нанезавершенних внутрішніх оболонках в усіх атомів речовини прагнуть зорієнтуватися щодо одного напрямі, і навіть досягається мінімум енергії тіла.
1s2s2p3s3p3d4s
+1 +1 +3 +1 +3 +5 +1
26
-1 -1 -3 -1 –3 –1 -1
Малюнок 3.1 – Електронні оболонки в атомі заліза
rr
a
Малюнок 3.2 – Розміри, що визначають величину обмінній енергії
А
0 1 2 3 4 5 6 7 8a/r
Малюнок 3.3 – Залежність обмінного інтеграла від відносинимежатомного відстані a до радіусуr незаповненою електронної оболонки
У результаті виходить, щоферромагнетик у будь-якій своїй сфері спонтанно намагнічений практично до насичення I =Is =const. У той самий час, досвід показує, що рівноважний станферромагнетиков характеризується відсутністю середнього загального моменту і власного магнітного поля. Це можна пояснити тільки тим,магнетик «розбитий» досить протяжні області (10-5 - 10-2 див) – домени, мають кожен свою орієнтацію вектораIs. Цей вектор різко змінює напрям під час переходу від домену додомену. Така структура зівзаимнокомпенсирующими моментами є енергетично вигідною, оскільки він не генерує зовнішнє магнітне полі, що у іншому разі, було значним резервуаром енергії.
Напрями спонтанноїнамагниченности доменів визначаютьсякристаллографическими напрямами, вздовж яких енергія обмінного взаємодії максимальна. Наприклад, для заліза, має кубічнуобъемно-центрированную структуру, такими заходами є шість напрямів, відповідних трьом взаємноперпендикулярним осях типу [100], длягранецентрированной грати нікелю – вісім, напрямів, відповідним осях типу [111], для гексагональної ґрати кобальту – лише дві напрями, відповідних осі призми [0001]. Ці напрями (осі) називаються напрямами (осями) легенівнамагничивания (>ОЛН). У той самий час слід виділити й напрями (осі) важкогонамагничивания (>ОТН). Енергію,затрачиваемую зовнішнім магнітним полем на поворот векторанамагниченности з напрями легенівнамагничивания в напрям важкогонамагничивания, називають енергією природною магнітноїкристаллографическойанизотропии.
2) >Антиферромагнитное стан. За умовa/r < 3.2 інтеграл обмінній енергії негативний. Цьому співвідношенню відповідають кристали елементівMn,Cr, і навіть рідкісноземельні елементиCe,Pr,Nd,Sm,Eu. Для такихмагнетиков, званих >антиферромагнетиками, енергетично вигіднаантипараллельная орієнтація сусідніхспинов. Через це, уантиферромагнетиков має місце взаємна компенсація магнітних моментів атомів у кожному ділянці кристала. Слід зазначити, що на відміну відпарамагнетиков, у яких компенсація моментів обумовлена їх хаотичним розташуванням, вантиферромагнетиках компенсація пов'язана з суворим порядком в орієнтації моментів.
Крім названих простих кристалів, є велика кількість складних за складомантиферромагнетиков – оксиди, хлориди, фториди, сульфіди,карбонати перехідних елементів. У кристалах складнихантиферромагнетиков на відміну елементарних кристалів,обменное взаємодія безпосередньо міжмагнитоактивними атомами неможливо через щодо великих відстаней з-поміж них. У цих речовинах на вирішальній ролі грає непрямеобменное взаємодія, здійснюване з участю неперехідних елементів. Уоксиде марганцю, наприклад, іони кисню грають роль «переносника»спинових взаємодій. Зовнішня2-p оболонка кисневого іонаO2- заповнена вщерть електронами, причому спінові моменти попарно компенсовані. У результаті те, що внутрішня3d- оболонкакатиона марганцю заповнена в повному обсязі, можлива передача електрона з оболонки кисню з цього оболонку. Та заодно мало виконуватися правилоХунда, відповідно до яким спін перехідного електронаантипараллеленспиновому моменту3d-оболочки. Віддаючи електрон, іон кисню набуває магнітний початок і бере участь у обмінному взаємодії з іншим сусіднімкатионом марганцю. Завдяки сильному перекриття електронних оболонок (>a/r < 3.2) це взаємодія носитьантиферромагнитний характер. Кінцевим результатом такої взаємодії єантипараллельная орієнтація магнітних моментів сусідніх катионів.
Через низькою магнітної сприйнятливостіантиферромагнетики немаєприминения практично як магнітних матеріалів. Проте велике значення мають дехто званінескомпенсированниеантиферромагнетики, чиферримагнетики.
3.5 залежність магнітних властивостей від температури
спонтаннанамагниченность феро- іферримагнетика має місце лише обмеженому згори діапазоні температур. Критична температура, відповіднафазовому переходу 2-го роду зферромагнитного впарамагнитное стан, називається температурою Кюрі чи точкою КюріТк. Ця температурапределается значенням обмінній енергіїТк =A/k (>k – сталаБольцмана). У сфері температур нижче, й поблизу точки Кюрінамагниченность насичення залежить від температури з такого закону:
(3.1)
де – константа для цього матеріалу;
-намагниченность насичення за нормальної температури абсолютного нуля.
Крапка Кюрі, певна вираз (3.1), називається феромагнітної точкою Кюрі (>Ткf).
>Температурная залежністьнамагниченности насичення за нормальної температури понад точки Кюрі підпорядковується закону Кюрі – Вейса:
(3.2)
де З – константа для цього матеріалу, звана постійної Кюрі – Вейса.
Крапка Кюрі, певна вираженням (3.2), називається >парамагнитной точкою Кюрі (>Ткp). Для типовихферромагнетиков значенняТкf іТкp близькі за значенням.
Не усі ці вище елементи маютьферромагнитное стан при нормальних умов – співвідношення А >kТкомн виконується тільки до елементів групи заліза (Fe,Ni, CoGd).
Дляантиферромагнетиков магнітний порядок зберігається до температури Т = ТН, званої температуроюНееля, вище за яку речовина перетворюється напарамагнитное стан.
Список літератури
1.)Нефедцев Є. У. «>РАДИОМАТЕРИАЛЫ ІРАДИОКОМПОНЕНТЫ» Томськ 2000 р.
2.) Пасинків В.В., Сорокін В.С. «Матеріали електронної техніки»
Москва 1986 р.
3)ТареевБ.М. «>Электрорадиоматериалли» Москва 1978 р.
