Материаловедение Методичка для заочников (стр. 7 из 11)

У той же час більшість матеріалів біомедичної техніки знаходяться в конденсованому стані. У цьому випадку еволюція до рівноважного стану може здійснюватися тільки дифузійним шляхом. При реальних умовах експлуатації дифузійний масоперенос у твердому тілі - процес, як правило, надзвичайно повільний. Наприклад, час розсмоктування р-п переходу, як концентраційно-нерівноважної структури, навіть при підвищеній робочій температурі діоду (~120°С) складає декілька сторіч. Це означає, іщУречовина практично зберігає свій квазістабільний стан, і її параметри залишаються стабільними на протязі тривалого періоду часу. Висловлене розуміння по своїй суті є теоретичним обгрунтуванням можливості застосування нерівноважних структур у якості матеріалів для високоефективних приладів електронної техніки.

5.1 МАГНІТНІ МАТЕРІАЛИ

Всі матеріали, які знаходяться в зовнішньому магнітному полі, намагнічуються. Магнітні властивості речовини визначаються його атомною структурою і залежать насамперед від того, чи володіють його атоми нескомпенсованим постійним магнітним моментом.

Експериментальні і теоретичні дослідження показали, що магнетизм атома породжується всіма його складовими:

1. Наявністю в електронів атомної оболонки спінового, механічного і пов'язаного з ним магнітного моменту.

2. Орбітальним магнітним моментом просторового руху електронів навколо ядра.

3. Магнітним моментом атомного ядра, що створюється спіновими моментами протонів і нейтронів.Маса ядра атому набагато перевищує масу електрону, тому магнітний момент ядра на декілька порядків менше електронної складової. Тоді можливо з високою вірогідністю вважати, що магнітні властивості атомів визначаються тільки його електронною складовою.

Відповідно до квантового принципу Паулі в кожному квантовому стані можуть знаходитися тільки два електрони з протилежно спрямованими спінами. Тому, якщо атом містить парне число електронів, їх результуючий магнітний момент буде нульовий, тобто скомпенсований. Атом з непарною кількістю електронів буде мати власний магнітний момент, розмір котрого неважко підрахувати в квантових одиницях виміру (магнетонах Бора). Очевидно, що макроскопічні магнітні характеристики матеріалу можуть бути представлені векторною сумою магнітних моментів утворюючих його атомів.

У макроскопічній теорії магнетизму основною характеристикою магнітного поля у вакуумі і речовині є вектори напруженості й індукції магнітного поля відповідно. Індукція магнітного поля В в магнітному середовищу пов'язана з напруженістю поля, що її викликає, Н залежністю:

В=^Н, (5.1) де {і - відносна магнітна проникність середовища;

/^о = 4 • 10~⁷Гн/м - абсолютна магнітна проникність вакууму (магнітна постійна). Подане фундаментальне вираження теорії магнетизму використовується при побудові класифікаційної структури магнітних матеріалів.

5.1.1. КЛАСИФІКАЦІЯ МАТЕРІАЛІВ ЗА МАГНІТНИМИ ВЛАСТИВОСТЯМИ

За величиною і функціональною залежністю магнітної проникності від температури і напруженості магнітного поля речовини діляться на діамагнетики, парамагнетики, феромагнетики, антиферомагнетики і феримагнетики.

Діамагнетиками називають речовини, у яких має місце повна взаємна компенсація орбітальних і спінових магнітних моментів електронів. Їх магнітна проникність не залежить віднапруженості магнітного поля і складає величину трохи менше одиниці. Це означає, що діамагнетик послабляє магнітне поле або витискується з області з підвищеною напруженістю поля.

Фізична природа діамагнетизму полягає в появі в матеріалі мікроскопічних індукованих струмів. Відповідно до правила Ленца напрямок цих струмів такий, щоб створене ним магнітне поле протидіяло зовнішньому, що його викликає. Таким чином, магнітне поле, що виникає в такому матеріалі буде менше зовнішнього. Варто зауважити, що діамагнетизм властивий усім матеріалам, але, у порівнянні з іншими магнітними взаємодіями, виражений дуже слабко. До діамагнетиків відносяться інертні гази, неперехідні метали (Ве, 2п, РЬ, Си та ін.), напівпровідники (Зі, Ое), діелектрики, надпровідники.

Парамагнетиками називають речовини, у яких взаємодія між магнітними моментами атомів невелика, але існує. При розташуванні пйарамагнетика у зовнішньому полі магнітне поле в парамагнетиці зростає відносно зовнішнього. При цьому магнітна проникність середовища виявляється більшою одиниці.

У результаті теплового руху елементарні магнітні моменти атомів статистичне розподілені в просторі, тому сумарний магнітний момент об'єму у відсутності поля дорівнює нулю. Із сказаного випливає, що магнітні властивості парамагнетику. тобто його відносна магнітна проникність, із підвищенням температури повинна падати.

До парамагнетиків відносяться кисень, окис азоту, солі заліза, лужні метали, а також М§, Са, А1, Сг, Мп та ін.

Феромагнетики характеризуються великим значенням магнітної проникності, а також її нелінійною залежністю, у першу чергу, від напруженості магнітного поля і температури.

Феромагнетизм має чисто квантову природу і є результатом обмінної взаємодії електронів недобудованих оболонок сусідніх атомів. Квантово-механічною характеристикою такого роду взаємодії є розмір обмінної енергії. Розрахунки цього параметру для різноманітних феромагнетиків групи заліза подані на рис. 5.1. При позитивному значенні обмінної енергії спостерігається переважно рівнобіжна орієнтація спінів сусідніх електронів, для негативних величин енергії - антипаралельна. Зміна знаку обмінної енергії відбувається приблизно при а/сі « 1,5. У макроскопічному масштабі такий вид залежностіенергії виявляється в появі у феромагнетиках мікрообластей -доменів, магнітні моменти атомів у яких орієнтовані паралельно визначеному кристалографічному напрямку. Навіть при відсутності зовнішнього магнітного поля кожний домен намагнічений до насичення, але магнітні моменти кожного домена орієнтовані по-різному. Коли усе ж спостерігається переважна орієнтація магнітних моментів доменів відносно якогось кристалографічного напрямку, то сумарний магнітний момент об'єму середовища виявляється ненульовим, і, отже, матеріал виявляє феромагнітні властивості. У випадку антипаралельної орієнтації магнітних моментів доменів і їх повної компенсації матеріал виявляє антиферомагнітні властивості. Якщо ж кристалічна структура магнетика така, що повна компенсація магнітних доменів неможлива, і магнітний момент макроскопічного об'єму матеріалу не дорівнює нулю, то матеріал виявляє магнітні властивості і є феримагнетиком або феритом.

У біомедичній техніці знаходять широке застосування магнітні матеріали усіх видів із розглянутої класифікації. Проте для створення і керування картиною магнітних полів перевага віддається феромагнетикам і феримагнетикам. Тому магнітні параметри матеріалу будуть розглянуті з погляду опису властивостей речовин саме цих класів. Такий підхід здається виправданим і з погляду спільності опису, тому що більш простіхарактеристики діа- і парамагнетиків легко одержати з характеристик, введених для феромагнетиків.

5.1.2 ПАРАМЕТРИ МАГНІТНИХ МАТЕРІАЛІВ

Фундаментальним параметром магнітного матеріалу є основна крива намагнічування - залежність магнітної індукції Ввід напруженості магнітного поля Н . Вид цієї залежності визначається властивостями матеріалу, зовнішніми умовами і навіть попереднім магнітним станом середовища. Звичайно криві намагнічування отримують на попередньо розмагнічених зразках (основні криві). Типовий вид основної кривої намагнічування поданий на рис. 5.2. Нелінійний характер поданої залежності припускає, що у виразі (5.1) магнітна проникність речовини є функцією напруженості магнітного поля. Безпосереднє застосування виразу (5.1) для визначення /^ , як відношення В до Н , означає, що магнітна проникність матеріалу є величиною, пропорційною тангенсу нахилу січної, проведеної з початку координат • в аналізовану точку. Таке визначення відповідає статичному режиму виміру залежності В від Н . Магнітна проникність, яка відповідає цьому випадку зветься статичною магнітною проникністю. Визначена в такий спосіб залежність и„,„ від Н має вигляд, також поданий на рис. 5.2.

На початковій стадії намагнічування спостерігається практично лінійна залежність В від Н і, як слідство, сталістьмагнітної проникності. Цій області відповідає пружний зсув доменних стінок тих доменів, орієнтація магнітного моменту яких близька до напрямку зовнішнього поля. У цьому діапазоні напруженості поля аналізований параметр матеріалу називають початковою магнітною проникністю .

Як випливає з рис. 5.2, при визначеній напруженості прикладеного поля магнітна проникність речовини проходить через явно виражений максимум. Саме в цій області поля відбувається необоротний зсув меж доменів таким чином, щоб результуючий магнітний момент домена відповідав напрямку поля, що намагнічує. Це і знайшло відбиток у максимальній реакції речовини на зовнішнє збудження. При подальшому збільшенні напруженості поля магнітна індукція продовжує наростати за рахунок повороту векторів магнітних моментів уздовж поля, що намагнічує, і досягає свого максимального значенняВу. Останнє явище відбивається в так званомутехнічному насиченні феромагнетика. (У цьому інтервалі напруженості поля відносна магнітна проникність речовини асимптотичне починає наближатися до одиниці.)