Характеристика, виды и свойства магнитных материалов. Описание и сферы применения металлических сверхпроводников

????????? ?? http://www.allbest.ru

????????? ?? http://www.allbest.ru

1. Характеристика, виды и свойства магнитных материалов

Материалы, которые под действием внешнего магнитного поля намагничиваются, называют магнитными. Основными магнитными материалами являются железо, никель, кобальт и различные сплавы на их основе. Свойства магнитных материалов оцениваются магнитными характеристиками.

Магнитная проницаемость определяет способность материала к намагничиванию: чем она больше, тем легче намагничивается материал. Магнитная проницаемость зависит от действующей напряженности магнитного поля Н. Поэтому для оценки способности материала к намагничиванию приходится учитывать начальную магнитную проницаемость н и максимальную магнитную проницаемость mах.

Магнитотвердые материалы применяют для изготовления постоянных магнитов. Основное требование к постоянным магнитам состоит в том, что они должны создавать в воздушном зазоре между своими полюсами магнитное поле с постоянными значениями напряженности Н и магнитной индукции В.

К характеристикам магнитотвердых материалов относятся остаточная магнитная индукция Br, коэрцитивная сила Нс, а также максимальная объемная плотность энергии магнитного поля в воздушном зазоре Wм. Она измеряется в Дж/м3, если индукция В выражена в Тл, а напряжённость поля Н в А/м.

2. Описание и сферы применения металлических сверхпроводников

Явление сверхпроводимости при криогенных температурах достаточно широко распространено в природе. Сверхпроводимостью обладают 26 металлов. Большинство из них являются сверхпроводниками I рода с критическими температурами перехода ниже 4,2 К. В этом заключается одна из причин того, что большинство сверхпроводящих металлов для электротехнических целей применить не удается. Еще 13 элементов проявляют сверхпроводящие свойства при высоких давлениях. Среди них такие полупроводники, как кремний, германий, селен, теллур, сурьма и др. Следует заметить, что сверхпроводимостью не обладают металлы, являющиеся наилучшими проводниками в нормальных условиях. К ним относятся золото, медь, серебро. Малое сопротивление этих материалов указывает на слабое взаимодействие электронов с решеткой. Такое слабое взаимодействие не создает вблизи абсолютного нуля достаточного межэлектронного притяжения, способного преодолеть кулоновское отталкивание. Поэтому и не происходит их переход в сверхпроводящее состояние. Кроме чистых металлов сверхпроводимостью обладают многие терметаллические соединения и сплавы. Общее количество наименований известных в настоящее время сверхпроводников составляет около 2000. Среди них самыми высокими критическими параметрами обладают сплавы и соединения ниобия. Некоторые из них позволяют использовать для достижения сверхпроводящего состояния вместо жидкого гелия более дешевый хладагент -- жидкий водород.

Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам II рода. Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является, абсолютным. Любой сверхпроводник I рода можно превратить в сверхпроводник II рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки. Например, у чистого олова 7\.в = 3,7 К, но если вызвать в олове резко неоднородную механическую деформацию, то критическая температура возрастет до 9 К, а критическая напряженность магнитного поля увеличится в 70 раз.

Сверхпроводимость никогда не наблюдается в системах, в которых существует ферро- или антиферромагнетизм. Образованию сверхпроводящего состояния в полупроводниках и диэлектриках препятствует малая концентрация свободных электронов. Однако в материалах с большой диэлектрической проницаемостью силы кулоновского отталкивания между электронами в значительной мере ослаблены. Поэтому некоторые из них также проявляют свойства сверхпроводников при низких температурах. Примером может служить титанат стронция (SrTiO3), относящийся к группе сегнетоэлектриков.

Ряд полупроводников удается перевести в сверхпроводящее состояние добавкой большой концентрации легирующих примесей {GeTe, SnTe, CuS и др.). магнитный сверхпроводящий полупроводник

В настоящее время промышленность выпускает широкий ассортимент сверхпроводящих проволок и лент для самых различных целей. Изготовление таких проводников связано с большими технологическими трудностями. Они обусловлены плохими механическими свойствами многих сверхпроводников, их низкой теплопроводностью и сложной структурой проводов. Особенно большой хрупкостью отличаются интерметаллические соединения с высокими критическими параметрами, этому вместо простых проволок и лент приходится создавать композиции из двух (обычно сверхпроводник с медью) и даже нескольких металлов. Для получения многожильных проводов из хрупких интерметаллидов особенно перспективен бронзовый метод (или метод твердофазной диффузии), освоенный промышленностью. По этому методу прессованием и волочением создается композиция из тонких нитей ниобия в матрице из оловянной бронзы. При нагреве олово из бронзы диффундирует в ниобий, образуя на его поверхности тонкую сверхпроводящую пленку станнида ниобия Nb3 Sn. Такой жгут может изгибаться, но пленки остаются целыми.

Применение.

Керамические сверхпроводники весьма перспективны в плане крупномасштабных применений, главным образом по той причине, что их можно изучать и использовать при охлаждении сравнительно недорогим жидким азотом.

Первым промышленным применением сверхпроводимости было создание сверхпроводящих магнитов с высокими критическими полями. Доступные сверхпроводящие магниты позволили получить к середине 1960-х годов магнитные поля выше 100 кГс даже в небольших лабораториях. Ранее создание таких полей с помощью обычных электромагнитов требовало очень больших количеств электроэнергии для поддержания электрического тока в обмотках и огромного количества воды для их охлаждения.

Следующее практическое применение сверхпроводимости относится к технике чувствительных электронных приборов. Экспериментальные образцы приборов с контактом Джозефсона могут обнаруживать напряжения порядка 10-15 Вт. Магнитометры, способные обнаруживать магнитные поля порядка 10-9 Гс, используются при изучении магнитных материалов, а также в медицинских магнитокардиографах. Чрезвычайно чувствительные детекторы вариаций силы тяжести могут применяться в различных областях геофизики.

Техника сверхпроводимости и особенно контакты Джозефсона оказывают все большее влияние на метрологию. С помощью джозефсоновских контактов создан стандарт 1 В. Был разработан также первичный термометр для криогенной области, в которой резкие переходы в некоторых веществах используются для получения реперных (постоянных) точек температуры. Новая техника используется в компараторах тока, для измерений радиочастотной мощности и коэффициента поглощения, а также для измерений частоты. Она применяется также в фундаментальных исследованиях, таких, как измерение дробных зарядов атомных частиц и проверка теории относительности.

Сверхпроводимость будет широко использоваться в компьютерных технологиях. Здесь сверхпроводящие элементы могут обеспечивать очень малые времена переключения, ничтожные потери мощности при использовании тонкопленочных элементов и большие объемные плотности монтажа схем. Разрабатываются опытные образцы тонкопленочных джозефсоновских контактов в схемах, содержащих сотни логических элементов и элементов памяти.

Наиболее интересные возможные промышленные применения сверхпроводимости связаны с генерированием, передачей и использованием электроэнергии. Например, по сверхпроводящему кабелю диаметром несколько дюймов можно передавать столько же электроэнергии, как и по огромной сети ЛЭП, причем с очень малыми потерями или вообще без них. Стоимость изготовления изоляции и охлаждения криопроводников должна компенсироваться эффективностью передачи энергии. С появлением керамических сверхпроводников, охлаждаемых жидким азотом, передача электроэнергии с применением сверхпроводников становится экономически очень привлекательной.

Еще одно возможное применение сверхпроводников - в мощных генераторах тока и электродвигателях малых размеров. Обмотки из сверхпроводящих материалов могли бы создавать огромные магнитные поля в генераторах и электродвигателях, благодаря чему они были бы значительно более мощными, чем обычные машины. Опытные образцы давно уже созданы, а керамические сверхпроводники могли бы сделать такие машины достаточно экономичными. Рассматриваются также возможности применения сверхпроводящих магнитов для аккумулирования электроэнергии, в магнитной гидродинамике и для производства термоядерной энергии.

Инженеры давно уже задумывались о том, как можно было бы использовать огромные магнитные поля, создаваемые с помощью сверхпроводников, для магнитной подвески поезда (магнитной левитации). За счет сил взаимного отталкивания между движущимся магнитом и током, индуцируемым в направляющем проводнике, поезд двигался бы плавно, без шума и трения и был бы способен развивать очень большие скорости. Экспериментальные поезда на магнитной подвеске в Японии и Германии достигли скоростей, близких к 300 км/ч.

Трансформаторная сталь.

Трансформаторная (электротехническая) листовая сталь идет на изготовление трансформаторов, электрических машин и приборов. Эта сталь отличается низкими потерями при перемагничивании, высокой магнитной индукцией и низким значением коэрцитивной силы. Толщина электротехнической горячекатаной и холоднокатаной листовой стали составляет 1,0--0,1 мм. Лучшая трансформаторная сталь -- холоднокатаная.

Максимальное содержание кремния в холоднокатаной трансформаторной стали обычно не превышает 3,5%, так как при большей его концентрации значительно снижается пластичность и увеличивается жесткость стали. Сталь в основном прокатывается толщиной 0,5, 0,35 и 0,2 мм в рулонах. Поставляется холоднокатаная трансформаторная сталь в листах длиной 720--2000 и рулонах шириной 240--1000 мм.

Чем меньше толщина листа, тем меньше потери при перемагничивании и выше служебные качества трансформаторов и приборов. Лучшие показатели удельных потерь холоднокатаной трансформаторной стали составляют 0,5--0,6 Вт/кг при перемагничивании ее с частотой 50 Гц и максимальном значении индукции 10 000 Гс.

На магнитные свойства трансформаторной стали основное влияние оказывает содержание кремния, который повышает электросопротивление и способствует при нагреве росту крупных зерен, что увеличивает магнитную проницаемость стали. Образованию крупных зерен содействует и строгое ограничение в стали других примесей -- углерода, серы, фосфора, водорода, азота.

Холоднокатаная трансформаторная сталь текстурована, она имеет высокие магнитные свойства в направлении прокатки (в горячекатаной стали текстуры нет). Две наиболее характерные текстуры трансформаторной

Направление прокатки стали -- ребровая и кубическая. При ребровой текстуре диагональная плоскость кубической решетки (ПО) совпадает с плоскостью прокатки, а направление легкого намагничивания в решетки а-железа (100)--с направлением прокатки. Направление трудного намагничивания (111) составляет с направлением прокатки угол 55°.

Анизотропия магнитных свойств при данной текстуре учитывается при изготовлении трансформаторов для того, чтобы магнитный поток и направление прокатки (направление малых потерь и высокой магнитной проницаемости) совпадали.

При кубической текстуре плоскость (100) совпадает с плоскостью прокатки, а ребра куба (направления легкого намагничивания) располагаются по направлению прокатки и поперек ее. Таким образом, магнитные свойства у сталей с кубической текстурой одинаковы в направлении прокатки и поперек ее; эти стали целесообразно применять в качестве сердечников трансформаторов и приборах, в которых направление магнитного потока изменяется во времени. Исходным материалом при холодной прокатке транформаторной стали являются горячекатаные рулоны с толщиной листа примерно 2,5 мм.

В цехе холодной прокатки сначала осуществляется обезуглероживающий отжиг горячекатаных рулонов при температуре 800°С в течение ~30 ч без защитной атмосферы. Затем производится непрерывное травление отожженных рулонов в растворе серной (соляной) кислоты.

Холодная прокатка трансформаторной стали толщиной 0,5 и 0,35 мм происходит в два передела (с промежуточным отжигом) при общем обжатии за каждый, передел ~60%. Затем осуществляется окончательный высокотемпературный отжиг при температуре 1150-- 1180°С, приводящий к росту крупных зерен. Это связано с тем, что трансформаторная сталь (твердый раствор кремния в а-железе) при нагреве не имеет превращения a-Fe4±Y"Fe- Росту крупных зерен способствуют и незначительные примеси других элементов, составляющие сотые и тысячные доли процента. Например, содержание углерода в готовом листе составляет всего 0,004-- 0,008 %.

При отжиге текстура деформации переходит в текстуру рекристаллизации, ориентированную по-другому.

Таким образом ребровая или кубическая текстура получаются в результате рекристаллизации при окончательном высокотемпературном отжиге. Этот отжиг производится в защитной атмосфере, представляющей собой азот или сухой водород. Последний, соединяясь с кислородом, образует пары воды, которые сразу же испаряются и рафинирует сталь, поглощая остатки углерода. Кроме того, сухой водород способствует получению наиболее совершенной кубической текстуры, но он дорог по сравнению с азотом и взрывоопасен. По этой причине чаще всего в качестве защитной среды от окисления применяют азот (или смесь азота и водорода).

В цехах холодной прокатки трансформаторную сталь изготовляют с электроизоляционным покрытием, что позволяет повысить ее эксплуатационные и антикоррозионные свойства. Рулоны разрезают на листы требуемых размеров на агрегатах поперечной и продольной резки. Холодную прокатку трансформаторной стали осуществляют также на одноклетевых станах, а в последнее время на 20-валковых станах, обеспечивающих получение готового листа высокого качества.

Фотоэлементы.

В современной электронной технике широко используются полупроводниковые приборы, основанные на принципах фотоэлектрического и электрооптического преобразования сигналов. Первый из этих принципов обусловлен изменением электрофизических свойств вещества в результате поглощения в нем световой энергии (квантов света). При этом изменяется проводимость вещества или возникает э. д. с., что приводит к изменениям тока в цепи, в которую включен фоточувствительный элемент. Второй принцип связан с генерацией излучения в веществе, обусловленной приложенным к нему напряжением и протекающим через светоизлучающий элемент током. Указанные принципы составляют научную основу оптоэлектроники - нового научно-технического направления, в котором для передачи, обработки и хранения информации используются как электрические, так и оптические средства и методы.

Все многообразие оптических и фотоэлектрических явлений в полупроводниках можно свести к следующим основным:

- поглощение света и фотопроводимость;

- фотоэффект в p-n переходе;

- электролюминесценция;

- стимулированное когерентное излучение.

Фотопроводимость. Фоторезистивный эффект

Явлением фотопроводимости называется увеличение электропроводности полупроводника под воздействием электромагнитного излучения.

При освещении полупроводника в нем происходит генерация электронно-дырочных пар за счет переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости.

Фотопроводимость полупроводников может обнаруживаться в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой частях электромагнитного спектра в зависимости от ширины запрещенной зоны, которая, в свою очередь, зависит от типа полупроводника, температуры, концентрации примесей и напряженности электрического поля.

Рассмотренный механизм поглощения света, приводящий к появлению свободных носителей заряда в полупроводнике, называют фотоактивным. Поскольку при этом изменяется проводимость, а следовательно, внутреннее сопротивление полупроводника, указанное явление было названо фоторезистивным эффектом. Основное применение фоторезистивный эффект находит в светочувствительных полупроводниковых приборах - фоторезисторах, которые широко используются в современной оптоэлектронике и фотоэлектронной автоматике.

Фоторезисторами называют полупроводниковые приборы, проводимость которых меняется под действием света.

Основным элементом фоторезистора является в первом случае монокристалл, а во втором - тонкая пленка полупроводникового материала.

Если фоторезистор включен последовательно с источником напряжения и не освещен, то в его цепи будет протекать темновой ток.

При освещении фоторезистора энергия фотонов расходуется на перевод электронов в зону проводимости. Количество свободных электронно-дырочных пар возрастает, сопротивление фоторезистора падает и через него течет световой ток.

Когда лучистый поток мал, первичный фототок проводимости практически безынерционен и изменяется прямо пропорционально величине лучистого потока, падающего на фоторезистор. По мере возрастания величины лучистого потока увеличивается число электронов проводимости. Двигаясь внутри вещества, электроны сталкиваются с атомами, ионизируют их и создают дополнительный поток электрических зарядов, получивший название вторичного фототока проводимости. Увеличение числа ионизированных атомов тормозит движение электронов проводимости. В результате этого изменения фототока запаздывают во времени относительно изменений светового потока, что определяет некоторую инерционность фоторезистора.

Основными характеристиками фоторезисторов являются:

Вольтамперная, характеризующая зависимость фототока (при постоянном световом потоке Ф) или темнового тока от приложенного напряжения. Для фоторезисторов эта зависимость практически линейна. Закон Ома нарушается в большинстве случаев только при высоких напряжениях на фоторезисторе.

Световая (люксамперная), характеризующая зависимость фототока от падающего светового потока постоянного спектрального состава. Полупроводниковые фоторезисторы имеют нелинейную люксамперную характеристику. Наибольшая чувствительность получается при малых освещенностях. Это позволяет использовать фоторезисторы для измерения очень малых интенсивностей излучения. При увеличении освещенности световой ток растет примерно пропорционально корню квадратному из освещенности. Наклон люксамперной характеристики зависит от приложенного к фоторезистору напряжения.

Спектральная, характеризующая чувствительность фоторезистора при действии на него потока излучения постоянной мощности определенной длины волны. Спектральная характеристика определяется материалом, используемым для изготовления светочувствительного элемента. Сернисто-кадмиевые фоторезисторы имеют высокую чувствительность в видимой области спектра, селенисто-кадмиевые - в красной, а сернисто-свинцовые - в инфракрасной.

Частотная, характеризующая чувствительность фоторезистора при действии на него светового потока, изменяющегося с определенной частотой. Наличие инерционности у фоторезисторов приводит к тому, что величина их фототока зависит от частоты модуляции падающего на них светового потока - с увеличением частоты светового потока фототок уменьшается (рис. 7 приложения). Инерционность ограничивает возможности применения фоторезисторов при работе с переменными световыми потоками высокой частоты.

В последние годы фоторезисторы широко применяются во многих отраслях науки и техники. Это объясняется их высокой чувствительностью, простотой конструкции, малыми габаритами и значительной допустимой мощностью рассеяния. Значительный интерес представляет использование фоторезисторов в оптоэлектронике.

Для регистрации оптического излучения его световую энергию обычно преобразуют в электрический сигнал, который затем измеряют обычным способом. При этом преобразовании обычно используют следующие физические явления:

- генерацию подвижных носителей в твердотельных фотопроводящих детекторах;

- изменение температуры термопар при поглощении излучения, приводящее к изменению термо-э.д.с.;

- эмиссию свободных электронов в результате фотоэлектрического эффекта с фоточувствительных пленок.

Наиболее важными типами оптических детекторов являются следующие устройства:

- фотоумножитель;

- полупроводниковый фоторезистор;

- фотодиод;

- лавинный фотодиод.

Полупроводниковый фотодетектор

Полупроводниковый кристалл последовательно соединен с резистором и источником постоянного напряжения. Оптическая волна, которую нужно зарегистрировать, падает на кристалл и поглощается им, возбуждая при этом электроны в зону проводимости (или в полупроводниках p-типа - дырки в валентную зону). Такое возбуждение приводит к уменьшению сопротивления Rd полупроводникового кристалла и, следовательно, к увеличению падения напряжения на сопротивлении R, которое при DRd/ Rd<< 1 пропорционально плотности падающего потока. В качестве примера рассмотрим энергетические уровни одного из наиболее распространенных полупроводников - германия, легированного атомами ртути. Атомы Hg в германии являются акцепторами с энергией ионизации 0.09 эВ. Следовательно, для того, чтобы поднять электрон с верхнего уровня валентной зоны и чтобы атом Hg (акцептор) сумел захватить его, необходим фотон с энергией по крайней мере 0.09 эВ (т. е. фотон с длиной волны короче 14 мкм). Обычно кристалл германия содержит небольшое количество NDдонорных атомов, которым при низких температурах энергетически выгодно отдавать свои валентные электроны большому количеству NAакцепторных атомов. При этом возникает равное количество положительно ионизированных донорных и отрицательно ионизированных акцепторных атомов. Так как концентрация акцепторов NA>> ND, большинство атомов-акцепторов остается незаряженным.

Падающий фотон поглощается и переводит электрон из валентной зоны на уровень атома-акцептора. Возникающая при этом дырка движется под действием электрического поля, что приводит к появлению электрического тока. Как только электрон с акцепторного уровня возвращается обратно в валентную зону, уничтожая тем самым дырку (процесс B), ток исчезает. Этот процесс называется электронно-дырочной рекомбинацией или захватом дырки атомом акцептора.

Выбирая примеси с меньшей энергией ионизации, можно обнаружить фотоны с более низкой энергией. Существующие полупроводниковые фотодетекторы обычно работают на длинах волн вплоть до l » 32 мкм.

Из сказанного следует, что главным преимуществом полупроводниковых фотодетекторов по сравнению с фотоумножителями является их способность регистрировать длинноволновое излучение, поскольку создание подвижных носителей в них не связано с преодолением значительного поверхностного потенциального барьера. Недостатком же их является небольшое усиление по току. Кроме того, для того чтобы фотовозбуждение носителей не маскировалось тепловым возбуждением, полупроводниковые фотодетекторы приходится охлаждать.

Железо и стали. Достоинства и недостатки.

Сталь -- сплав железа с углеродом (где содержание углерода не превышает 2%) и др. элементами (хром, никель и др.), относят к группе черных металлов. Сплавы, в которых углерода от 2% до 6.67%, называются чугунами.

????????? ?? Allbest.ru