НАПІВПРОВІДНИКОВІ МАТЕРІАЛИ

У напівпровідників питомий опір при нормальній температурі більший ніж у провідників, але менший ніж у діелектриків [(10^-6...10^-8)< (10^-6...10⁸)< (10⁷...10¹⁶)]Ом·м. Вплив (керованість) температури, світла, електричного поля, механічних зусиль на властивості напівпровідників використовується, як принцип дії термісторів, фоторезисторів, варисторів, тензорезисторів і т.д. Напівпровідники застосовуються для перетворення видів енергії, наприклад, світла в електричний струм.

Напівпровідники поділяються на:

– прості (бор, кремній, германій, фтор, миш’як, сірка, селен, телур);

– складні (кремній - вуглець, індій - сурма, галій - миш’як, кадмій - сірка, індій - селен).

Вироби з напівпровідників мають наступні переваги:

– великий строк служби;

– малі габарити та масу;

– простоту та надійність конструкції, велику механічну міцність;

– відсутність розжарювання (порівняно з вакуумними лампами), малу споживану потужність;

– економічність при масовому виробництві.

Технічні напівпровідники можуть бути розбиті на чотири групи:

Кристали з атомними гратками (графіт, кремній, германій) і з молекулярними гратками (селен, телур, сурма, миш’як, фтор).

Різні окисли (міді, цинку, кадмію, титану, молібдену, вольфраму, нікелю та ін.)

Сульфіди (сірчані з’єднання), селеніди (з’єднання з селеном), телуриди свинцю, міді, кадмію і т.п.

Хімічні з’єднання деяких елементів ІІІ групи (алюміній, галій, індій) з елементами V групи (фосфор, сурма, миш’як) (Сюди відносять і деякі гнучкі полімери).

13.1 Власні напівпровідники

Вони не вміщують домішок, що впливають на його електропровідність.

Згідно зонної теорії твердого тіла, під дією зовнішніх факторів, електрони переходять в зону провідності і утворюють у валентній зоні “дірки”, що заповнюються іншими електронами (рис. ). Спостерігається ефект руху “дірок” (позитивних зарядів).

Слід відмітити, що чисті напівпровідники чутливі до домішок.

Рис. Розташування зон напівпровідника

Домішкові напівпровідники – у них можуть бути чужорідні атоми, надлишок власних атомів, дефекти кристалічної гратки. Якщо атоми знаходяться у вузлах кристалічної гратки, то вони мають назву домішок заміщення. Якщо в міжвузлях – домішки впровадження.

Напівпровідники з домішками, що мають концентрацію електронів більшу ніж дірок, називаються напівпровідниками п – типу (негативні) або донорами (у них електрони основні носії заряду, а дірки – не основні). Напівпровідники з домішками, що мають концентрацію дірок більшу ніж електронів, називаються напівпровідниками р – типу (позитивні) або акцепторами (у них дірки є основними зарядами, а електрони – не основними).

Домішкова електропровідність для свого з’явлення вимагає менших енергетичних дій. Електропровідність напівпровідників збільшується з ростом:

– температури ( перехід електронів із заповненої зони у вільну);

– напруженості електричного поля;

при рості променевої енергії.

13.2 р-п перехід (вентильний ефект)

р п р п р п

– + + - - +

Електричне поле не Електричне поле Зовнішнє поле Реальна ситуація.

прикладене. Виниш прикладене, але направлене Є слабкий зво-

кає зона дифузії, полярність спів- проти дифузно- ротний струм за

що створює запор- падає з напрям- го –електронно- рахунок неосно-

ний шар. ком поля дифу- дірочний прохід вних носіїв.

зії. Струм не йде. вільний. Пішов

струм.

13.3 Методи визначення типу електропровідності напівпровідників

1. Метод визначення типу електропровідності напівпровідників, що базується на використанні ефекту Холла (рис. ).

а) р-тип б) п–тип

Рис. Метод визначення типу напівпровідника

Якщо розмістити пластинку напівпровідника в зовнішнє поперечне магнітне поле Н і прикласти в напрямку її довжини різницю потенціалів, що утворює електричне поле Е, то в результаті зміщення рухомих носіїв зарядів до одного з боків пластини, виникне поперечна електрорушійна сила (заміряється вольтметром V). Направлення зміщення зарядів визначається правилом лівої руки, а тип – за відхиленням стрілки (вліво – п-тип, вправо – р-тип).

2. Метод нагрівання.

Дифузія йде від гарячого кінця до холодного.

а) р-тип б) п–тип

Рис. Метод визначення типу напівпровідника

13.4 Прості напівпровідники

1. Германій (Ge) – в землі його 7×10^-4 %. Технологія отримання полягає в наступному: спочатку переробляють в діоксид германію (порошок білого кольору), а потім відновлюють у водневій печі при температурі 600...700⁰С до елементарного германію (сірий порошок). Отриманий порошок травлять в суміші кислот і сплавляють в зливок. Чистий германій отримують із зливка методом зонної плавки або методом витягування з розплаву (метод Чохральского).

Ge – IV група, яскраво-сірого кольору d= 3,2 т/м³, t_плав.= 937⁰С, r=(6...6,8)10⁵ мкОм×м, e =16,3. Твердий, крихкий метал. Використовують для виготовлення діодів, транзисторів і фотоелементів (з внутрішнім фотоефектом), перетворювачів Холла. Робочий діапазон температур (-60...+70 ⁰С). Германієві прилади повинні бути захищені від вологи.

2. Кремній (Si) – складає 30% земної кори. Технічний кремній отримують в електропечах відновленням його оксидів вуглецевими речовинами. Отримують рідкий трихлорсилан, потім разом з воднем подають в камеру відновлення, де розміщені кремнієві стрижні – затравки, нагріті електрострумом до 1250⁰С, де він осідає в чистий полікристалічний кремній.

Електричні властивості: d= 2,3 т/м³, t_плав.= 1417⁰С, r=0,2×10¹⁰мкОм×м, e =11,7.

Застосовується ширше ніж германій, та як робоча температура 120...200⁰С.

3. Селен (Se) – IV група, отримують при електроочищенні міді. Буває аморфним і кристалічним. Різного кольору. r=10¹¹ мкОм×м і залежить від роду і концентрації домішок, температури, освітленості. Селен – напівпровідник діркової провідності. Електричні властивості: d= 0,8 т/м³, t_плав.= 1217⁰С, e =6,3. Застосовується для виготовлення фотоелементів, випрямлячів, але зараз використання суттєво скоротилося.

13.5 Карбід кремнію

Склад – 70% Si, 30% C . Виготовляють в електропечах при відновлюванні квар цового піску вуглецем при 2000⁰С (отримані друзи розмелюють в порошок).

З карбіду кремнію виготовляють варистори, що мають нелінійну залежність між струмом і напругою. Застосовують у вентильних розрядниках. При перенапрузі у високовольтній лінії спрацьовує іскровий проміжок, опір філітового ( зв’язувальною речовиною карбіду кремнію є рідке скло) варистора різко падає і лінія заземляється. Після зняття перенапруги розрядник повертається в початковий стан і захист автоматично відновлюється.

13.6 Бінарні з’єднання

З’єднання А^ІІІВ^V – фосфіди (AlP, GaP, InP), арсеніди (AlAs, GaAs, InAs), антимоніди ( AlSb, GaSb, InSb). З ростом атомних мас знижується температура плавлення, зменшується твердість. Приклади застосування з’єднань третьої та п’ятої груп:

GaP (фосфід) – з широкою заборонною зоною, використовують для виготовлення світлодіодів червоного та зеленого випромінювання (голубого – нітрид галію).

GaAs (арсенід) – виготовляють фотоелементи (ККД біля 7%), дозиметри рентгенівського випромінювання, напівпровідникові лазери, тунельні діоди. Прилади на GaAs перевершують за частотою германієві та за температурою кремнієві (450⁰С).

InSb (антимонід) – мають малу заборонну зону, виготовляють фотоелементи високої чутливості, датчики Холла, оптичні фільтри, термоелектричні генератори.

З’єднання А^ІІВ^VІ – сульфіди, селеніди, телуриди, оксиди.

– сульфіди (PbS, Bi₂S₃ , CdS) – для виготовлення фоторезисторів (фотоопорів), електролюмінофорів (сульфід індію активується міддю);

– селеніди (PbSe, Bi₂Se₃ , CdSe. HgSe) – для виготовлення фоторезисторів, напівпровідникових термоелементів і джерел когерентного опромінення (лазерів);

– телуриди (PbTe, Bi₂Te₃ , CdTe, HgTe) – для виготовлення фоторезисторів, термоелементів випромінюваних приладів. CdTe – чутливий до рентгенівського опромінення;

– оксиди (Cu₂O) – речовина маслянистого кольору. З нього виготовляли перший тип напівпровідників (р–тип) – перші випрямлячі та фотоелементи. ZnO застосовують для виготовлення терморезисторів (термісторів).

Завдання для самостійної підготовки

1. Встановити відмінність між основними та неосновними носіями заряду в домішкових напівпровідниках.

2. Вияснити природу та область застосування тензорезистивного ефекту у напівпровідникових матеріалах.

3. Вивчити природу та область застосування магніторезистивного ефекту у напівпровідниках.

4. Вивчити суть ефекту Холла та визначити області його технічного застосування.

5. Вивчити природу фоторезистивного ефекту у напівпровідниках, визначити вплив домішок на спектральну характеристику напівпровідникових фоторезисторів.

6. Наведіть приклади використання напівпровідникових матеріалів з врахуванням вашої спеціальності.

Контрольні запитання

1. Наведіть визначення основних фізичних величин та технічних параметрів, які пов’язані з електропровідністю напівпровідників..

2. Чим відрізняються напівпровідникові матеріали від провідникових та електроізоляційних.

3. За якими ознаками проводиться класифікація напівпровідникових матеріалів?

4. Природа електропровідності напівпровідника.

5. Які внутрішні фактори впливають на електропровідність напівпровідника?

6. Які зовнішні фактори впливають на електропровідність напівпровідника?

7. Чи визначає питомий опір природу напівпровідникового матеріалу?

8. Коли електропровідність напівпровідника є власною? Коли домішковою?

9. Які фізичні явища у напівпровідниках є найбільш важливими для технічного застосування?

Запитання для контрольних робіт

202-209. Визначте енергію активації електропровідності матеріалу термістора, якщо відоме значення його температурного коефіцієнта опору (TKO) при 300 K.

210-218. Визначте довгохвильовий край фотопровідності заданого власного напівпровідника і область застосування фоторезисторів на його основі. Характеристики матеріалів наведено у табл. Д.4.

219-229. Визначте температурний коефіцієнт питомого об’емного опору напівпровідників при температурах 300 та 400 K.

230 - 236. Опишіть властивості напівпровідникових матеріалів і укажіть можливу область їхнього застосування.

МАГНІТНІ МАТЕРІАЛИ

Магнітними називаються матеріали, що під дією зовнішнього магнітного поля здатні намагнічуватися, тобто набувати особливих магнітних властивостей.

При розгляді магнітних властивостей матеріалів насамперед необхідно уяснити природу магнітних властивостей речовини. Магнетизм речовини має електричну природу та зумовлюється в основному рухом електронів в атомах. Обертальний рух електрона навколо ядер утворює орбітальний магнітний момент. Сам електрон має спіновий магнітний момент. Атом - це складна магнітна система, магнітний момент якої є векторна сума магнітних моментів електронів, протонів, нейтронів, причому магнітні моменти протонів і нейтронів суттєво менші за електронні магнітні моменти, а орбітальні - часто взаємно компенсуються при утворенні хімічних зв’язків. Така модель атома дозволяє зрозуміти, чому магнітні властивості найбільш виражені в елементів, які мають на внутрішніх оболонках електрони з неспареними спінами, а також оцінити реакцію матеріалів на зовнішнє магнітне поле та провести їхню класифікацію на діа-, пара-, феро-, антиферо - та феримагнетики.

Діамагнітні матеріали складаються з атомів, які не мають магнітного моменту (усі спінові та орбітальні моменти скомпенсовані). У зовнішньому магнітному полі орбіти електронів деформуються, в результаті чого у діамагнетиках індукується магнітний момент, який послаблює зовнішнє магнітне поле. Магнітна сприйнятливість (величина, що характеризує властивість намагнічуватися у магнітному полі) c для діамагнетиків негативна і за абсолютним значенням становить приблизно 10^-5, а відносна магнітна проникність m_r, трохи менша за одиницю. Значення c та m_r не залежать від температури і напруженості магнітного поля.

Парамагнітні матеріали складаються з атомів, що мають неcкомпенсовані неупорядковані магнітні моменти. Під дією зовнішнього магнітного поля магнітні моменти атомів орієнтуються у напрямі магнітного поля та посилюють його. У результаті для парамагнетиків cпозитивна і знаходиться у межах 10^-5 …10^-2 ,. m_r≤1. c та m_r залежать від температури, оскільки тепловий рух порушує упорядкованість магнітних моментів у напрямку зовнішнього магнітного поля.

Феромагнетиками називаються кристалічні матеріали, в яких у результаті дії квантомеханічних сил відбувається паралельна орієнтація магнітних моментів їх структурних елементів в обмежених областях, що дістали назву феромагнітні домени. Існування доменів доведено експериментально – на полірованій поверхні осад тонкого порошку показує контури доменів (фігури Акулова).У межах домену матеріал намагнічується до насичення без дії зовнішнього магнітного поля в результаті чого c та m_{r -} можуть досягти значень 10⁶. Слід враховувати, що магнітні властивості феромагнетиків зумовлені доменною структурою. За температур, що руйнують доменну структуру (вище температури Кюрі), феромагнетики поводять себе, як парамагнітні матеріали. Намагнічування феромагнетиків у зовнішньому полі пов’язане з рухом доменних границь і орієнтацією домена за полем.

Антиферомагнетики - кристалічні матеріали, в яких у результаті квантово-механічної взаємодії частинок спостерігається антипаралельна орієнтація магнітних моментів. Оскільки протилежно орієнтовані магнітні моменти взаємно компенсуються, антиферомагнетики не мають магнітного моменту до певної критичної температури (точка Нееля), коли антипаралельна орієнтація зникає і матеріал веде себе, як парамагнетик.

Феримагнетики подібні до антиферомагнетиків, але з частково скомпенсованими магнітними моментами.

При вивченні процесу намагнічування та магнітних характеристик діа-, пара- і феромагнетиків зручно користуватись електричним аналогом - поляризацією неполярних і полярних діелектриків, а також сегнетоелектриків, зазначаючи подібність та різницю у закономірностях зміни їхніх основних параметрів.

У зв’язку з широким застосуванням феромагнітних матеріалів увагу слід приділити багатозначності відносної магнітної проникності, яка залежить від умов вимірювання та початкового стану матеріалу.

Необхідно засвоїти фізичний зміст і визначення магнітних проникностей :

– початкової

– максимальної (у точці дотику прямої, проведеної через початок координат)

– амплітудної

,

де B_макс, Н_макс -максимальні значення відповідно магнітної індукції та напруженості магнітного поля протягом періоду,

– диференціальної

,

– статичної у даній точці (В, Н)

– реверсивної

???

та імпульсної, а також з’ясувати залежність магнітної проникності від напруженості магнітного поля.

Певна специфіка характерна і для магнітних втрат. Крім втрат на гістерезис, характерних і для сегнетоелектриків, у магнітних матеріалах спостерігаються втрати на вихрові струми, які квадратично зростають з частотою змінного магнітного поля.

Як магнітні матеріали технічного значення набули феро- та феримагнетики. Для їхнього вивчення зручно користуватись класифікацією, наведеною у табл. 8, де за класифікаційну ознаку взяті магнітні характеристики матеріалів.

Таблиця 8

Класифікація феро- і феримагнетиків

При визначенні області технічного застосування магнітних матеріалів необхідно звернути увагу на їхні основні магнітні характеристики (табл. 9).

Таблиця 9 Застосування магнітних матеріалів

7.1. Стислі теоретичні відомості

Атом , іон чи молекула нейтральні у магнітному відношенні, якщо всі спінові та орбітальні магнітні моменти їх частинок взаємно скомпенсовані. Якщо ж повної компенсації немає, то атом має властивості магнітного диполя.

За характером взаємодії речовини з магнітним полем, розрізняють п'ять основних видів магнітних матеріалів: діамагнетики, парамагнетики, феромагнетики, антиферомагнетики і феримагнетики.

Діамагнетик - речовина, атоми, іони або молекули якої не мають результуючого магнітного моменту за відсутності зовнішнього магнітного поля. Діамагнетики мають властивість намагнічуватися протилежно зовнішньому полю. Діамагнітне тіло виштовхується з нерівномірного магнітного поля, а в рівномірному - прагне розміститися перпендикулярно до напрямку силових ліній. До них відносять водень, інертні гази, більшість органічних з’єднань, камінну сіль, деякі метали (мідь, цинк, срібло, золото, ртуть), а також вісмут, галій, сурму.

Парамагнетик - речовина, атоми, іони чи молекули якої мають не скомпенсовані результуючі магнітні моменти, хаотично орієнтовані, якщо відсутнє зовнішнє магнітне поле. Парамагнетики мають властивість намагнічуватися узгоджено з зовнішнім полем, вони втягуються в нерівномірне магнітне поле, а в рівномірному - прагнуть розміститися уздовж силових ліній. До них відносять кисень, оксид азоту, солі заліза, кобальту, нікелю, та рідко земельні елементи, лужні метали, алюміній, платину.

Феромагнетик – як правило кристалічна речовина, у якій магнітні моменти атомів або іонів знаходяться у стані самодовільного магнітного упорядкування, утворюючи домени - макрообласті, що мають просторово однорідне упорядкування магнітних моментів атомів або іонів. Результуючі магнітні моменти кожного з доменів відмінні від нуля, але через хаотичність орієнтації окремих доменів магнітний момент не намагніченого феромагнетика дорівнює нулю. В зовнішньому полі феромагнетики сильно намагнічуються та частково зберігають намагнічування при вилученні з поля.

Антиферомагнетик - кристалічна речовина, у якої магнітні моменти атомів або іонів знаходяться в стані самодовільного магнітного упорядкування, причому результуючі магнітні моменти кожного з доменів рівні нулю завдяки антипаралельному розташуванню не скомпенсованих магнітних моментів сусідніх атомів.

Феримагнетик - кристалічна речовина, магнітну структуру якої можна уявити у вигляді двох або більше феромагнітних підграток з деякою перевагою однієї з них. Можна також визначити феримагнетик, як не повністю скомпенсований антиферомагнетик.

Процес намагнічування під дією зовнішнього поля зводиться:

до росту тих доменів, магнітні моменти яких складають найменший кут з направленням поля, і до зменшення розмірів інших доменів (процес зміщення кордонів доменів);

до повороту магнітних моментів в напрямку зовнішнього поля (процес орієнтації).

Поле відсутнє Слабке поле Сильне поле Насичення

При намагнічуванні феромагнітних монокристалів спостерігається зміна їх розмірів – явище магнітострикції.

Магнітний стан речовини описується залежністю В =f(H) ( B - магнітна індукція; H - напруженість магнітного поля всередині речовини), що є багатозначною функцією. Значення індукції, що відповідає даному значенню напруженості магнітного поля, залежить від магнітної історії матеріалу. В залежності В =f(H) прийнято розрізняти криві намагнічування, петлю гістерезисного циклу та петлі окремих циклів.

Якщо матеріал повністю розмагнічений, то при накладанні монотонно зростаючого поля Н індукція В буде змінюватися по кривій початкового намагнічування (рис. 7.1). На цій кривій виділяються чотири характерні ділянки, пов'язані з процесами намагнічування феромагнетика. В області слабких полів (зона I) відбувається зворотне зміщення меж та збільшення об'єму тих доменів, вектор намагніченості яких утворить найменший кут з напрямком поля намагнічування Н. Це збільшення відбувається за рахунок зменшення об'єму сусідніх доменів. Процес оборотний та при зменшенні поля намагнічування до нуля розміри всіх доменів відновлюються.

У області середніх пересічних полів (зона II) відбувається необоротне зміщення границь доменів з орієнтацією векторів намагніченості вздовж тієї осі легкого намагнічування, напрямок якої складає найменший кут з напрямком зовнішнього поля.

В області сильних полів (зона III) відбувається процес повороту векторів намагніченості з напрямків вздовж осі легкого намагнічування до напрямку паралельного зовнішньому полю. Коли всі магнітні моменти доменів орієнтуються вздовж поля, настає технічне насичення намагніченості (зона IV).

Якщо намагнічувати феромагнетик в зовнішньому магнітному полі, а після цього починаючи з будь-якої точки основної кривої намагнічування зменшувати напруженість поля, то значення індукції також буде зменшуватися, але не за основною кривою, а вище внаслідок явища гістерезису (відставання). При збільшенні поля протилежної напруги зразок може бути розмагнічений або перемагнічений, а при новій зміні напрямку поля індукції він знову може повернутися у вихідну точку, тобто буде описана замкнута крива, яка називається петлею гістерезисного циклу перемагнічування. Для визначення властивостей матеріалу використовують граничну петлю гістерезису, коли намагнічування матеріалу досягає насичення В_S (рис. 7.2).

Крива початкового намагнічування не відповідає умові доброї відтворюваності, тому для характеристики магнітних матеріалів використовують близьку до неї основну криву намагнічування - геометричне місце вершин симетричних петель магнітного гістерезису, що їх одержують шляхом кількох послідовних перемагнічувань шляхом зміни полярності магнітного поля при послідовно зростаючих максимальних значеннях напруженості магнітного поля. При цьому останній цикл перемагнічування повинен закінчуватися при одній і тій же полярності магнітного поля (рис. 7.2).

Основна крива намагнічування використовується для практичного визначення ряду технічних параметрів феромагнетиків. По ній можна визначити початкову і максимальну магнітні проникності, що характеризують здатність феромагнетика намагнічуватися в слабких магнітних полях. Початкова магнітна проникність визначається за нахилом дотичної в точці, яка відповідає початку координат:

,

а максимальна - за максимальним нахилом прямої, проведеної з початку координат дотичної до основної кривої намагнічування в точці верхнього перегину:

,

де m₀- магнітна постійна ( 4p×10^-7 Гн/м);

a - кут нахилу дотичної.

Значення DB і DH можна брати з будь-яких, побудованого на відповідних дотичних, трикутників (не забувайте про масштабний фактор!).

Між цими двома значеннями будуть лежати значення диференціальних магнітних проникностей

,

що характеризують магнітні властивості феромагнетика в точці з координатами (В, Н) і визначаються через дотичні до основної кривої намагнічування у цих точках.

При намагнічуванні змінним струмом із збільшенням частоти через інерційність магнітних процесів феромагнетик намагнічується менше і магнітна проникність зменшується. Основній кривій намагнічування у змінному магнітному полі відповідає динамічна крива намагнічування. Магнітні проникності, визначені з допомогою динамічної кривої намагнічування називаються динамічними.

Магнітна проникність феромагнетиків при температурах, близьких до точки Кюрі, досягає максимальних значень. Вище точки Кюрі доменна структура речовини руйнується та матеріал стає парамагнетиком, тобто при її досягненні матеріал перестає бути магнітним ( для заліза – 768⁰С, нікелю – 358⁰С, кобальту – 1131⁰С).

Для характеристики зміни магнітної проникливості при зміні температури користуються температурним коефіцієнтом магнітної проникливості:

a_m =(m_r)^-1dm_r/dt.

Магнітні матеріали, що використаються у техніці, прийнято ділити на дві основні групи: магнітом’які та магнітотверді. Основною класифікаційною ознакою при діленні матеріалів є значення коерцитивної сили. Матеріали з малим значенням Н_с і великою магнітною проникливістю називаються магнітом’якими. Матеріали з великою Н_с і порівняно малою проникливістю називаються магнітотвердими. Магнітом’які матеріали ( H_C < 4 кА/м) відрізняються здібністю намагнічуватися до насичення навіть у слабких полях (висока магнітна проникність) з малими втратами на перемагнічування. Магнітотверді матеріали (H_C > 4 кА/м) мають велику питому енергію, яка тим більша, чим вище значення В_r та H_C.

Магнітні властивості залежать від зерен структури. При дрібнозернистій структурі сумарна площа зерен в одиниці об’єму більша, ніж при крупнозернистій і у перших матеріалів Н_с більша. Внутрішня напруженість матеріалів залежить від домішок.

Важливою характеристикою феромагнітних матеріалів є втрати потужності на процеси намагнічування, які викликають нагрівання матеріалу при перемагнічуваннях. Розрізняють втрати на гістерезис, втрати на вихрові струми та додаткові.

Втрати на вихрові струми залежать не тільки від магнітних і електричних властивостей феромагнетика, а і від форми зразка. Для листового зразка питомі магнітні втрати дорівнюють

де В_max – амплітуда магнітної індукції;

f - частота змінного струму;

d – товщина листа;

g - густина матеріалу;

r - питомий електричний опір.

Таким чином, основним способом боротьби з магнітними втратами на вихрові струми є підвищення питомого опору магнітного матеріалу. В феритах, в склад яких входять оксиди перехідних? елементів, втрати на вихрові струми низькі.

Крім того використовують такий конструктивний захід, як шихтування, тобто виготовлення осердь з тонких, товщиною порядку 1 мм, листів, ізольованих один від одного, завдяки чому руйнуються шляхи протікання вихрових струмів, а їхня інтенсивність різко знижується. Найбільш ефективно вихрові струми подавляються в магнітодіелектриках, композиційних матеріалах з діелектричною матрицею та феромагнітним наповнювачем.

Питомі втрати енергії на гістерезис дорівнюють площі петлі гістерезису

,

а питомі втрати потужності з врахуванням частоти і маси

де h - коефіцієнт, значення якого залежить від матеріалу;

n знаходиться в межах 1,6...2 ( від 0,1 до 1Тл – B^1,6, при > 1Тл – B²).

Так як р_f залежить від другого ступеня частоти, а р_н – від першого, то при високій частоті приходиться враховувати в першу чергу р_f . р_н враховують при використанні феромагнетиків в імпульсному режимі.

Для зменшення гістерезисних втрат в електротехнічному устаткуванні використовують магнітом’які матеріали.

Для додаткових магнітних втрат, пов’язаних з магнітною післядією, немає надійних розрахункових формул. На практиці вони обчислюються як різниця між повними магнітними втратами та сумою магнітних втрат на гістерезис і вихрові струми.

В схемотехніці магнітні втрати потужності в котушках індуктивності інколи характеризують тангенсом кута магнітних втрат. Якщо моделювати реальну котушку індуктивності послідовним з’єднанням ідеальної індуктивності L і активного опору r, то тангенс кута магнітних втрат на частоті w дорівнює

15.0 МАГНІТОМ’ЯКІ МАТЕРІАЛИ

Мають високу магнітну проникливість, невелику коерцитивну силу і малі втрати на гістерезис. Використовують як осердя трансформаторів, електромагнітів, у вимірювальних приладах і в інших випадках, де необхідно при найменших витратах енергії досягти найбільшу індукцію. Для зменшення втрат на вихрові струму в трансформаторах в трансформаторах використовують магнітом’які матеріали з підвищеним питомим електроопором, осердя набирають з окремих ізольованих один від одного тонких листочків.

15.1 Залізо (низько вуглецева сталь)

1. Технічно чисте залізо (невелика кількість домішок) – має низький питомий опір і використовується, в основному, для магнітопроводів постійних магнітів. За кордоном має назву „армко-залізо”. Отримують шляхом рафінування чавуну в мартенівських печах або в конверторах (сумарна кількість домішок складає 0,08...0,1%). Використовується рідко. Різновид – низько вуглецева електротехнічна листова сталь ( m ³ 3500...4500, Н_с = 100...65 А/м).

2. Особливо чисте залізо (домішок менше 0,05%). Отримують двома способами:

– електролітичним (електролітичне залізо) – електроліз розчину сульфіду або хлориду заліза, де анодом є чисте залізо, а катодом – пластина м’якої сталі. Осаджене на катоді залізо (4...6 мм) після ретельної промивки знімають і подрібнюють в порошок в кульових млинах, з наступним обпіканням та переплавкою;

карбонільним (карбонільне залізо) – термічне розкладення пентакарбонілу заліза (рідина):

Fe(CO)₅ = Fe + 5CO

Fe(CO)₅ отримують дією оксиду вуглецю при температурі 200⁰С та тиску 15 МПа. Карбонільне залізо – тонкий порошок, який застосовують для виготовлення пресованих високочастотних магнітних осердь.

15.2 Кремениста електротехнічна сталь

Основний магнітом’який матеріал масового використання. Кремній підвищує питомий опір, що знижує втрати на вихрові струми, сприяє виділенню вуглецю у вигляді графіту (розкислює сталь) і що збільшує m_r і зменшує Н_с ( знижуються втрати на гістерезис). Вміст до 4% кремнію задовольняє механічні властивості, при кількості кремнію більше 5% сталь стає дуже крихкою. Сталь електротехнічну листову поділяють і маркують:

за структурним складом і видом прокатки на класи (перша цифра маркування):

1 – гарячекатана ізотропна (ізотропність – незалежність властивостей від напрямку);

2 – холоднокатана ізотропна;

3 – холоднокатана анізотропна з ребристою текстурою (анізотропність – залежність властивостей від напрямку).

за вмістом кремнію (друга цифра маркування):

0 – до 0,4% Si (нелегована);

1 – 0,4 < Si £ 0,8%;

2 – 0,8 < Si £ 1,8%;

3 – 1,8 < Si £ 2,8%;

4 – 2,8 < Si £ 3,8%;

5 – 3,8 < Si £ 4,8%.

за основними характеристиками, що нормуються, на групи (третя цифра маркування):

0 – питомі втрати при магнітній індукції 1,7 Тл і частоті 50 Гц;

1 – при 1,5 Тл і частоті 50 Гц ;

2 – при 1 Тл і частоті 400 Гц;

6 – магнітна індукція в слабких магнітних полях при напруженості 0,4 А/м;

7 – магнітна індукція в середніх магнітних полях при напруженості 10 А/м.

Маркується чотирма цифрами: перші три – тип сталі, четверта – порядковий номер типа сталі. Випускають рулонами з електроізоляційним або без покриття товщиною 0,1...1 мм. Виготовляють магнітні кола. При виготовленні осердя трансформатора намоткою, зменшується маса і габарити сталі на 20...25%, в радіотрасформаторів – на 40%.

15.3 Пермалої

Це залізонікелеві сплави з великою початковою магнітною проникливістю, що пов’язано з практично відсутньою анізотропією та магнітострикцією. Розрізнюють високонікелеві (70...83% нікелю) та низьконікелеві (45...50% нікелю).

Дуже легко намагнічується в слабких полях. Найбільша магнітна проникливість у виробах з 78,5% нікелю. Магнітні властивості чутливі до зовнішніх механічних напружень, залежать від хімічного складу та домішок і різко міняються від режимів термообробки. У високонікелевих індукція насичення в 2 рази нижча ніж в електротехнічній сталі та в 1,5 рази нижча ніж в низьконікелевих пермалоїв. Магнітна проникливість високонікелевих пермалоїв в декілька раз вища ніж у низьконікелевих і набагато переважає електротехнічну сталь. Питомий опір високонікелевих майже в 3 рази менший ніж у низьконікелевих, тому вони погано працюють при високих частотах (виникають залишкові вихрові струми). Вартість пермалоїв визначається кількісним вмістом нікелю.

Добавлення молібдену та хрому підвищує питомий опір і знижує індукційне насичення. Мідь збільшує постійність магнітної проникності, додає температурну стабільність і питомий опір, покращує можливість механічного оброблення. Кремній і марганець збільшують питомий опір.

Маркування складається з цифр, що вказують вміст нікелю в % і літер: Н – нікель; К – кобальт; Х – хром; М – марганець; С – кремній; Д – мідь.

Додаткові: У – покращені властивості; П – з прямокутною петлею гістерезису.

Суперпермалой має високі магнітні властивості в слабких полях.

Застосовуються пермалої для виготовлення осердь трансформаторів, дроселів, реле, деталей магнітних кіл, що працюють при підвищеній індукції без підмагнічування або з невеликим підмагнічуванням, магнітних екранів.

15.4 Альсифери

Сплави заліза з кремнієм та алюмінієм. Оптимальний склад 9,5% кремнію, 5,6% алюмінію. Властивості: m_rн=35500; m_rмакс= 120000; Н_с= 1,8 А/м; r=0,8 мкОм×м. Не оступаються високонікелевим пермалоям. Відрізняються твердістю та крихкістю, але можна виливати з них фасовані відливки. Виготовляють магнітні екрани та корпуси приладів, але товщина стінок повинна буди неменшою 2...3 мм. Завдяки крихкості розмелюють в порошок і використовують як карбонільне залізо для виготовлення високочастотних осердь.

15.5 Спеціальні феромагнетики

1. Сплави з незначною зміною магнітної проникливості при зміні напруженості поля.

Пермінвари – склад 29,4% заліза, 45% нікелю, 25% кобальту, 0,6% марганцю. Обпікають при температурі 1000⁰С , витримують при 400...500⁰С і повільно охолоджують. Має невелику коерцитивну силу, початкова магнітна проникність 300 і зберігає постійне значення до Н=250 А/м при В=0,1 Тл. Чутливий до температурних і механічних напружень.

Ізоперм – сплав заліза, нікелю, алюмінію, міді; при зміні Н до декількох сот А/м зберігає стабільні магнітні властивості.

2. Сплави з сильною залежністю магнітної проникливості від температури.

Сплави на основі нікель–міді, заліза–нікелю або залізо–нікель-хром. Застосовують для компенсації в установках температурної похибки, що викликається зміною індукції постійних магнітів або зміною опору проводів магнітоелектричних приладів порівняно з тими значеннями, при яких проводилось градуювання. Точка Кюрі для них лежить між 0 і 100⁰С. Так сплав нікель-мідь при 30% кількості міді компенсує в межах (-20...+80⁰С), а при 40% вмісту міді – (-50...+10⁰С). Найбільш поширені сплави залізо-нікель-кобальт, що працюють як компенсатори в діапазоні (-70...+70⁰С).

3. Сплави з високою магнітострикцією.

Системи залізо-платина, залізо-кобальт, залізо-алюміній. В них зміна лінійних розмірів (Dl/l) при повздовжній магнітострикції позитивна і лежить в межах (40...120)10^-6. Явище магнітострикції використовується в генераторах звукових і ультразвукових коливань. Магнітострикційні вібратори застосовуються в технологічних установках з обробки крихких і твердих матеріалів, в дефектоскопах, а також в перетворювачах механічних коливань в електричні.

4. Сплави з особливо високою індукцією насичення (до 2,4 Тл).

Системи залізо-кобальт (50...70% кобальту) – пермендюри. Питомий електричний опір невеликий. Застосовують в спецапаратах, в динамічних репродукторах, осцилографах, телефонних мембранах. Мають високу вартість.

15.6 Магнітодіелектрики

Застосовують при підвищеній і високих частотах. Мають великий питомий електричний опір і малий тангенс кута магнітних втрат. Являють собою композицію карбонільного заліза та розмеленого альсіферу зв’язаних фенолоформальдегідною смолою, полістирольним склом. Зв’язка утворює електроізоляційну плівку однакової товщини. У магнітодіелектриків магнітна проникність нижча ніж у феромагнетиків. Магнітна проникливість їх не керується зовнішнім магнітним полем. На сьогодні замінені феритами.

15.7 Конструкційні чавуни та сплави

Поділяються на:

– магнітні – сірий чавун, вуглецева та легована сталі. Виготовляють корпуси електромашин, плити. Для чавунів притаманна крихкість;

– немагнітні – немагнітний чавун і сталь. Застосовують там, де наявність магнітних властивостей може зашкодити роботі приладів і апаратів – масляні вимикачі, кожухи зварювальних трансформаторів.