ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Пасты для межслойной изоляции и защиты от внешней среды изготавливают из низкоплавкого стекла и глинозема. Толщина диэлектрического слоя составляет от 30 до 70 мкм, удельная емкость от 150 до 200 пФ/см², пробивное напряжение 500 В.

Диэлектрическая проницаемость паст для изоляции и защиты находится в пределах от 10 до 15. Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте от 1 кГц до 1,5 МГц не превышает 25×10^-4. Сопротивление изоляции более 10¹² Ом при постоянном напряжении 100 В.

Для многослойной сложной разводки межэлементных соединений используют кристаллизующееся стекло. В целях удобства сортировки различных микросхем на операциях сборки применяют разноцветные защитные пасты.

РАЗДЕЛ IV МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ГЛАВА 14

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Магнетизм – общее название эффектов взаимодействия электрических токов между собой, магнитов между собой, а также токов и магнитов.

14.1. Терминология

Описание магнитных свойств твердых тел требует использования специальной терминологии, основные понятия которой приведены ниже.

Магнитное поле – силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на конденсированные тела, обладающие магнитным моментом. Термин «магнитное поле» введен в 1845 г. М. Фарадеем.

Магнитное поле в веществе характеризуется двумя векторными величинами: магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля. Магнитная индукция В – среднее результирующее магнитное поле в веществе (единица измерения – тесла, Тл). Напряженность магнитного поля Н – силовая характеристика магнитного поля, определяет вклад внешних источников поля в магнитную индукцию образца [А/м]. Вектор Н(r, t) является функцией радиус-вектора r наблюдаемой точки и времени t. В вакууме В = m₀Н, где m₀ = 4p×10^-7 Г/м – магнитная постоянная.

Источниками магнитных полей являются электрические токи, переменные электрические поля и магнитные моменты. Магнитный момент – векторная величина, характеризующая вещество как источник магнитного поля. Магнитный момент создают протекающие в структуре вещества замкнутые электрические токи и упорядоченно ориентированные магнитные моменты его атомных частиц. У последних различают орбитальные магнитные моменты (например, у электронов в атомах) и спиновые, связанные со спином частицы. Магнитный момент конденсированного тела определяется векторной суммой магнитных моментов частиц, из которых оно состоит. Единица магнитного момента – магнетон. Квант магнитного момента равен магнетону Бора m_В = 9,27×10^-24 Дж/Тл (назван по имени создателя современной физики Н. Бора).

Магнитный поток – поток вектора магнитной индукции, проходящий через поверхность площадью S: Ф = , где B_n – проекция вектора В на нормаль к малой площадке dS, в пределах которой В = const. Единица магнитного потока – вебер, 1 Вб = 1 Тл×м².

Намагниченность – характеристика магнитного состояния вещества [А/м], средняя плотность его магнитного момента или магнитный момент единицы объема образца: ,где M – магнитный момент, V – объем. Индукция B связана с напряженностью магнитного поля и намагниченностью соотношением

. (14.1)

Магнитодвижущая сила (намагничивающая сила) – характеристика способности источников магнитного поля создавать магнитные потоки. Намагничивание – процессы установления намагниченности, протекающие в веществе при действии на него внешнего магнитного поля.

Магнитное насыщение (намагниченность насыщения) – достижение максимального возможного для данного вещества значения намагниченности J_¥, не изменяющегося при дальнейшем росте намагничивающего поля. В состоянии насыщения все имеющиеся в веществе элементарные магнитные моменты ориентированы вдоль Н.

Магнитная восприимчивость – безразмерная величина, характеризующая связь между намагниченностью (магнитным моментом) вещества и напряженностью магнитного поля в нем. В магнитостатических полях, напряженность которых со временем не изменяется по величине и направлению, восприимчивость æ = J/Н, безразмерная величина.

Магнитная проницаемость m характеризует реакцию вещества на воздействие внешнего магнитного поля и связана с магнитной восприимчивостью: m = 1 + æ. Для однородной изотропной среды магнитная проницаемость связывает векторы магнитной индукции и напряженности магнитного поля соотношением:

(14.2)

Магнитотепловые явления – изменение теплового состояния конденсированных тел (внутренней энергии, температуры) при изменении их магнитного состояния (намагничивании и перемагничивании). Магнитокалорический эффект – изменение температуры образца под действием магнитного поля. Как правило, в условиях теплоизоляции намагничивание приводит к увеличению температуры вещества, а размагничивание – к ее снижению.

Магнитный резонанс – избирательное поглощение веществом электромагнитных волн определенной частоты вследствие изменения ориентации магнитных моментов частиц вещества.

Магнитная цепь – совокупность источников магнитного потока и конденсированных тел, через которые он замыкается. Магнитное сопротивление (магниторезистивный эффект) – характеристика магнитной цепи, отношение магнитодвижущей силы в цепи к созданному в ней магнитному потоку [А/Вб]. Магнитопровод – элемент магнитной цепи, предназначенный для локализации потока магнитной индукции и изготовленный из материала с высокой магнитной проницаемостью.

Содержание прочих терминов, в частности, касающихся применения магнитных свойств материалов для электроники, будет раскрыто по мере изложения материала главы.

14.2. Магнетики

Огромное число атомов, из которых построена структура вещества, обусловливает практически неисчерпаемое разнообразие магнитных свойств конденсированных тел. Для обозначения таких тел употребляют общий термин «магнетики». Магнетик – вещество, у которого обнаружены какие-либо магнитные свойства. Множество типов магнетиков – следствие разнообразия магнитных свойств микрочастиц, образующих магнетик, взаимодействий частиц, наличия фаз в составе магнетика и др.

Магнетики классифицируют, прежде всего, по признаку магнитной восприимчивости æ: вещества с æ < 0 называют диамагнетиками, с æ > 0 – парамагнетиками, а с æ >> 0 – ферромагнетиками.

Более глубокая физическая классификация магнетиков основана на признаках магнитной атомной структуры кристалла. Магнитная атомная структура – упорядоченное пространственное расположение магнитных атомов кристалла, имеющих собственные магнитные моменты. Элементом структуры магнитоупорядоченного кристалла является магнитная ячейка, параллельными переносами которой в трех измерениях (трансляциями) можно полностью воспроизвести магнитную атомную решетку кристалла. По этому критерию различают твердые тела:

− с ферромагнитной атомной структурой, имеющие ненулевой суммарный магнитный момент атомов m_J ¹ 0, векторы магнитных моментов которых параллельны и одинаково ориентированы;

− с антиферромагнитной структурой, m_J = 0;

− с ферримагнитной структурой (m_J ¹ 0), в которой векторы магнитных моментов атомов образуют несколько магнитных подрешеток с нескомпенсированными магнитными моментами.

14.2.1 Диамагнетизм

Диамагнетизм (греч. приставка dia означает здесь расхождение силовых линий) – свойство вещества намагничиваться навстречу направлению действующего на него внешнего магнитного поля.

Действие магнитного поля на электронную оболочку атома обусловливает добавочное круговое движение электронов, возникающее в силу закона электромагнитной индукции. Индуцированные круговые токи создают в каждом атоме индуцированный магнитный момент. Согласно правилу Ленца, он направлен противоположно внешнему магнитному полю, независимо от того, имелся ли у атома собственный магнитный момент или нет. Поэтому диамагнетизм свойственен всем веществам.

Диамагнетик – вещество, намагничивающееся во внешнем магнитном поле напряженностью Н в направлении, противоположном Н. Намагниченность, связанная с диамагнетизмом, обычно невелика. В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетик немагнитен. Магнитная восприимчивость диамагнетиков всегда отрицательна (æ < 0), мала по абсолютной величине, слабо зависит от напряженности поля и от температуры (табл. 14.1).

Таблица 14.1 Магнитная восприимчивость некоторых диамагнетиков

Типичными диамагнетиками являются инертные газы, N₂, H₂, Si, P, Bi, Zn, Cu, Au, Ag, многие органические и неорганические соединения. У этих веществ электронные оболочки атомов или молекул целиком заполнены и не обладают постоянным магнитным моментом, так как в отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов взаимно скомпенсированы.

Сверхпроводники имеют наибольшее по абсолютной величине значение магнитной восприимчивости (æ = -1/4p) и магнитную индукцию, равную нулю. Это значит, что магнитное поле не проникает в сверхпроводник (см. 2.4).

14.2.2 Парамагнетизм

Парамагнетизм (от греч. para – возле, рядом) – свойство вещества намагничиваться во внешнем магнитном поле в направлении поля. Это значит, что внутри парамагнетика – вещества с положительной магнитной восприимчивостью (æ > 0) – к действию внешнего поля прибавляется действие намагниченности. В отсутствие внешнего поля намагниченность парамагнетиков равна нулю, следовательно, они не имеют упорядоченного расположения и ориентации атомных магнитных моментов, т.е. не обладают магнитной атомной структурой. Термин «парамагнетизм» ввел в 1845 г. М. Фарадей.

Во внешнем поле магнитные моменты атомов в парамагнетиках ориентируются по полю. С его ростом намагниченность (магнитный момент) парамагнетиков растет по закону J = æH, и в сильном поле наступает магнитное насыщение.

Магнитная восприимчивость парамагнетиков положительна, в слабых полях практически не зависит от H, но очень сильно зависит от температуры. Ее абсолютное значение невелико (табл. 14.2).

Таблица 14.2 Магнитная восприимчивость парамагнетиков

14.2.3 Ферромагнетизм и ферримагнетизм

Ферромагнетизм – магнитоупорядоченное состояние вещества, в котором большинство атомных магнитных моментов параллельны и одинаково направлены, так что вещество обладает самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью. Ферромагнетизм устанавливается в отсутствие внешнего магнитного поля при температуре ниже точки Кюри (Т_C), выше которой спонтанная намагниченность исчезает и ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние.

Ферромагнетики – вещества, в которых имеет место ферромагнитное упорядочение магнитных моментов атомов или магнитных моментов коллективизированных электронов (рис. 14.1). Векторы атомных магнитных моментов коллинеарны, т.е. лежат на одной или на параллельных прямых.

Антиферромагнетиками называют вещества, в которых соседние атомные моменты расположены антипараллельно. Антиферромагнетизм имеет место в кристаллах Cr и Mn, ряде редкоземельных металлов (Ce, Рг, Nd, Sm, Eu), а также в многочисленных соединениях и сплавах с участием элементов переходных групп. В магнитном отношении кристаллическая решётка этих веществ разбивается на так называемые магнитные подрешётки, векторы самопроизвольной намагниченности J_i которых либо антипараллельны (коллинеарная антиферромагнитная связь), либо направлены друг к другу под углами, отличными от 0° и 180°.

Если суммарный момент всех магнитных подрешёток в антиферромагнетике равен нулю, то имеет место скомпенсированный антиферромагнетизм. Если же имеется отличная от нуля разностная самопроизвольная намагниченность, то наблюдается нескомпенсированный антиферромагнетизм, или ферримагнетизм, который реализуется главным образом в кристаллах оксидов металлов с кристаллической решёткой типа шпинели, граната, перовскита и других минералов (их называют ферритами). Эти тела (обычно полупроводники и изоляторы) по магнитным свойствам похожи на обычные ферромагнетики.

Ось лёгкого намагничивания (ОЛН) –направление в ферро- или ферримагнитном образце, вдоль которого работа намагничивания образца до насыщения, производимая внешним магнитным полем, минимальна. Если внешнее поле на образец не действует, то намагниченность в каждом домене образца направлена вдоль ОЛН.

В ферромагнитных монокристаллах ОЛН совпадают с главными кристаллографическими осями (например, в железе − с тетрагональными типа [100], в никеле − с тригональными [111], в кобальте − с гексагональной [0001]). При наложении на ферромагнитный монокристалл внешних напряжений (сжатие, растяжение) направления ОЛН могут измениться, а в поликристаллическом образце даже образоваться вновь. Наличие ОЛН является прямым следствием магнитной анизотропии ферромагнитных веществ.