0. Германий

Германий- элемент четвертой группы периодической системы элементов Менделеева. Германий имеет ярко-серебристый цвет. Температура плавления германия 937,2° С. В природе он встречается часто, но в весьма малых количествах. Присутствие германия обнаружено в цинковых рудах и в золах разных углей. Основным источником получения германия является зола углей и отходы металлургических заводов.

Полученный в результате ряда химических операций слиток германия еще не представляет собой вещества, пригодного для изготовления из него полупроводниковых приборов. Он содержит нерастворимые примеси, не является еще монокристаллом и в него не введена легирующая примесь, обусловливающая необходимый вид электропроводности.

Для очистки слитка от нерастворимых примесей широко применяется метод зонной плавки. Этим методом могут быть удалены лишь те примеси, которые различно растворяются в данном твердом полупроводнике и в его расплаве.

Германий обладает большой твердостью, но чрезвычайно хрупок и раскалывается на мелкие куски при ударах. Однако при помощи алмазной пилы или других устройств его можно распилить на тонкие пластинки. Отечественной промышленностью изготовляется легированный германий с электронной электропроводностью различных марок с удельным сопротивлением от 0,003 до 45 ом х см и германий легированный с дырочной электропроводностью с удельным сопротивлением от 0,4 до 5,5 ом х см и выше. Удельное же сопротивление чистого германия при комнатной температуре ρ = 60 ом х см.

Германий как полупроводниковый материал широко используется не только для диодов и триодов, из него изготовляются мощные выпрямители на большие токи, различные датчики, применяемые для измерения напряженности магнитного поля, термометры сопротивления для низких температур и др.

2.Терморезистор

Терморезисторы (термисторы) - это резисторы, сопротивление которых сильно изменяется в зависимости от температуры. Термисторы изготавливаются на основе полупроводникового материала и имеют нелинейную вольт-амперную характеристику. Термисторы с положительным температурным коэффициентов сопротивления (ТКС) называются позисторами. Благодаря чувствительности к температуре термисторы используются для измерения температуры и построения систем управления температурой в технологическом и лабораторном оборудовании.

Терморезисторы изготавливаются на основе полупроводникового оксида металлов, спрессованного для получения заданной формы. Механическая прочность и защита от воздействий окружающей среды обеспечивается с помощью металлического корпуса или защитного изолирующего слоя. Термисторы имеют нелинейную вольт-амперную характеристику и очень высокую температурную чувствительность по сравнению с другими типами датчиков температуры. Типовое значение ТКС для термисторов составляет -5% на градус, в то время как для платинового термопреобразователя (RTD) он составляет 0,4% на градус.

---

Типовой диапазон температур термисторов достаточно узок (-60...+150 С), для некоторых образцов он расширен до (-60...+300 С).

При протекании тока через терморезистор он нагревается, что увеличивает погрешность измерений. Поэтому при выборе терморезистора необходимо учитывать его коэффициент рассеяния, который определяется как мощность, приводящая к нагреву терморезистора на 1 градус относительно температуры окружающей среды. Для снижения погрешности, вызванной собственным разогревом термистора, необходимо увеличивать площадь его поверхности, однако это приводит к увеличению тепловой инерционности, которая характеризуется величиной постоянной времени. Постоянная времени терморезистора равна времени, в течение которого его температура изменяется в е раз (на 63%) при перенесении термистора из воздушной среды с температурой 0 град. Цельсия в воздушную среду с температурой 100 град. Типовые значения постоянных времени лежат в диапазоне от десятых долей секунды до нескольких минут.

В связи с сильной нелинейностью температурной зависимости терморезисторы не могут быть использованы без компенсации нелинейности (линеаризации) их характеристики. Для этой цели используют нелинейные аппроксимирующие функции, коэффициенты которых подбирают методом наименьших квадратов или другими методами параметрической идентификации. Этот недостаток термисторов сильно ограничивал их применение до появления средств измерения температуры, построенных на базе компьютера. Применение компьютера позволяет легко скомпенсировать нелинейность программным путем. Эта особенность увеличила интерес к применению термисторов в последние годы и инициировала дальнейшие исследования в направлении улучшения их стабильности, точности и взаимозаменяемости. По существу термисторы представляют собой полупроводниковую керамику. Они изготавливаются на основе порошков окислов металлов (обычно окислов никеля и марганца), иногда с добавкой небольшого количества других окислов. Порошкообразные окислы смешиваются с водой и различными связующими веществами для получения жидкого теста, которому придаётся необходимая форма и которое обжигается при температурах свыше 1000 ^оС. Приваривается проводящее металлическое покрытие (обычно серебряное), и

подсоединяются выводы. Законченный термистор обычно покрывается эпо сидной смолой или стеклом или заключается в какой-нибудь другой корпус.

ЗАДАЧА 4

Исходные данные

Альсифер Н (кА/м) 0,01; 0,02; 0.03; 0,04: 0.05; 0,06

В (Тл) 1,44; 1,50; 2,10; 2,60: 3,00; 3,40

Сплав ЮНДК24 Н (кА/м) 0;00; 10,0; 20,0; 30,0; 40,0; 44,0

В (Тл) 1,23; 1,22; 1.17; 1,03; 0,80; 0,00

Дайте определение магнитного материала. Приведите классификацию магнитных материалов. Назовите основные параметры магнитных материалов и кратко поясните их физический смысл. Кратко опишите сами материалы, определите их место по приведенной классификации. Приведите примерные числовые значения основных магнитных параметров заданных материалов. Назовите основные области использования заданных материалов.

---

Рассчитайте и постройте зависимости магнитной проницаемости µ от напряженности магнитного поля Н (для магнитно-мягкого материала), магнитной индукции В от магнитной энергии W_L (для магнитно-твердого материала).

Магнитным называется материал, используемый в технике с учетам его магнитных свойств. Магнитные материалы в электрических машинах и аппаратах выполняют роль проводников магнитного потока, или, как их называют, магнитопроводов. Они же могут служить и ис­точниками магнитного потока.

По своим свойствам магнитные материалы делятся на магнитно-мягкие и магнитно-твердые. Магнито-мягкие материалы — это такие материалы, которые обладают высокой магнитной проницаемостью, небольшой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис. Они исполь­зуются в качестве магнитопроводов (сердечников) вращающихся электрических машин, трансформаторов, электромагнитов и в из­мерительных приборах, когда необходимо при наименьшей затра­те энергии достигнуть наибольшей индукции.

К магнитно-твердым относятся материалы, имеющие большую коэрцитивную силу.

Основные параметры:

- плотность магнитного потока, магнитная индукция (В). Векторная величина, которая в каждой точке поля имеет свое абсолютное значение. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением северного полюса магнитной стрелки, помещенной в данную точку магнит­ного поля. Величина магнитной индукции определяет силу, действующую на проводник с током, и значение индуктированной ЭДС в движу­щемся проводнике.

- напряжённость магнитного поля (Н). Магнитодвижущая сила, приходящаяся на единицу длины линии магнитного поля.

- безразмерный коэффициент к_м называется магнитной воспри­имчивостью вещества. Он характеризует способность материала намагничиваться в магнитном поле.

- относительная магнитная проница­емость является важной практической характеристикой магнитных материалов. Она показывает, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость данного материала больше абсолютной магнитной проницаемости вакуума, которая равна магнитной постоянной.

На магнитные характеристики железа сильное влияние оказывают содержащиеся в нем примеси различных элементов. Особенно сильное влияние на ухудшение характеристик Н_с и μr оказывает углерод С. Поэтому технически чистое железо должно содержать не более 0,1 % примесей углеро­да, серы, марганца, кремния и других элементов. В том числе при­месей углерода должно быть не более 0,025 %. Технически чистое железо имеет сравнительно низкое удельное электрическое сопро­тивление (ρ = 1^.10^-7 Ом^.м) и высокое значение индукции насыщения (B_s = 2,18 Тл). На практике оно используется довольно редко, в основном для магнитопроводов постоянного магнитного пото­ка, в которых не возникают установившиеся переменные вихревые токи. Его используют также в виде магнитной фазы в магнитодиэлектриках.

---

Альсиферы это тройные сплавы, состоящие из железа, кремния и алюминия. Оптимальный состав альсифера 9,5% Si; 5,56% Al остальное Fe. Такой сплав отличается твердостью и хрупкостью, но из него могут быть изготовлены фасонные отливки. Основные свойства альсифера µ_{r н} 35 500, µ_{r max}= 120 000, H_c = 1.8 Λ/м. ρ=0.8 мкмОм·м. Такие характеристики получаются только в лабораторных условиях при строгом соблюдении указанного выше состава. Промышленные образцы имеют более низкие характеристики.

Магнитные экран и другие изделия из альсифера изготавливаются методом литья с толщиной стенок не менее 2-3 мм из-за хрупкости сплава. Эта особенность ограничивает применение данного материала. Благодаря хрупкости альсифера его можно размалывать в порошок и использовать наряду с карбонильным железом в качестве ферромагнитной фазы в магнитодиэлектриках

ЮНДК 24 (Ю-алюминий, Н-никель, Д-медь, К- кобальт ) относится к группе магнито-твёрдых материалов. Изготавливаются основе сплава Al-Ni-Co-Fe. По сравнению с ферритовыми магнитами  имеют гораздо большее значение индукции насыщения и, соответственно, остаточной индукции. Хотя коэрцитивная сила магнитов системы ЮНДК  значительно меньше, чем у ферритов,  магнитнная энергия их выше и произведение (ВН) макс достигает у лучших марок  значений 60-70 кДж/м³. К  преимуществам магнитов ЮНДК можно отнести высокую температурную стабильность в интервале температур до 550°С. По сравнению с магнитами из SmCo магниты  ЮНДК более дёшевы.
Изготавливаются магниты ЮНДК методом литья из расплава,  основным компонентом которого является железо. При этом, если охлаждение расплава идет равномерно со всех сторон, то  образуется  равноосная кристаллическая структура,если охлаждение идет с одной стороны  (литьё на охлаждаемую подложку) образуется  столбчатая структура.  Направленность структуры  позволяет повысить индукцию насыщения в направлении  роста кристаллов и ,соответственно, уровень магнитной энергии. Высококоэрцитивное состояние сплавов ЮНДК достигается специальной термообработкой   отлитых изделий : нагревом до температуры 1210-1280 ˚С, последующим охлаждением с определённой скоростью до температуры 770 - 815  ˚С, выдержкой при этой температуре  в магнитном поле напряжённостью 200 -280 кА/м для наведения магнитной анизотропии; дальнейшим  охлаждением до температуры 600 - 670  ˚С и выдержкой  при последней в течении  2-20 часов. Именно  в этот период и происходит образование структуры с высокой коэрцитивной силой,так называемый спинодальный распад. Конкретные режимы охлаждения и отпуска зависят от состава сплава.
Типичное содержание компонентов  в сплавах с высокими  магнитными свойствами  изменяется в следующих пределах: Аl -7-10%, Ni — 12 -15 %, Cu -3-4%,  Co -18 -40%. Чем больше Со , тем выше индукция насыщения и магнитная энергия сплава. Добавка Ti  от 2 до 8% и Nb  порядка 1% способствуют получению большей коэрцитивной силы.Добавка Si  в количестве 0,5 -1 % обеспечивает изотропию магнитных свойств.
Литые магниты из сплавов системы ЮНДК в силу  относительно низкой коэрцитивной силы и высокой остаточной индукции целесообразно применять в магнитных системах с малыми зазорами и в конструкциях без особых требований в весу и габаритам.

---

Рассчитаем и построим зависимость магнитной проницаемости µ от напряженности магнитного поля Н µ = f(Н) для Альсифера для заданного ряда В и Н по формуле:

μ = ,

где μ₀ – постоянная магнитная, равна 4π^.10^-7.

μ = =11.4 ^.10^-7

Последующие расчеты производятся по аналогичной формуле

В 1,44; 1,50; 2,10; 2,60; 3,00; 3,40

Н 0,01; 0,02; 0,03; 0,04; 0,05; 0,06

μ 11,4^.10⁷ 5,9^.10⁷ 5,5^.10⁷ 5,1^.10⁷ 4,7^.10⁷ 4,5^.10⁷

График зависимости магнитной проницаемости µ от напряженности магнитного поля Н (для Альсифера)

Рассчитаем и построим зависимость магнитной индукции В от удельной магнитной энергии W_L B = f(W L ) для сплава ЮНДК24 для заданного ряда В и Н по формуле:

W_L =

W_L = =0

Последующие расчеты по этой же формуле:

Н 0,0; -10,0; -20,0; -30,0; -40,0; -44,0

В 1,23; 1,22; 1,17; 1,03; 0,80; 0,00

W_L 0 - 6.1 -11.7 -15,4 -16 0

График магнитной индукции В от магнитной энергии WL (для сплава ЮНДК 24)

Вывод:

Исходя из вышеизложенных данных, а так же при изучении графиков зависимостей можно сказать что проницаемость магнито-мягкого материала уменьшается при увеличении напряжения магнитного поля.

Магнитная проницаемость материалов для постоянных магнитов ниже, чем магнитных материалов, причем чем выше коэрцитивная сила, тем меньше магнитная проницаемость

Литература

1. Методические указания для выполнения расчетно-графических работ (РГР) «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ». Кульмановский А. И., Титов А. Ф. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2012. - 12с.

2. Серебряков Л.С. Электротехническое материаловедение. Проводниковые, полупроводниковые и магнитные материалы: Учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта. – М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2008. – 372 с.

3. Богородицкий Н.П.. Пасынков В. В., Тареев Б. М. Электротехнические материалы. 7-е изд. JL: Энергоатомиздат. 1985.

---

Смотрите также файлы

• Электрические машины.doc

• Электромагнитная совместимость и средства защиты.docx

• Электромагнитны переходные процессы.pdf

• вопросы 2017-2018.docx

• Лабараторна робота №8 ТП Ч.2.docx