Курсовая работа: Производство гадолиния из отходов производств запоминающих устройств

Наличие нескомпенсированных спинов во внутренних слоях является необходимым, но недостаточным условием ферромагнетизма. Кроме того, изолированные друг от друга атомы таких веществ не проявляют ферромагнитных свойств. Эти свойства наблюдаются только в кристаллическом состоянии при обменном взаимодействии атомов в кристалле, когда электроны внутренних незаполненных слоев принадлежат одновременно и своим и соседним атомам. Такое взаимодействие характеризуется интегралом обмена, величина и знак которого в значительной степени зависят от относительного расстояния между атомами в кристаллической решетке.

При положительном значении этого интеграла обменное взаимодействие атомов приводит к параллельной ориентации нескомпенсированных спинов, обусловливающей спонтанную (то есть самопроизвольную) намагниченность вещества J _S , которая характеризует его ферромагнитные свойства. Слово «спонтанная» подчеркивает, что эта намагниченность является следствием сил межатомного взаимодействия, а не появляется, как наведенная намагниченность у диа- и парамагнетиков, лишь в результате воздействия на вещество внешнего магнитного поля.

При отрицательном значении интеграла обмена нескомпенсированные спины электронов в незаполненных внутренних слоях соседних атомов самопроизвольно устанавливаются антипараллельно и, таким образом, взаимно компенсируются, так что собственный магнитный момент вещества становится равным нулю и спонтанная намагниченность отсутствует. В этом состоит явление антиферромагнетизма.

Из рисунка 2, б, где в скобках рядом с обозначениями элементов указаны числа нескомпенсированных спинов, видно, что железо, кобальт, никель и гадолиний обладают ферромагнитными свойствами; а марганец, несмотря на наличие пяти нескомпенсированных спинов, – антиферромагнитен. Границей областей ферромагнетизма и антиферромагнетизма является отношение расстояния между атомами а к диаметру незаполненного слоя d , равное 1,5. Этим объясняется, в частности, что марганец приобретает ферромагнитные свойства в сплавах с такими неферромагнитными элементами, как висмут, олово и др., атомы которых «раздвигают» решетку марганца, увеличивая расстояние между атомами.

При значении отношения а / d, большем нескольких единиц, область ферромагнетизма переходит по существу в область парамагнетизма.

Все ферромагнетики и антиферромагнетики — вещества кристаллические, причем кристаллическую решетку антиферромагнетика можно рассматривать как сложную решетку, состоящую из двух подрешеток, намагниченных противоположно (скомпенсированных). У некоторых веществ эта компенсация может оказаться неполной. Явление неполной компенсации магнитных моментов двух подрешеток, называемое ферримагнетизмом, приводит ктому, что в ферримагнетиках также возникает некоторая результирующая спонтанная намагниченность, которая, однако, заметно меньше спонтанной намагниченности ферромагнетиков, так как она представляет собой разность намагниченностей подрешеток.

По отношению к внешнему полю ферримагнетик подобен ферромагнетику, то есть его относительная магнитная проницаемость  >> 1 и может достигать нескольких тысяч. Поэтому ферримагнитные материалы — ферриты, состоящие из оксидов металлов, часто называют неметаллическими ферромагнетиками.

Рисунок 3. Графики зависимости спонтанной намагниченности от температуры.

При повышении температуры вещества энергия теплового движения стремится разрушить состояние спонтанной намагниченности. При температуре, называемой точкой Кюри  , энергия теплового движения становится достаточной для преодоления ориентирующего действия обменной энергии и вещество утрачивает ферромагнитные свойства, превращаясь в парамагнетик. Чем выше интеграл обмена ферромагнетика, тем выше точка Кюри. Для железа, кобальта, никеля и гадолиния точка Кюри равна соответственно 1043, 1400, 631 и 289 К, что хорошо согласуется с рисунком 2, б.

При Т = 0С энергия теплового движения равна нулю и спонтанная намагниченность принимает наибольшее возможное значение. На рисунке 3, а, б, в показаны графики зависимости спонтанной намагниченности от температуры.

Ферриты.

Ферриты представляют собой химические соединения, в общем случае имеющие формулу Ме Fe ₂ O ₄ , где Мe - чаще всего двухвалентный ион металла, например, Cu, Zn, Mg, Ni, Fe, Co и Mn. В отличие от порошковых сердечников ферриты представляют собой монолитные материалы. Магнитомягкие ферриты кристаллизуются в кубической системе и имеют структуру шпинели - минерала состава MgAl₂ O₄ . Чаще всего применяются ферриты следующих типов:

MnO * ZnO * 2Fe ₂ O ₃ - марганцево-цинковый феррит;

NiO* ZnO * 2Fe ₂ O ₃ - никель-цинковый феррит;

MgO * MnO * 2Fe ₂ O ₃ - магний-марганцевый феррит.

Ферриты имеют высокое удельное электрическое сопротивление порядка 10 – 10 ⁹ Ом * см и благодаря этому низкие потери на вихревые токи. Индукция насыщения составляет приблизительно 20 –25 % от индукции насыщения железа.

Ферриты делятся на три подгруппы:

а) ферриты с гарантированными потерями и проницаемостью ;

б) ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса ;

в) ферриты со специальными свойствами .

Марганец-цинковые ферриты по сравнению с никель-цинковыми имеют меньшие потери. Оба эти вида ферритов относятся к первой подгруппе. Так как никель-цинковые ферриты имеют более высокое электрическое сопротивление, то их целесообразно применять в области частот от 500 кГц до 200 МГц и выше, то есть для цепей высокочастотной техники. Магний-цинковые ферриты предназначены для применения в диапазоне от звуковых частот до нескольких МГц.

Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса бывают никель-цинковыми или магний-марганцевыми. В технике УКВ также применяются магний-марганцевые ферриты, однако, соотношение отдельных составных частей в тройной системе отличается от состава магний-марганцевых ферритов с прямоугольной петлей гистерезиса . Эти ферриты вместе с магнитострикционными материалами относятся к группе материалов со специальными свойствами .

Благодаря своим свойствам, ферриты имеют очень широкий диапазон применения. В настоящее время ферриты применяются в производстве реле, сетевых трансформаторов устройств связи, дросселей, электромеханических преобразователей и резонаторов и т.п. Однако наибольшее распространение ферриты получили в производстве сердечников для катушек (феррокатушек), запоминающих и переключающих цепей и т.п.

Особенности ферримагнетиков

Строение ферримагнетиков. Ферримагнетики получили свое название от ферритов, под которыми понимают химические соединения окисла железа Fe ₂ O ₃ с окислами других металлов. В настоящее время используют сотни различных марок ферритов, отличающихся по химическому составу, кристаллической структуре, магнитным, электрическим и другим свойствам.

Наиболее широкое применение нашли ферриты со структурой природного минерала шпинели. Химический состав ферритов-шпинелей отвечает формуле Ме Fe ₂ O ₄ , где под Ме понимают какой-либо двухвалентный катион. На примере этих соединений рассмотрим наиболее характерные особенности магнитных свойств ферримагнетиков.

Исследования показывают, что наличие или отсутствие магнитных свойств определяется кристаллической структурой материалов и, в частности, расположением ионов двухвалентных металлов и железа между ионами кислорода. Элементарная ячейка шпинели представляет собой куб, в состав которого входит восемь структурных единиц типа Ме Fe ₂ O ₄ , то есть 32 иона кислорода, 16 ионов трехвалентного железа и 8 ионов двухвалентного металла. Кислородные ионы расположены по принципу плотной кубической упаковки шаров. При этом возникают междоузлия двух типов: тетраэдрические, образованные окружением четырех ионов, и октаэдрические, образованные окружением шести ионов кислорода. В этих кислородных междоузлиях находятся катионы металлов. Всего в элементарной ячейке шпинели может быть заполнено 8 тетраэдрических промежутков (назовем их позициями типа А) и 16 октаэдрических мест (позиции типа В).

Структуру, в которой все катионы двухвалентного железа занимают позиции типа А, а катионы трехвалентного железа распределяются в междоузлиях типа В, называют нормальной шпинелью . Учитывая такой характер распределения катионов по кислородным междоузлиям, формулу феррита со структурой нормальной шпинели можно представить в следующем виде: (Мe ^{2 +} )[Fe ^{3 +} Fe ^{3 +} ]O ₄ , где в круглых скобках указаны ионы, занимающие позиции типа А, а в квадратных – ионы в позициях типа В. Стрелками условно показано направление магнитных моментов катионов. В структуре нормальной шпинели кристаллизуются ферриты цинка (Zn Fe ₂ O ₄ ) и кадмия (Cd Fe ₂ O ₄ ). Как будет показано далее, ферриты со структурой нормальной шпинели являются немагнитными.