Учебное пособие к дисциплине для студентов заочной формы обучения по специальности 140211 «Электроснабжение»

Вид материала

Учебное пособие

Содержание 3.4. Магнитные свойства. 3.5. Химическая и радиационная стойкость материалов различной природы. 3.5.1 Агрессивные среды Корпускулярные излучения

Подобный материал:

• Учебное пособие к дисциплине для студентов заочной формы обучения по специальности, 1219.34kb.
• Методические указания к дисциплине и задания к контрольной работе для студентов заочной, 126.92kb.
• Методические указания к дисциплине и темы рефератов для студентов заочной формы обучения, 102.72kb.
• Учебное пособие для студентов заочной формы обучения Санкт-Петербург, 1247.83kb.
• Методические указания к итоговому междисциплинарному экзамену по специальности «электроснабжение», 382.82kb.
• Н. Н. Кувшинова экология учебное пособие, 1072.88kb.
• Учебное пособие для самостоятельной работы студентов специальности 040600 «Сестринское, 1354.95kb.
• Методические указания: краткий курс лекций для студентов заочной формы обучения Санкт-Петербург, 1540.61kb.
• Учебное пособие Для студентов всех специальностей Москва 1999, 1603.73kb.
• Учебное пособие для студентов специальности «Экономика и управление на предприятии», 1271.5kb.

3.4. Магнитные свойства.

Все вещества и материалы взаимодействуют с внешним магнитным полем, то есть обладают определёнными магнитными свойствами. Это связано с тем, что любое вещество и материал содержат множество различных электрически заряженных частиц, находящихся в беспрерывном движении: электронов, протонов, ионов и т.д. Магнетизм веществ обусловлен наличием внутренних электрических токов, связанных преимущественно с движением (вращающимся по орбитам) электронов в атомах и ионах. Магнетизм, вызванный движением других заряженных частиц, ничтожно мал по сравнению с магнетизмом, вызванным движением электронов. Таким образом, магнитные свойства вещества определяются двумя факторами: а) магнитным состоянием электронов и б) взаимодействием магнитных моментов электронов соседних атомов. Для того, чтобы судить о магнитных свойствах материала, необходимо знать его атомарный состав, необходимо рассмотреть электронное строение атомов, составляющих данный материал.

Любое вещество, помещённое в магнитное поле, приобретает магнитный момент М. Магнитный момент единицы объёма V называется намагниченностью J_m. = M /V [A/м³].

В каждой точке J_m может быть разной и направленной по-разному, то есть J_m является векторной величиной: J_m = dM /dV.

Намагниченность прямо пропорциональна напряжённости магнитного поля H:

J_m = k_mH, (3.19)

где k_m – безразмерная величина, называемая магнитной восприимчивостью.

Электромагнитная теория Максвелла, кроме напряжённости магнитного поля H, содержит параметр B – магнитную индукцию, являющуюся суммой внешнего и собственного магнитного поля. Эти магнитные величины связаны друг с другом соотношением:

B = _абсH, (3.20)

где В - имеет размерность В ^. с/м² = Тесла (Т), Н – размерность А/м; _абс - абсолютная магнитная проницаемость, равная _абс = _о; _о = 410^-7 Гн/м.- магнитная постоянная (или магнитная проницаемость вакуума). Чаще всего используют относительную магнитную проницаемость , которая является характеристикой материала, эта величина безразмерная. В зависимости от магнитных свойств вещества и материалы делятся на пять типов: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Диамагнетики имеют низкие отрицательные значения k_m ~ -10^-5 – они очень слабо намагничиваются, при этом их магнитный момент направлен против направления намагничивающего поля, они выталкиваются из неоднородного магнитного поля.  меньше 1 и в большинстве случаев не зависит от напряжённости магнитного поля и температуры. К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, вода, нефть и другие органические вещества, алмаз, NaCl, SiO₂, стекло, а также некоторые металлы – Be, Cu, Zn, Ga, Ge, Sr, Ag, Au, Bi, Si, Pb, и др.

Наиболее сильные диамагнетики – сверхпроводники. Выталкивающая сила в них настолько велика, что практически используется для создания так называемых магнитных подушек, удерживающих массивные детали, для создания «подшипников» без трения. А ротор со сверхпроводящей обмоткой диаметром 3 метра, вращающийся с большой скоростью, является хорошим накопителем электроэнергии атомных электростанций для покрытия пиковых нагрузок и заменяет гидроэлектростанцию средней мощности.

Парамагнетики – вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряжённости магнитного поля. Величина k_m для парамагнетиков равна 10^-3 – 10^-5. Парамагнетики втягиваются в неоднородное магнитное поле. В парамагнетиках магнитные моменты есть всегда, но в разупорядоченном состоянии, как диполи в полярных диэлектриках. В магнитном поле электронные орбитали ориентируются в направлении поля и результирующий магнитный момент атомов ориентирован в направлении поля. Фиксации ориентированного состояния материалов мешает тепловое движение. Чем ниже температура, тем чётче фиксируется намагниченность парамагнетика. Зависимость k_m от температуры выражается законом Кюри: k_m = С/Т, где С – постоянная Кюри, зависящая от природы материала, а Т – абсолютная температура.

К парамагнитным материалам относятся все переходные металлы с нескомпенсированными моментами свободных электронов (Ti, Cr, Mn, Pd, Pt и др.), щелочные металлы, Аl, W, Sn, соли Fe, Co, Ni и редкоземельных металлов, О₂, N₂, эбонит др.

Ферромагнетики – вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью k_m – до 10⁶. В ферромагнетиках k_m сильно зависит от температуры, напряжённости магнитного поля, им присуща внутренняя магнитная упорядоченность в пределах так называемых «доменов» – макроскопических областей с одинаково направленными (ориентированными) магнитными моментами. Границы доменов фиксированы и, по существу, являются границами фаз. Главная особенность ферромагнетиков заключается в способности намагничиваться до насыщения в относительно слабых магнитных полях. Намагничивание ферромагнетиков происходит неравномерно в зависимости от напряжённости магнитного поля и состоит в смещении доменных границ (перестройке размеров доменов) и в самой ориентации магнитных моментов внутри доменов, причём первый процесс идёт более легко, а второй – более трудно.

В слабых полях имеет место обратимое намагничивание, состоящее в упругом смещении доменных границ (увеличение объёма доменов). На второй стадии смещение доменных границ (стенок) носит необратимый, скачкообразный характер. Если в этом диапазоне напряжённостей подсоединить наушники к ферромагнетику, то будут слышны характерные щелчки (так называемый эффект Барнгаузена). На этой стадии кривая намагничивания имеет наибольшую крутизну.

На третье стадии происходит вращение магнитных диполей – ориентация магнитных моментов доменов. Этот процесс протекает более трудно, магнитная проницаемость  = В/Н начинает снижаться – проходит через максимум.

На четвёртой стадии все магнитные моменты доменов ориентируются вдоль поля, наступает техническое насыщение магнитной индукции В_s.

С уменьшением напряжённости магнитного поля Н вплоть до нуля кривая намагниченности снижается, но не до нуля, а до величины В_r. При дальнейшем увеличении поля Н обратной полярности только при напряжённости Н_с происходит изменение знака намагниченности. Это напряжённость поля, при которой В = 0, называется коэрцитивной силой. Фигура, получающаяся в координатах В – Н при циклических изменениях Н называется петлёй гистерезиса. На рис. 3.15 представлена кривая намагничивания и петля гистерезиса ферромагнетика.




Рис.3.15. Кривая намагничивания и петля гистерезиса ферромагнетика.

По величине Н_с материалы подразделяются на магнитно-мягкие (с Н_с  800 А/м) и магнитно-твёрдые. Магнитно-мягкие материалы имеют узкую петлю гистерезиса и малые потери на перемагничивание. Магнитно-твёрдые материалы, с большой Н_с, обычно больше 4000 А/м, имеют широкую петлю гистерезиса и большие потери на перемагничивание. Некоторые материалы имеют прямоугольную петлю гистерезиса (ППГ) – их выделяют в отдельную группу.

На рис. 3.16 приведены зависимости В(Н) и μ(Н) для разных типов магнитных материалов, а на рис. 3.17 – зависимость μ от температуры.

Рис. 3.16. Рис. 3.17

Рис. 3.16. Кривые зависимости магнитной индукции В (кривые намагничивания) (рис. а) и магнитной проницаемости  (рис. б) от напряжённости внешнего магнитного поля Н.

1 – железо особо чистое; 2 – железо чистое (99,98 % Fе); 3 - железо технически чистое (99,92 % Fе); 4 – пермалой (78 % Ni); 5 – никель; 6 – сплав железо – никель (26 % Ni).

Рис. 3.17. Типичная зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от температуры.

На рис.3.16 (а) приведена зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля для первичной намагничиваемости ферромагнетика. Значение  = В/₀Н при Н стремящемся к нулю, называется начальной магнитной проницаемостью. Это значение  определяют в слабых полях, менее 0,1 А/м. Наибольшее значение  называется максимальной _мах (определяется по максимальному углу наклона прямой, проведённой от нуля до касания с кривой намагничивания).

Температурные зависимости магнитной проницаемости (рис. 3.17) имеют экстремальный характер и при температуре, называемой температурой Кюри Т_к, обращается в нуль. Увеличение намагниченности с ростом температуры связано с облегчением смещения доменных стенок и облегчением ориентации доменов. Спад намагниченности связан с резким уменьшением спонтанной намагниченности доменов – разрушением доменной структуры. При температурах выше Т_к ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние.

При намагничивании происходит изменение геометрических размеров ферромагнетика. Это явление называется магнитострикцией, она ослабляет намагниченность и снижает эффективное значение . Разные материалы могут иметь разные знаки магнитострикции, их размеры могут как увеличиваться, так и уменьшаться. Так, железо и никель имеют разные знаки магнитострикции. Это позволяет изготавливать материалы с большой магнитной проницаемостью  - сплавы группы «пермалой».

К ферромагнетикам относятся -Fe, Co, Ni, Gd и некоторые другие редкоземельные металлы, некоторые сплавы на основе железа.

Антиферромагнетики – это вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решётки. Например, в кристаллах оксида марганца МnO чередующиеся атомы Мn имеют противоположное направление магнитных моментов. В этих веществах магнитная восприимчивость k_m = 10^-3 – 10^-5, причём k_m сильно зависит от температуры. При нагревании атомы ферромагнетика переходят в парамагнитное состояние (при точке Нееля, аналогичной точке Кюри). К антиферромагнетикам относятся Cr, Mn, редкоземельные металлы церий Ce, неодим Nd , самарий Sm, а также галогениды, сульфиды, карбонаты, всего более 1000 соединений.

Ферримагнетики – вещества с нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Как у ферромагнетиков, у них высокая магнитная восприимчивость k_m, зависящая от напряжённости магнитного поля и температуры. К этим веществам относятся многие упорядоченные металлические сплавы и оксиды, особенно ферриты.

Таким образом, по магнитным свойствам вещества делятся на слабомагнитные – диа-, пара- и антиферромагнетики и сильномагнитные – ферро- и ферримагнетики.


Вопросы для самопроверки

1. Как классифицируются вещества по магнитным свойствам?
   
2. Чем отличаются диамагнетики от парамагнетиков?
   
3. Чем отличаются ферримагнетики от антиферромагнетиков?
   
4. Что такое точка Кюри и точка Нееля?
   
5. По каким параметрам разделяют сильномагнитные материалы на магнитно-мягкие и магнитно-твёрдые?
   

3.5. Химическая и радиационная стойкость материалов различной природы.


Химические изменения в материалах под влиянием внешних воздействий – ионизирующих излучений, агрессивных сред, температуры, механических напряжений и т.п. и влияния этих изменений на свойства материалов - всё это объединяется термином «химическая стойкость». т.е. способностью химически противостоять внешним воздействиям. Кроме того, очень часто с различными целями проводят химическую (радиационную, электрохимическую) модификацию поверхности. Процессы, протекающие при этом, также будут предметом нашего рассмотрения.

3.5.1 Агрессивные среды – их можно классифицировать по химической и физической активности, по химической природе и т.п., например, окислители и восстановители, органические и неорганические, жидкие и газообразные и т.д.

Механизм взаимодействия агрессивных сред с материалами зависит как от природы среды, так и от природы материала. Скорость химического взаимодействия зависит от температуры, давления, концентрации, скорости относительного перемещения реагирующей среды и материала. Термодинамика даёт основание установить возможность самопроизвольного процесса химического взаимодействия при определённых условиях. Как известно, направление химической реакции оценивается по знаку потенциала Гиббса  G - если знак отрицательный, то реакция возможна и, соответственно, невозможна, если он положительный.

Наиболее правильно оценивать химическую стойкость материалов в агрессивных средах по кинетическим (константы скорости, энергии активации), диффузионным, сорбционным, механическим и т.п. параметрам. Вместе с тем, часто используется качественная оценка химической стойкости.

К агрессивным средам или условиям можно отнести ионизирующие излучения, вакуум, давление, механические напряжения, удары, ускорения, эрозию и др. При комплексном воздействии на материал различных факторов стойкость материалов снижается.

3.5.2. Радиационные понятия.

Ионизирующее излучение – любое излучение, способное при взаимодействии с веществом создавать в нём ионы.

Виды излучений – квантовое и корпускулярное.

К квантовым излучениям относятся электромагнитные излучения с длиной волны   10^-9 м, а именно: -излучение и рентгеновские лучи ( Х-rays). -излучение – это квантовое излучение атомных ядер, возникающее при переходе ядра из возбуждённого состояния в основное или в состояние с меньшей энергией ( = 10^-11 – 10^-13 м). -излучение возникает при распаде радиоактивных ядер, проходящем с испусканием  - или -частиц, после чего ядро остаётся в возбуждённом состоянии. Энергия -излучения лежит в пределах 0,001 – 10 МэВ. ( Электрон-вольты (эВ) характеризуют кинетическую энергию ионизированных частиц или квантов. 1 эВ = 1,6 ^. 10^-19 Дж). Различают мягкое -излучение (0,1 – 0,2 МэВ), среднее (0,2 – 1,0 МэВ), жёсткое (1,0 – 10 МэВ) и сверхжёсткое ( 10 МэВ).

Рентгеновское излучение (Х-rays) возникает на аноде рентгеновской трубки в результате торможения быстрых электронов, испускаемых катодом. Оно возникает, кроме того, в ускорителях, кинескопах и т.п., обладает большой проникающей способностью.

Корпускулярные излучения представляют собой поток элементарных частиц высоких энергий, а также ядер атомов (,  ). -излучение представляет собой ядра Не²⁺, имеющие скорость 4 – 6 км/с, с энергией 2 – 9 МэВ и наблюдаются у естественно радиоактивных элементов – Ra, Th , U,. Po и др., т.е. с большой атомной массой. - излучение – это поток электронов с энергией до 10 МэВ. При одинаковой энергии ионизирующая способность -излучения больше, чем , а  больше, чем .

Существуют ещё протонное (р или Н⁺) и нейтронное (n⁰) излучения.

Для характеристики излучений имеется много различных параметров. В нашем курсе могут упоминаться интенсивность излучения j, мощность дозы излучения Р и поглощённая доза излучения D.

Интенсивность излучения – это энергия ионизирующего излучения, проходящего за единицу времени в объём элементарной сферы, рассчитанная на единицу площади поперечного сечения этой сферы, Вт/м².

Поглощённая доза излучения – это поглощённая энергия излучения, рассчитанная на единицу массы облучаемого вещества, Дж/кг = рад.

Мощность дозы излучения – доза излучения, рассчитанная на единицу времени, Дж/кг·с = Вт/кг = рад/с.

Электромагнитные излучения, в частности, -излучения, проходя через вещество, взаимодействуют с электронами и ядрами его атомов, в результате чего в веществе появляются свободные электроны, а -лучи теряют часть своей энергии из-за протекания следующих процессов:

1. истинного поглощения, т.е. превращения энергии -излучения в другие виды энергии;
   
2. упругого или неупругого рассеивания -квантов.
   

Характер взаимодействия рентгеновского и -излучения с веществом зависит от их энергии. До энергии  110⁶ эВ в результате различных процессов происходит образование свободных электронов и изменение энергии излучения с одновременной ионизацией вещества. При энергии -излучения больше 110⁶ эВ образуются пары e + р⁺. При энергии больше 810⁶ эВ – ядерный фотоэффект и ядерные реакции с излучением n⁰ и образованием радиоактивных ядер, вызывающих вторичное радиационное воздействие.

Взаимодействие корпускулярных излучений с веществом зависит от типа частиц и, естественно, их энергии.

Электроны проникают сравнительно неглубоко, поэтому глубинные слои получают свою дозу лишь за счёт тормозного излучения. Возможны следующие эффекты:

1. Упругое рассеяние, при котором изменяется только направление движения падающих электронов;
   
2. Возбуждение внешних электронов атомов;
   
3. Ионизация внешних и внутренних уровней;
   
4. Смещение частиц (атомов или ионов) из узлов кристаллической решётки в междоузлия;
   
5. Появление тормозного излучения (рентгеновского);
   
6. Ядерные реакции.
   

Главными эффектами являются возбуждение и ионизация. Вероятность упругого рассеяния при энергии 10  1000 кэВ всего 5%. Преобладает рассеяние от ядер, а не от электронной оболочки. Чем выше порядковый номер вещества Z и меньше энергия электрона, тем на больший угол он может отклониться. Максимальная энергия, которую может сообщить электрон атому Е_{ат. макс} = 2160 Е_{электрона} / Z, МэВ.

При неупругом рассеянии вероятность ионизации при энергии электронов 10  10³ кэВ составляет 35%, возбуждение – 60%. Если энергия электронного излучения незначительно превышает энергию электронов на внешних уровнях, то ионизируются только внешние электронные оболочки. Чем выше энергия излучения, тем более глубокие электронные уровни ионизируются и это сопровождается испусканием рентгеновских лучей.

Возможна многократная ионизация вследствие эффекта Оже: электроны высокой энергии тормозятся электрическим полем ядер, что вызывает тормозное рентгеновское излучение. Оно, в свою очередь, вызывает дальнейшую ионизацию и образование пар е^- - р⁺ и т.д. Таким путём образуются каскадные ливни.

При взаимодействии протонов с веществом возможно либо электромагнитное воздействие, либо поглощение ядрами.

При электромагнитном воздействии протоны вступают в реакцию с электронами или ядрами атомов. Взаимодействие с электронами приводит к возбуждению и ионизации, взаимодействие с ядрами приводит к упругому рассеянию под весьма малыми углами.

Вероятность различных процессов взаимодействия зависит в основном от энергии протонов и природы взаимодействующего с ним вещества и характеризуется эффективным сечением взаимодействия. Это гипотетическая площадь круга, описанного вокруг ядра-мишени, при попадании частицы в которую осуществляется реакция данного типа. С увеличением энергии протонов и толщины материалов возрастает вероятность ядерных взаимодействий.

Взаимодействие нейтронов с веществом сводится к взаимодействию их с ядрами атомов, при этом может происходить либо упругое рассеяние со временем рассеяния 10^-18 – 10^-21с, либо поглощение нейтронов с образованием составного ядра, находящегося в возбуждённом состоянии и существующего 10^-12 – 10^-15с. Результатом поглощения является испускание -излучения, нейтронов n⁰, протонов р⁺, -частиц, либо осколков деления ядер. Рассеяние или поглощение зависит от энергии нейтронов и природы вещества и характеризуется эффективным сечением взаимодействия. При энергиях 0,5 – 20 МэВ преобладает упругое рассеяние, при меньших энергиях – ядерное взаимодействие.

Радиационные повреждения материалов возникают в результате прямых и вторичных процессов. Прямые эффекты приводят к возбуждению электронов, атомов и молекул, смещению атомов из узлов решётки, ядерным превращениям. Вторичные эффекты приводят к дальнейшему возбуждению, нарушению структуры материала смещёнными атомами, ионами и элементарными частицами. Основные нарушения структуры сводятся к возникновению вакансий, появлению внедрившихся в междоузлия атомов, столкновению при замещениях, термическим пикам, ионизационным эффектам и др.

Материалы разной природы по-разному реагируют на радиационные и химические воздействия. К радиационным воздействиям наиболее устойчивы металлы, затем – стёкла и керамика. Полимерные материалы наиболее чувствительны к радиации – на ранних этапах происходит сшивка макромолекул, при больших дозах облучения наблюдается деструкция вплоть до образования мономеров.

К воздействию агрессивных химических сред, особенно обладающих окислительной активностью, наименее устойчивы металлы – они корродируют.


Вопросы для самопроверки.

1. Охарактеризуйте различные виды агрессивных сред.

2. Приведите примеры ионизирующих излучений – квантовых и корпускулярных. Дайте общую характеристику.

3. Перечислите основные параметры, характеризующие изучения.

4. Охарактеризуйте основные виды взаимодействий излучений различной природы с веществом.

5. Какова стойкость материалов различной природы к действию агрессивных сред?