Fizyczne podstawy materiałoznawstwa

Rozdział 3 - Fizyczne własności materiałów

1. Co to są materiały dielektryczne?

Materiały dielektryczne cechują się dużą opornością elektryczną. Są one stosowane do wyrobu izolatorów i kondensatorów. Dielektrykiem jest zarówno plastik na przewodzie elektrycznym jak i porcelanowy izolator na słupie wysokiego napięcia. Dielektryki stosowane do wyrobu kondensatorów muszą ulegać łatwej polaryzacji przy zachowaniu dużej oporności elektrycznej aby zapobiec przebiciu. Powinny one mieć wysoką stałą dielektryczną, podczas gdy izolatory niską. Spis treści

2. Jakie materiały posiadają największą oporność elektryczną?

Do materiałów mających największą oporność elektryczną należą polietylen (10¹⁶ Wm) i parafinowy wosk (10¹² -10¹⁷ Wm). Niższą oporność (rzędu 10¹⁴ Wm) ma szkło pyrex i PCW amorficzny. Szkło sodowo-wapniowe ma oporność rzędu 10¹³, a bakelit 10¹⁰ Wm. Najbardziej odporne na przebicie są mika i amorficzny PCW.

Własności elektroizolacyjne mogą jednak być obniżane przez obecność w materiale domieszek wytwarzających poziomy akceptorowe lub donorowe i uławiających wzbudzanie elektronów do pasm przewodnictwa lub przez wady powierzchniowe (np.porowatość pochłaniającą wilgoć i zanieczyszczenia). Specjalne glazury na izolatorach mają na celu zapobiegać ich powierzchniowym zanieczyszczeniom. Spis treści

3. Co to jest piezoelektryczność i elektrostrykcja?

Polaryzacja elektryczna w materiale wywołuje zmiany wymiarowe czyli efekt zwany elektrostrykcją. Niektóre dielektryki wykazują jednakże odwrotne zjawisko, t.zn. że jeśli zostaną wywołane zmiany wymiarowe, następuje polaryzacja i na powierzchniach pojawiają się ładunki elektryczne. Materiały, które wykazują te odwracalne właściwości nazywamy piezoelektrykami. Najbardziej znanym piezoelektrykiem jest kryształ kwarcu, jednakże niektóre związki, jak np. BaTiO₃ lub PbZrTiO₆ wykazują ten efekt w znacznie większym stopniu ( 50-100 razy). Efekt piezoelektryczny jest wykorzystywany w urządzeniach zmieniających impulsy elektryczne na fale akustyczne i odwrotnie (telefonia, radiofonia, generowanie i odbiór fal ultradżwiękowych i in.) Spis treści

4. Co to jest ferroelektryczność?

Ferroelektrycznością nazywamy obecność polaryzacji w materiale dielektrycznym po usunięciu pola elektrycznego, które ją wywołało. Jest to związane z trwałym uszeregowaniem dipoli elektrycznych. Materiały, które wykazują ten efekt nazywamy ferroelektrykami. Przykładem takiego materiału jest tytanian baru (BaTiO₃). Możliwość zachowania polaryzacji pozwala materiałowi na zatrzymanie informacji, dzięki czemu staje się on użyteczny w obwodach komputerowych. Zdolność do zmiany polaryzacji pod wpływem zmiennego pola elektrycznego jest przedstawiona na (rys.3.1)rys.3.1. Jak widać powstaje pętla histerezy, co oznacza że dla odwrócenia dipoli konieczne jest pole większe od koercyjego pola x_c (pole x_c usuwa polaryzację i powoduje przypadkowość układu dipoli). Powierzchnia pętli histerezy ferroelektrycznej jest miarą energii wymaganej do przejścia z jednego kierunku dipoli na przeciwny. Efekt ferroelektryczny jest zależny od temperatury i przy pewnej krytycznej temperaturze znika (np. w BaTiO₃ - 120°C), co oznacza zniknięcie trwałych dipoli. Materiały ferroelektryczne wykazują również efekt piezoelektryczny i mają wysoką stałą dielektryczną, co powoduje stosowanie ich w kondensatorach i przetwornikach piezoelektrycznych. Spis treści

5. Co to jest efekt termoelektryczny i jak działa termopara?

Ze wzrostem temperatury coraz większa liczba elektronów metalu jest wzbudzana do wyższych energii. Jeśli materiał jest nagrzany nierównomiernie, to elektrony ze strefy o wyższej temperaturze, mające wyższą energię, będą przemieszczały się w kierunku strefy o niższej energii. Wywołuje to różnicę potencjałów pomiędzy strefami. Jeśli połączymy ze sobą druty wykonane z dwóch metali, wówczas w każdym z nich różnica potencjałów pomiędzy złączem nagrzanym a "zimnymi" końcami będzie inna. Po dołączeniu "zimnych" końców do miliwoltomierza możemy stwierdzić różnicę potencjałów proporcjonalną w przybliżeniu do różnicy temperatur pomiędzy nagrzanym złączem a końcami "zimnymi". Z tego względu zjawisko to jest wykorzystywane do pomiaru temperatury. Przyrządy takie zwane termoparami lub termoelementami złożone np. z drutów: platyny i platynarodu (10 % Rh), żelaza i konstantanu, niklu i nichromu lub stopów chromel-alumel są powszechnie stosowane w technice do pomiaru temperatury. Spis treści

6. Co to jest nadprzewodnictwo?

Niektóre materiały ochłodzone do temperatur bliskich do 0K nie wykazują oporności elektrycznej, co umożliwia przepływ prądu o dużym natężeniu bez strat na ciepło. Osiągnięcie temperatur bliskich 0K jest jednak bardzo trudne i kosztowne, wymaga bowiem stosowania ciekłego helu. Uniemożliwia to praktyczne wykorzystanie tego efektu. Jednakże w ostatnich latach odkryto materiały, które wykazują efekt nadprzewodnictwa przy temperaturach znacznie wyższych od 0K, tzn. już przy temperaturze ciekłego azotu (77 K). Są to tzw. wysokotemperaturowe nadprzewodniki.

Wyróżnia się pod tym względem tlenek talowo - barowo - wapniowo - miedziowy (Tl₂Ba₂Ca₂Cu₁₀O₇). Zachowuje on własności nadprzewodzące do 125 K. Najczęściej stosowanym obecnie nadprzewodnikiem jest tlenek itrowo-barowo-miedziowy (YBa₂Cu₃O₇). Temperatura przejścia tego materiału w stan nadprzewodnictwa (temperatura krytyczna) wynosi 92 K . Największym obecnie problemem jest otrzymywanie długich drutów z tych materiałów, które cechują się dużą kruchością. Spis treści

7. Na czym polegają własności magnetyczne metali?

Każdy elektron poiada moment magnetyczny związany z jego ruchem po orbicie i spinem. Ponieważ zgodnie z zakazem Pauliego poziomy energetyczne są obsadzone przez 2 elektrony o przeciwnych spinach, wypadkowy moment magnetyczny od takiej pary nie występuje. Inaczej jest, gdy poziom energetyczny jest obsadzony przez jeden elektron. Jeśli jest to elektron walencyjny (np.w Cr lub Cu), odrywa się od rdzenia i przechodzi do gazu elekronowego. Jeśli jest to jednak elektron rdzenia (np.w metalach przejściowych w stanie 3d), wówczas atom zachowuje się jak magnetyczny dipol. W polu magnetycznym niektóre metale przejściowe reagują w ten sposób, że momenty magnetyczne nawzajem się znoszą. Jednakże w niklu, żelazie i kobalcie wszystkie dipola ustawiają się w kierunku pola magnetycznego, co wzmacnia efekt tego pola. Mówimy, że metale te mają własności ferromagnetyczne. Spis treści

8. Jak można podzielić materiały w zależności od ich oddziaływania z polem magnetycznym?

Materiały można podzielić na trzy grupy. Różnią się one podatnością magnetyczną c, która wyraża ich zdolność do magnesowania się pod wpływem pola magnetycznego o natężeniu H

I = c H

gdzie I - natężenie namagnesowania.

Są to materiały:

diamagnetyczne (ustawiają się prostopadle do linii pola mag netycznego); c ma małą wartość ujemną.
paramagnetyczne (ustawiają się równolegle do linii pola magnetycznego; c ma małą wartość dodatnią. Są to np.metale alkaliczne i ferromagnetyczne powyżej pewnej temperatury kry tycznej zwanej punktem Curie.
ferromagnetyczne (magnesują się silnie nawet w słabych polach magnetycznych). Mają one bardzo duże dodatnie wartości c. Są to żelazo, nikiel, kobalt i niektóre stopy.

Spis treści

9. Co to są ferrimagnetyki?

Są to związki o ogólnym wzorze MeO · Fe₂O₃, których czołowym przedstawicielem jest magnetyt (Fe₃O₄). Cechują się zależnością c od natężenia pola magnetycznego, z tym że nasycenie magnetyczne następuje przy stosunkowo małym natężeniu pola. Mogą one dawać dobre wzmocnienie przyłożonego pola. Spis treści

10. Co to są antyferromagnetyki?

Są to paramagnetyki, których podatność magnetyczna rośnie początkowo z temperaturą, a po osiągnięciu punktu krytycznego (punktu Neela) maleje. Należą do nich Pt, Pd, Cr, Mn-a. Spis treści

11. Jak można wyjaśnić zmianę własności magnetycznych w punkcie Curie?

Punktem Curie mazywamy temperaturę, przy której następuje zmiana własności z ferromagnetycznych na paramagnetyczne przy nagrzewaniu i w odwrotnym kierunku przy chłodzeniu. Zjawisko to zostało wyjaśnione przez Weissa, który postawił hipotezę, że przy chłodzeniu następuje równoległe ustawienie trwałych momentów magnetycznych poszczególnych atomów, dzięki zmniejszeniu się ich ruchów cieplnych poniżej punktu Curie. Spis treści

12. Co to jest pętla histerezy magnetycznej?

Jeżeli ferromagnetyk umieścimy we wzrastającym zewnętrznym polu magnetycznym, to namagnesowanie wzrasta początkowo wg krzywej oa (rys.3.2)(rys.3.2) aż do stanu nasycenia. Przy zmniejszeniu natężenia pola H do zera indukcja magnetyczna B osiągnie wartość B₀ (zwaną pozostałością magnetyczną), po czym przy zmianie pola H na przeciwne indukcja będzie zmieniać się wg krzywej cb, osiągając przy polu Hc wartość zero. To natężenie pola nazywamy siłą koercji. Dalsze zwiększanie natężenia pola prowadzi znów do wzrostu indukcji (o kierunku przeciwnym) aż do stanu nasycenia w punkcie b. Zmiana kierunku natężenia pola powoduje przemagnesowanie próbki wzdłuż krzywaj bda, w wyniku czego tworzy się pętla histerezy magnetycznej pokazana na rysunku. Powierzchnia pętli jest miarą energii koniecznej na przemagnesowanie i ulega zamianie na ciepło (np. w transformatorach nagrzewają się rdzenie). Spis treści

13. Jak klasyfikujemy materiały ferromagnetyczne w zależności od kształtu pętli histerezy?

W zależności od kształtu pętli rozróżniamy materiały magnetycznie miękkie o wąskiej i wysokiej pętli, a więc małej koercji H₀ oraz twarde o szerokiej i niskiej pętli, tzn.dużej koercji (rys.3.3)(rys.3.3). Materiały magnetycznie miękkie, które cechuje mała energia konieczna do przemagnesowania, znajdują zastosowanie do produkcji blach elektrotechnicznych (transformatorowych i prądnicowych), a twarde jako magnesy trwałe. Spis treści

14. Jak można wyjaśnić powstanie pętli histerezy magnetycznej?

Powstanie pętli histerezy magnetycznej można wyjaśnić w oparciu o strukturę domenową. Materiały ferromagnetyczne są podzielone na małe obszary zwane domenami, z których każdy jest namagnesowany w innym kierunku, w wynku czego wypadkowy moment magnetyczny jest równy zeru. W jednej domenie elektrony ustawiają swoje spiny wzajemnie równolegle. Po przyłożeniu zewnętrznego pola magnetycznego następuje przesunięcie granic między domenami, zwanych ścianami Blocha, na skutek dążenia domen do ustawiania się swoimi momentami magnetycznymi równolegle do kierunku tego pola. Zmiana kierunku pola wywołuje zmianę orientacji domen (rys.3.4)(rys.3.4), na co musi zostać zużyta pewna energia i to właśnie powoduje powstanie pętli histerezy magnetycznej. Spis treści

15. Jak jest zbudowana granica domen magnetycznych?

Granica domen jest to obszar, zwykle o szerokości około 100 średnic atomowych, w którym kierunek namagnesowania zmienia się stopniowo o 180° (rys.3.5)(rys.3.5). Spis treści

16. Podaj przykłady materiałów magnetycznie miękkich.

Najpopularniejszym materiałem magnetycznie miękkim jest czyste żelazo, z tym że jego własności (zbyt duża koercja ) nie spełniają wymagań nowoczesnej techniki. Z reguły stosuje się stale krzemowe o znikomej zawartości węgla i 0,4 - 4,2 % Si, w których za pomocą specjalnej technologii wytwarza się t.zw. teksturę Gossa {110}<100> (kierunek <100> jest kierunkiem maksymalnego namagnesowania). W technice prądów słabych stosowane są stopy Fe-Ni (permalloy). Są one zastępowane magnetycznymi szkłami metalicznymi. Spis treści

17. Podaj przykłady materiałów magnetycznie twardych stosowanych do wyrobu magnesów trwałych.

Można stosować stale węglowe (ok.0,7 % C) w stanie zahartowanym, z tym że ich (BH)_max, która jest wskaźnikiem jakości tych materiałów, jest mała. Lepsze własności wykazują stopy żelaza z wolframem i chromem, a także z chromem, kobaltem i molibdenem. Obecnie najczęściej stosuje się stopy typu alnico (bezwęglowe - zawierające Al, Ni, Co). Dla osiągnięcia lepszych efektów stopy te po odlaniu i kierunkowej krystalizacji poddaje się jeszcze obróbce cieplno-magnetycznej poniżej punktu Curie. Ostatnio wprowadza się stopy z dodatkiem samaru lub neodymu wytwarzane metodą metalurgii proszków, które pomimo bardzo dobrych własności magnetycznych nie są zbyt często stosowane ze względu na wysoką cenę.