5.6.2. Пьезодиэлектрики

Пьезоэлектриками называют твердые, анизотропные кристалли­ческие вещества, обладающие пьезоэффектом.

Пьезоэффект был открыт братьями Кюри в 1880 г.

Явление образования электрического заряда на поверхности соответствующих граней диэлектрика (поляризации) при его дефор­мации под действием механических напряжений называют прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Возникающая при этом поляризованность Р прямо пропорцио­нальна приложенному механическому напряжению ст:

Р =dσ,

где d - коэффициент пропорциональности, называемый пьезоэлектрическим модулем или пьезомодулем.

Пьезомодуль определяет поляризацию кристалла или плотность заряда на его обкладках при заданном приложенном механическом напряжении.

Обратный пьезоэффект используют для преобразования элект­рических сигналов в механические (акустические излучатели, гене­раторы ультразвука).

5.6.3. Электреты

Электретами называются диэлектрики, которые длительное вре­мя создают в окружающем пространстве электрическое поле за счет предварительной электризации или поляризации.

Первые электреты были получены в 20-е годы прошлого столетия. Они представляют собой смеси воска и смол, расплав которых охлаждают в постоянном электрическом поле. При застывании поверхность электрета, обращенная к аноду, сохраняет отрицательный, а противоположная - положительный заряды. Таким обра­зом возникают связанные поверхностные электрические заряды. Плотность этих зарядов со временем уменьшается, но затем обра­зуются вторичные заряды противоположного знака.

6 Магнитные материалы

Магнитные материалы обладают способностью при внесении их в магнитное поле намагничиваться, а некоторые из них сохраняют свою намагниченность и после прекращения воздействия магнит­ного поля.

6.1. Основные характеристики магнитных материалов

Магнитные свойства материалов характеризуются петлей гис­терезиса, кривой намагничивания, магнитной проницаемостью, потерями энергии при перемагничивании.

П етля гистерезиса. При циклическом изменении напряженности постоянного магнитного поля от 0 до -+Н, от + Н до -Н и снова от -Н до + Н кривая изменения индукции (кривая перемагничивания) имеет форму замкнутой кривой - петли гистерезиса. Для слабых полей петля имеет вид эллипса (рис. 6.1). При увеличении значения напряженности магнитного поля Н получают серию заключенных одна в другую проме­жуточных петель гис­терезиса.

Рис. 6.1. Петли гистерезиса при различных

значениях напряженности внешнего

магнитного поля.

Когда все векторы намагничен­ности доменов сориен­тируются вдоль на­правления поля, про­цесс намагничивания закончится состояни­ем технического насы­щения намагниченнос­ти материала. Петлю гистерезиса, полученную при условии насы­щения намагничива­ния, называют предель­ной петлей гистерезиса. Она характеризуется максимально достигнутым значением индукции b_s, называемым индукцией насыщения. При уменьшении на­пряженности магнитного поля от + Н до 0 магнитная индукция со­храняет остаточную индукцию В_с. Чтобы получить остаточную маг­нитную индукцию, равную нулю, необходимо приложить противо­положно направленное размагничивающее поле определенной на­пряженности -Н_с. Отрицательная напряженность магнитного поля -Н_с называется коэрцитивной силой материала. При достижении на­пряженности магнитного поля значения -Н, а затем 0 вновь возни­кает остаточная индукция -В_с. Если повысить напряженность маг­нитного поля до + Н_с, то остаточная магнитная индукция В_с будет равна 0.

Площадь гистерезисных петель в промежуточных и предельном состояниях характеризует рассеивание электрической энергии в процессе перемагничивания материала, т.е. потери на гистерезис. Площадь гистерезисной петли зависит от свойств материала, его геометрических размеров и частоты перемагничивания.

По предельной петле гистерезиса определяют такие характерис­тики магнитных материалов, как индукцию насыщения B_s, остаточ­ную индукцию В_с, коэрцитивную силу Н_с.

Кривая намагничивания. Это важнейшая характеристика магнитных материалов, она показывает зависимость намагниченности или магнитной индукции материала от напряженности внешнего поля Н. Магнитная индукция материала В, измеряется в теслах (Тл) и связана с намагниченностью М формулой

B_i = μ₀M, (61)

где μ₀ - магнитная постоянная, равная 4 π • 10 ^-7 Гн / м; М - намагниченность, А • м^-1.

Основная (коммутационная) кривая намагничивания представ­ляет собой геометрическое место вершин петель гистерезиса, полу­ченных при циклическом перемагничивании (см. рис. 6.1) и отра­жает изменение маг­нитной индукции В в зависимости от напря­женности магнитного поля Н, которое созда­ется в материале при намагничивании. На­пряженность магнит­ного поля в образце в виде тороида, когда магнитная цепь замкну­та, равна напряженно­сти внешнего поля Н_в/ В разомкнутой маг­нитной цепи на концах образца появляются магнитные полюса, создающие размагничи­вающее поле Н_р. Разница между магнитными напряженностями внешнего и размагничивающего полей определяет внутреннюю магнитную напряженность Н_i материала

Рис. 6.2. Зависимость магнитной индукции В

от напряженности магнитного поля Н (основная

кривая намагничивания) технически чистого

железа (99,92% Fe)

Основная кривая намагничивания (рис. 6.2) имеет ряд характер­ных участков, которые можно условно выделить при намагничива­нии монокристалла ферромагнетика. Первый участок кривой намаг­ничивания соответствует процессу смещения границ менее благо­приятно ориентированных доменов. На втором участке происходит поворот векторов намагниченности доменов в направлении внеш­него магнитного поля. Третий участок соответствует парапроцессу, т.е. завершающему этапу процесса намагничивания, когда сильное магнитное поле поворачивает в направлении своего действия несориентированные магнитные моменты доменов ферромагнетика.

Магнитная проницаемость. Для характеристики поведения маг­нитных материалов в поле с напряженностью Н пользуются поня­тиями абсолютной магнитной проницаемости μ_а и относительной магнитной проницаемости μ₀:

μ_a = B/H; (62)

μ = B/(μ₀H) = μ_a/μ₀ (63)

где μ_а - абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м; μ₀ - магнитная постоян­ная, равная 1,257 мкГн/м.

Подставляя в эти соотношения конкретные значения В и Н, по­лучают различные виды магнитной проницаемости, которые при­меняют в технике. Наиболее часто используют понятия нормаль­ной μ, начальной μ_н, максимальной μ_mах, дифференциальной μ_диф и импульсной μ _и магнитной проницаемости.

Относительную магнитную проницаемость материала μ полу­чают по основной кривой намагничивания. Для простоты слово «относительная» не упоминается.

Магнитную проницаемость при Н = О называют начальной маг­нитной проницаемостью μ _н. Ее значение определяется при очень слабых полях (примерно 0,1 А/м).

Максимум на кривой проницаемости, соответствующий II участку кривой намагничивания (см. рис. 6.2), характеризуется значением мак­симальной магнитной проницаемости μ_mах. Начальная и максималь­ная магнитные проницаемости представляют собой частные случаи нормальной магнитной проницаемости. Их значения наряду с В_s, В_с и Н_с являются важнейшими параметрами магнитного материала.

В сильных полях в области насыщения магнитная проницаемость стремится к единице.

Потери энергии при перемагничивании. Это необратимые потери электрической энергии, которая выделяется в материале в виде тепла.

Потери на перемагничивание магнитного материала складыва­ется из потерь на гистерезис и динамических потерь.

Потери на гистерезис создаются в процессе смещения стенок доменов на начальной стадии намагничивания. Вследствие неодно­родности структуры магнитного материала на перемещение стенок доменов затрачивается магнитная энергия.

Потери энергии на гистерезис

P_г=af, (64)

где а - коэффициент, зависящий от свойств и объема материала; f - частота тока, Гц.

Динамические потери Р_вт вызываются частично вихревыми то­ками, которые возникают при изменении направления и напряжен­ности магнитного поля; они также рассеивают энергию:

P_вт=bf ², (65)

где b - коэффициент, зависящий от удельного электрического сопротивления, объема и геометрических размеров образца.

Потери на вихревые токи из-за квадратичной зависимости от ча­стоты поля превосходят потери на гистерезис на высоких частотах.

К динамическим потерям относятся также потери на последей­ствие Р_п, которые связаны с остаточным изменением магнитного состояния после изменения напряженности магнитного поля. Они зависят от состава и термической обработки магнитного материа­ла и проявляются на высоких частотах. Потери на последействие (магнитную вязкость) необходимо учитывать при использовании ферромагнетиков в импульсном режиме.

Общие потери в магнитном материале

Р = Р_г + Р_вт + Р_п. (66)