5.1.2.6 Матеріали для термопар

Хоча багато неметалевих матеріалів (в першу чергу напівпровідники) мають високі потенційні можливості для застосування в термоелектричній термометрії, технологія їх виготовлення є недосконалою. Тому більшість термопар виготовляють із металевих компонентів. Найчастіше застосовують такі сплави:

• копель (56 % Cu та 44 % Ni).

• алюмель (95 % Ni, залишок – Al, Si та Mn).

• хромель (90 % Ni та 10 % Cr).

• платинородій (90 % Pt та 10 % Rh).

На рис. 5.6 наведено залежності ТЕРС від різниці температур гарячого і холодного спаїв для найбільш вживаних термопар.

Незначні зміни складу сплаву можуть привести до значних змін ТЕРС. Однак це не обмежує точності вимірювань, якщо тільки термопара не використовується без попереднього градуювання.

Термопари можна використовувати для вимірювання таких температур: платинородій – платина до 1600 С; мідь – константан і мідь – копель до 350 С; залізо – константан, залізо – копель і хромель – копель до 600 С; хромель – алюмель до 900…1000 С.

1 – хромель–копель; 2 – залізо–копель; 3 – мідь–копель; 4 – залізо–константан; 5 – мідь–константан; 6 – хромель–алюмель; 7 – платинородій–платина

Рисунок 5.6 – Залежність ТЕРС від різниці температур гарячого та холодного спаїв для термопар

Серед термопар, що використовуються, найбільшу ТЕРС при даній різниці температур має термопара хромель – копель. Знак ТЕРС у приведених на рис. 5.6 термопар такий, що в холодному спаї струм направлений від першого названого в парі матеріалу до другого (тобто від хромелю до копелю, від міді до константану і т.д.), а в гарячому спаї – в зворотному напрямку.

Більшість термопар стабільно працює лише в окисному середовищі. В процесі довготривалої експлуатації може спостерігатись поступова зміна питомої ТЕРС. Причинами нестабільності є забруднення домішками із навколишньої атмосфери, леткість компонентів, окислення дроту, різкі перегини та деформації, які вносять внутрішні напруження і створюють фізичну неоднорідність. Найбільшою точністю, стабільністю та відтворюваністю володіють платинородієві термопари, незважаючи на незначну питому ТЕРС. Ці якості пояснюються хімічною інертністю матеріалу і можливістю отримувати його з високим ступенем чистоти.

5.2 Матеріали з особливими магнітними властивостями

5.2.1 Особливості процесів намагнічування матеріалів у зовнішньому магнітному полі

Усі матеріали, які поміщені у зовнішнє магнітне поле, намагнічуються. Намагнічування матеріалу пов’язано із наявністю у його атомів (або іонів, молекул) мікроскопічних магнітних моментів.

Макроскопічною характеристикою намагнічування матеріалів слугує величина намагніченості М, яка дорівнює сумарному магнітному моменту атомів одиниці об’єму.

Між намагніченістю М та напруженістю Н зовнішнього магнітного поля існує зв’язок:

,

де k_m – безрозмірний коефіцієнт пропорційності, який називають магнітною сприйнятливістю матеріалу.

В залежності від знаку та величини магнітної сприйнятливості усі матеріали поділяють на діамагнетики, парамагнетики та феромагнетики.

Діамагнетики – матеріали, які намагнічуються протилежно прикладеному полю та послаблюють його, тобто мають k_m  0 (від –10^-4 до –10^-7). До діамагнетиків відносять інертні гази, неперехідні метали (Be, Zn, Pb, Cu, Ag та інші), напівпровідники (Ge, Si), діелектрики (полімери, скло та інші), надпровідники.

Парамагнетики – матеріали, які мають k_m  0 (від 10^-2 до 10^-5) і суттєво не намагнічуються зовнішнім полем. Намагніченість обумовлена наявністю незкомпенсованих спінових моментів електронів, які дезорієнтовані в просторі через тепловий рух атомів (рис. 5.7). Під впливом зовнішнього поля магнітні моменти атома отримують переважне орієнтування (парамагнітний ефект), і у кристала з’являється деяка намагніченість. До парамагнетиків відносяться метали, атоми яких мають непарну кількість валентних електронів (K, Na, Al тощо; виключенням є Cu, Ag, Au та інші, у яких діамагнітний ефект заповнених електронних оболонок переважає над парамагнітним ефектом валентних електронів), перехідні метали (W, Mo, Ti, Pt тощо) з недобудованими електронними оболонками атомів.

Рисунок 5.7 – Схема орієнтування магнітних моментів атомів різних матеріалів [5]

Феромагнетики – матеріали, які характеризуються високим значенням магнітної сприйнятливості (k_m  1), а також її нелінійною залежністю від напруженості поля та температури. Залізо, нікель, кобальт та рідкоземельний метал гадоліній мають надвелике значення k_m  10⁶. Їх здатність сильно намагнічуватись використовують в техніці.

Феромагнетизм є результатом обмінної взаємодії електронів недобудованих оболонок сусідніх атомів, які перекриваються при утворенні кристалів. Згідно квантової теорії всі основні властивості феромагнетиків обумовлені доменною будовою їх кристалів.

Домен – це область кристала розміром 10^-4…10^-6 м (рис. 5.8), де магнітні моменти атомів орієнтовані паралельно відповідному кристалографічному напрямку. При відсутності зовнішнього магнітного поля кожний домен спонтанно (самодовільно) намагнічений до насичення, але магнітні моменти окремих доменів спрямовані по-різному і повний магнітний момент феромагнетика дорівнює нулю. Між доменами є перехідні шари (доменні стінки) завширшки 10^-7…10^-8 м, всередині яких спінові магнітні моменти поступово повертаються.

Рисунок 5.8 – Енергетично вигідна чотирьохдоменна структура із замкненим магнітним полем [5]

У антиферомагнетиках магнітні моменти атомів орієнтуються антипаралельно, і результуючий момент дорівнює нулю (див. рис. 5.7). Якщо ці магнітні моменти нескомпенсовані, то з’являється результуючий магнітний момент, і такий матеріал називають феримагнетиком.

Намагніченість монокристалу феримагнетику анізотропна (рис. 5.9). Кристал заліза у напрямку ребра куба 100 намагнічується до насичення М_s при значно меншій напруженості поля H_s у порівнянні з H_s при намагнічуванні у напрямку діагоналі куба 111 або в інших кристалографічних напрямках. Тому, в монокристалі заліза є шість напрямків легкого намагнічування, які розвернуті один відносно іншого на 90 або 180, по яким і орієнтуються вектори намагніченості доменів (див. рис. 5.8).

Рисунок 5.9 – Криві намагніченості для монокристала заліза [5]

Магнітна індукція В – тобто густина магнітного потоку, визначається як сума зовнішнього Н і внутрішнього М магнітних полів

,

де магнітна стала , Гн/м.

Інтенсивність росту індукції при збільшенні напруженості поля, що намагнічує, характеризує магнітна проникність .

Основна крива намагнічування феромагнетику наведена на рис. 5.10. Процес намагнічування можна умовно поділити на декілька стадій.

І ділянка (початкова) – стадія зміщення. Відбувається збільшення об’єму доменів, магнітні вектори яких утворюють найменший кут з напрямком поля, або з напрямком легкого намагнічування. Процес зсуву доменних стінок продовжується до тих пір, поки не зникнуть домени, орієнтовані несприятливо по відношенню до поля. Доменна структура зникає, кожний кристал стає однодоменним.

ІІ ділянка – стадія швидкого нарощування індукції (або стадія обертання). Індукція виникає за рахунок поворотів доменів до напрямку легкого намагнічування. Процес незворотній.

ІІІ ділянка – стадія насичення (або парапроцесу). Магнітні моменти повертаються із напряму легкого намагнічування до напрямку зовнішнього поля.

Намагнічування в полях напруженістю меншою за Н_S називають технічним намагнічуванням, а в полях з більшою напруженістю – істинним намагнічуванням, або парапроцесом. В останньому випадку непаралельні магнітні моменти атомів, що залишились, орієнтуються паралельно напрямку поля.

Рисунок 5.10 – Основна крива намагніченості (Зміна індукції та доменної структури при намагнічуванні феромагнетику) [5]

Процеси намагнічування повністю незворотні. Якщо магнітне поле, доведене до +Н_s, зменшувати до нуля (рис. 5.11), тоді індукція збереже певне значення В_r, яке називається залишковою індукцією. Намагнічування полікристалу полем зворотного знаку зменшує індукцію В, і при напруженості поля Н_с індукція зменшується до нуля. Напруженість магнітного поля, яка дорівнює Н_с, називається коерцитивною силою. При перемагнічуванні від +Н_s до –Н_s і навпаки криві не співпадають. Площа, яка обмежена цими кривими, визначає втрати на гістерезис або перемагнічування.

Крива намагнічування і форма петлі гістерезису – головні характеристики феромагнетику, оскільки вони визначають його основні константи, а тому, і області застосування. У відповідності з петлею гістерезису матеріали поділяють на магнітом’які та магнітотверді [5].

Рисунок 5.11 – Петля гістерезису феромагнетику [5]