4. Контрольные вопросы

1. Физическая сущность электропроводности металлов.

2. Как зависит сопротивление металлических проводников от температуры и почему?

3. Что называется сплавом? Почему удельное сопротивление сплавов типа твердых растворов выше, чем у чистых металлов?

4. Дайте определение удельного сопротивления проводников. В каких единицах оно измеряется?

5. Зависимость удельного сопротивления проводников высокого сопротивления (сплавов типа твердых растворов) от состава (на примере двухкомпонентного сплава).

6. Зависимость удельного сопротивления проводников высокого сопротивления от температуры.

7. Дайте определение температурного коэффициента удельного сопротивления от температуры ТК. Как эта величина определяется на практике?

8. Почему ТКу сплавов типа твердых растворов меньше, чем у металлов?

9. При включении в электрическую цепь проводника диаметром 0.5 мм и длиной 43 мм разность потенциалов на концах проводника составила 2.4 В при токе 2 А. Определить удельное сопротивление материала проводника.

10. Два образца медной и алюминиевой проволоки длиной по 2 м имеют одинаковое электрическое сопротивление. Какой из отрезков весит меньше и на сколько, если сечение медной проволоки равно 4 мм². Плотность:Al– 2.7 Мг/м³,Cu– 8.9 Мг/м³. Удельное сопротивление:Al– 0.028 мкОм*м,Cu– 0.017 мкОм*м.

11. Определите мощность, потребляемую нагревательным элементом из нихромовой проволоки при напряжении сети 220 В, если длина проволоки – 3 м, диаметр – 0.15 мм. Рабочая температура – 900 ⁰С. Удельное сопротивление нихрома – 1.2 мкОм*м, ТК(20^оС)= 2*10^-4К^-1.

Лабораторная работа №8

Исследование температурных зависимостей  и tgм ферритов

1. Цель работы

Установить зависимость магнитной проницаемости и величины тангенса угла магнитных потерьtg_М ферритового кольца от температуры (определить точку Кюри).

2. Теоретическое введение

Для работы в области высоких (ВЧ) и сверхвысоких (СВЧ) частот используются магнитные материалы с низкой электропроводностью – ферриты. У этих материалов резко увеличенное удельное сопротивление по сравнению с металлическими ферромагнетиками, следовательно, чрезвычайно малые потери на вихревые токи. Поэтому рабочие частоты ферритов могут достигать сотен мегагерц (диапазон СВЧ).

По химическому составу ферриты представляют собой системы двойных окислов, образуемые окислами железа Fe₂O₃и окислами двухвалентных, а иногда и одновалентных, металлов. Общая формула наиболее обширной группы ферритов записывается следующим образом:MeO•Fe₂O₃, гдеMe– символ иона двухвалентного металла (Ni,Co,Mn,Mgи т.п.). Эта химическая формула простых ферритов. В технике широкое применение нашли смешанные ферриты, представляющие собой твердые растворы двух или нескольких простых ферритов.

Магнитные свойства ферритов обусловлены тем, что в их состав входят атомы элементов переходных групп, имеющие в оболочках недостроенные электронные d- илиf– атомные орбитали. Нескомпенсированные спины электронов таких оболочек взаимно ориентируются в кристаллической решетке посредством обменных сил, имеющих квантово-механическую природу. Ферриты, являющиеся нескомпенсированными антиферромагнетиками (ферримагнетиками), имеют две (или более) взаимно проникающие магнитные подрешетки, каждая из которых в отсутствие внешнего магнитного поля обладает спонтанной намагниченностью, а магнитный момент одной из подрешеток больше, чем другой.

Примером феррита может служить соединение оксида железа с оксидом никеля. Такой феррит называется ферритом никеля с химической формулой вида NiFe₂O₄. Чтобы понять природу ферримагнетизма, необходимо рассмотреть структуру кристалла феррита, элементарная ячейка которого представляет собой куб, содержащий восемь структурных единицNiFe₂O₄. Тридцать два отрицательных иона кислорода расположены так, что они соприкасаются друг с другом, в промежутках между ними расположены положительные ионы железа и никеля. В восьми промежутках расположена половина ионовFe⁺³, каждый из которых окружен четырьмя ионами кислорода. Такое положение ионов железа называют А-положением. Эти ионы имеют ориентацию магнитных моментов в одном направлении и образуют первую подрешетку. В шестнадцати других промежутках расположена другая половина ионовFe⁺³и восемь ионовNi⁺², каждый из которых окружен шестью ионами кислорода. Такое положение ионов называют В-положением. Эти ионы образуют вторую подрешетку, в которых магнитные моменты имеют направление, противоположное направлению магнитных моментов в первой подрешетке. Учитывая описанный характер распределения ионов и используя стрелки для указания направлений магнитных моментов, структурную формулу феррита можно представить в виде:

Здесь в круглых скобках указаны ионы в А-положении, а в квадратных скобках указаны ионы в В-положении. При указанной структуре магнитные моменты трехвалентных ионов железа компенсируются, и спонтанное намагничивание вызывается магнитными моментами двухвалентных ионов никеля.

В области высоких частот величина с увеличением частоты вначале почти не изменяется, а затем начинает снижаться (рис. 14), при этом резко возрастает тангенс угла потерь. Частота, при которой наблюдается уменьшение магнитной проницаемости или возрастание тангенса угла потерь, называется критической или граничной и означает верхний предел частотного диапазона применения данного феррита. Для определенности ввели понятие критической частотыf_кр, при которойtg_= 0.1. Причины резкого возрастания потерь весьма сложны и объясняются главным образом релаксационными и резонансными явлениями.

Влияние температуры на основные свойства ферритов сходно со всеми магнитными материалами. При некоторой температуре, называемой точкой Кюри, все ферромагнетики и ферримагнетики теряют свои магнитные свойства, а при более высокой температуре ведут себя как парамагнетики.

Рис. 14. Зависимости  и tg _Mот частоты

Например, магнитная проницаемость μ магнитных материалов имеет температурную зависимость, показанную на рис. 15. Если величина внешнего магнитного поля была не предельной, то магнитная проницаемость при увеличении температуры проходит через максимум, а потом резко уменьшается. Наличие максимума связанно с увеличением ориентирующей способности магнитных моментов доменов ферро- или ферримагнетика при увеличении температуры. При температурах выше точки Кюри области спонтанного намагничивания разрушаются тепловым движением, материал перестает быть магнитным, переходя в парамагнитное состояние.

Рис. 15. Зависимость  от температуры

Получают ферриты методом керамической технологии, т.е. спеканием смеси порошков окислов. Свойства ферритов зависят от среды, в которой проводится обжиг, времени обжига, режима охлаждения. Все эти параметры влияют на расположение ионов в кристаллической решетке и на дефектность структуры. Промышленность выпускает десятки марок ферритов, различающихся химическим составом и свойствами. При этом для каждой марки отрабатываются свои технологические параметры. Большинство ферритов легче металлов почти вдвое, они отличаются высокими твердостью и хрупкостью. Механическую обработку ферритов – резку, шлифовку, полировку – можно производить с помощью абразивных инструментов на основе искусственных алмазов. Детали из ферритов могут быть изготовлены различных форм: кольцеобразные, Ш – и П – образные, стержневые и пр.

Изготавливаются как магнитомягкие, так и магнитотвердые ферриты. Магнитомягкие ферриты применяются для сердечников разного рода трансформаторов, катушек индуктивности, для деталей отклоняющих систем телеаппаратуры, для магнитных антенн и для многих других целей. Такие ферриты имеют высокую магнитную проницаемость, малую коэрцитивную силу (около 16 А/м), узкую петлю гистерезиса. Магнитотвердые ферриты используются для изготовления постоянных магнитов. Наиболее известен из этой группы материалов бариевый феррит.