Поле постоянного магнита. Синтез алмаза и кубического нитрида бора

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

1. Поле постоянного магнита

1.1 Магнит

1.2 Постоянный магнит и области его применения

1.3 Магнитное поле

2. Синтез алмаза и кубического нитрида бора

2.1 Алмаз

2.2 Кубический нитрид бора (боразон)

2.3 Синтез алмаза и кубического нитрида бора

Список использованной литературы

1. ПОЛЕ ПОСТОЯННОГО МАГНИТА

1.1 Магнит

Магнит - это тело, которое умеет притягивать железо. Или: магнит - это объект, сделанный из определенного материала, который создает магнитное поле.

Магниты состоят из миллионов молекул, объединенных в группы, которые называются доменами. Каждый домен ведет себя как минеральный магнит, имеющий северный и южный полюс. При одинаковой направленности доменов их сила объединяется, образуя более крупный магнит. Железо имеет множество доменов, которые можно сориентировать в одном направлении, т.е. намагнитить. Домены в пластмассе, резине, дереве и остальных материалах находятся в беспорядочном состоянии, их магнитные поля разнонаправлены и потому эти материалы не могут намагничиваться.

Каждый магнит имеет, по крайней мере, один " северный " (N) и один " южный " (S) полюс. Ученые выяснили, что линии магнитного поля выходят из "северного" конца магнита и входят в "южный" конец магнита.

Если возьмем кусок магнита и разломим его на два кусочка, каждый кусочек опять будет иметь "северный" и "южный" полюс. Если вновь разломим получившийся кусочек на две части, каждая часть опять будет иметь "северный" и "южный" полюс. Неважно, как малы будут образовавшиеся кусочки магнитов - каждый кусочек всегда будет иметь "северный" и "южный" полюс.

Существуют три основных вида магнитов:

- постоянные (природные) магниты;

- временные магниты;

- электромагниты.

Природные магниты, называемые магнитной рудой, образуются, когда руда, содержащая железо или окиси железа, охлаждается и намагничивается за счет земного магнетизма. Постоянные магниты обладают магнитным полем при отсутствии электрического тока, так как их домены постоянно ориентированы в одном направлении.

Временные магниты -- это магниты, которые действуют как постоянные магниты только тогда, когда находятся в сильном магнитном поле, и теряют свой магнетизм, когда магнитное поле исчезает. В качестве примера можно привести скрепки и гвозди, а также другие изделия из «мягкого» железа.

Электромагниты представляют собой металлический сердечник с индукционной катушкой, по которой проходит электрический ток.

1.2 Постоянный магнит и области его применения

Постоянный магнит - изделие из магнитотвердого материала, автономный источник постоянного магнитного поля.

Магниты бывают естественные и искусственные. Естественным магнитом является кусок железной руды, обладающий способностью притягивать к себе находящиеся вблизи небольшие железные предметы.

Гигантскими естественными магнитами являются Земля и другие планеты, так как они обладают магнитным полем. Искусственные магниты представляют собой предметы и изделия, получившие магнитные свойства в результате контакта с естественным магнитом или намагниченные в магнитном поле. Постоянный магнит является искусственным магнитом.

В наиболее простых случаях постоянный магнит представляет собой тело (в виде подковы, полосы, шайбы, стержня и т. д.), прошедшее соответствующую термическую обработку и предварительно намагниченное до насыщения. Постоянный магнит обычно входит как составная часть в магнитную систему, предназначенную для формирования магнитного поля. Напряженность магнитного поля, формируемого постоянным магнитом, может быть как постоянная, так и регулируемая.

Области применения постоянных магнитов весьма разнообразны. Их применяют в электродвигателях, в автоматике, робототехнике, для магнитных муфт магнитных подшипников, в часовой промышленности, в бытовой технике, как автономные источники постоянного магнитного поля в электротехнике и радиотехнике.

1.3 Магнитное поле

В пространстве, окружающем ток и постоянные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным. Наличие такого поля обнаруживается по силовому воздействию на внесенные в него проводники с током или постоянные магниты. Название «магнитное поле» связывают с ориентацией магнитной стрелки под действием силового поля, создаваемого током. Это явление впервые было обнаружено датским физиком Х. Эрстедом в 1820 г. При пропускании по прямолинейному горизонтальному проводнику постоянного тока силой I находящаяся под ним магнитная стрелка поворачивается вокруг своей вертикальной оси, стремясь расположиться перпендикулярно проводнику с током .

Ось стрелки будет точно совпадает с этим направлением, если сила тока больше, чем влияние магнитного поля Земли. Эрстед обнаружил, что направление поворота северного полюса (N) стрелки под действием электрического тока изменяется на противоположное при изменении направления тока в проводнике. В дальнейшем экспериментально исследовалось действие на магнитную стрелку электрического тока, протекающего по проводникам различной формы. Во всех случаях проводники с током оказывали ориентирующее действие на магнитную стрелку. Таким образом, при прохождении по проводнику электрического тока вокруг него возникает магнитное поле, действующее на помещенную в него магнитную стрелку. Опыты доказали, что вокруг всякого движущегося заряда помимо электрического поля существует также и магнитное поле. Электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся заряды. Важнейшая особенность магнитного поля состоит в том, что оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды. Характер воздействия магнитного поля на ток зависит от формы проводника, по которому течет ток, от расположения проводника в силовом поле и от направления тока.

2. СИНТЕЗ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА

2.1 Алмаз

Алмаз, минерал, кристаллическая модификация чистого углерода (С). Алмаз обладает самой большой, из всех известных в природе материалов, твердостью, благодаря которой он применяется во многих важных отраслях промышленности.

Размер природных алмазов колеблется от микроскопических зерен до весьма крупных кристаллов массой в сотни и тысячи каратов (1 карат = 0,2 г). Масса добываемых алмазов обычно 0,1-1,0 карат; крупные кристаллы свыше 100 каратов встречаются редко.

В мире различают 2 вида алмазов - ювелирные и технические. К ювелирным относятся алмазы совершенной формы, высокой прозрачности, без трещин, включений и других дефектов. Алмазы, ограненные специальной "бриллиантовой" гранью, называются бриллиантами. Ювелирные алмазы обычно применяются в виде украшений и в качестве надежного источника вложения капитала. К техническим относятся все прочие добываемые алмазы, вне зависимости от их качества и размеров. Технические алмазы применяются в виде порошков, а также отдельных кристаллов, которым путем огранки придают нужную форму

Цвет и прозрачность алмаза различны. Встречаются алмазы бесцветные, белые, голубые, зеленые, желтоватые, коричневые, красноватые (разных оттенков), темно-серые (до черного). Часто окраска распределена неравномерно.

Алмаз стоек к действию кислот и растворов щелочей. На воздухе алмаз сгорает при 850-1000°С, в кислороде - при 720-800°С.

2.2 Кубический нитрид бора

Нитрид бора BN - электронный аналог углерода. Как химическое соединение он известен уже свыше 100 лет. Различные способы позволяют получать нитрид бора в гексагональной структуре, имеющей очень большое сходство со структурой графита. Это позволяет предполагать, что возможна кристаллизация нитрида бора и в другой структуре, сходной со структурой второй модификации углерода- алмаза.

Первые сведения о получении кубической модификации BN были опубликованы в 1957г.

Причина такого «запоздалого» получения кубического нитрида бора становится ясной, если попытаться распространить аналогию между углеродом и нитридом бора на физико-химические свойства этих материалов. Алмаз термодинамически устойчив лишь при сверхвысоких давлениях. В отсутствии сверхвысоких давлений стабильной формой существования углерода является гексагональная модификация этого вещества - графит. Поэтому можно было ожидать, что и в случае нитрида бора стабильной фазой при относительно невысоких давлениях будет гексагональная форма BN , а получение кубической модификации этого соединения потребует использование техники сверхвысоких давлений. Неудивительно поэтому, что получение кубического нитрида бора стало возможно лишь во второй половине 50-х годов, когда техника сверхвысоких давлений развилась настолько, что позволила получать давления в сотни тысяч атмосфер при температурах в несколько тысяч градусов. Необходимость создания высоких температур для осуществления аллотропического перехода гексагонального нитрида бора в кубический, так же как и в случае перехода, графит - алмаз, связана с тем, что при относительно низких температурах такой переход «заморожен», то есть протекает с настолько малой скоростью, что практически невозможен.

Приведённые выше теоретические соображения были подтверждены главным образом в работах Венторфа. Автору удалось, используя технику сверхвысоких давлений, получить нитрид бора BN в структуре цинковой обманки. Этот кубический нитрид бора получил название «боразон».

Основные методы получения боразона(кубического нитрида бора).

Описанные в литературе методы получения кубического нитрида бора можно разделить на три группы. Первая группа включает металлы, в которых также используют сверхвысокое давление и аллотропический переход в присутствии катализаторов.

BN (гексаг.) > BN (куб.)

Ко второй группе относятся металлы, в которых также используют сверхвысокое давление, однако в основе их лежит не аллотропическое превращение нитрида бора, а определённая химическая реакция.

Наконец третья группа - получение кубического нитрида бора при явлениях, близких к нормальному.

Высокое давление, необходимое для реализации двух первых методов, создают с помощью аппаратуры, которую применяют для получения искусственных алмазов. Образец, состоящий из исходного продукта и добавленного к нему катализатора, нагревают с помощью тока, проходящего по нагревательной трубке из графита, тантала и др., расположенной в реакционной камере.

С помощью такой техники возможны процессы при давлениях в 100.000 атм. И температуре до 25000 С

Процесс аллотропического превращения В N (гексаг.) > BN (куб.) заключается в выдерживании гексагонального нитрида бора (с добавкой катализатора) при высоких температурах и давлениях. Постепенно температуру уменьшают до «замораживания» превращения, после чего давление понижается до атмосферного.

Получение исходного продукта - гексагонального нитрида бора - не представляет особых трудностей.

Проведенные исследования позволяют утверждать, что нитрид бора, так же как и углерод, может устойчиво существовать в гексагональной и кубической формах.

2.3 Синтез алмаза и кубического нитрида бора

магнит поле алмаз боразон

Для синтеза сверхтвердых материалов используют аппараты высокого давления, наибольшее распространение из которых получили аппараты следующих типов: «белт», чечевица, кубический и тетраэдрический.

Аппаратура высокого давления в производстве сверхтвердых материалов (алмаза, кубического нитрида бора и поликристаллических материалов на их основе) определяет производительность процесса.

Этот аппарат состоит из верхней и нижней матриц, скрепляемых кольцами и снабженных углублениями, образующими полость высокого давления, в которую помещен контейнер из литографического камня (95 % - СаСО3; остальное - оксиды Fе2О3, Аl2О3, SiO2 и др.) с реакционным составом. Работает аппарат следующим образом. Блок-матрицы, помещенные между опорными плитами, под усилием пресса сближаются, контейнер из литографского камня деформируется и заполняет пространство между матрицами, образующими камеру высокого давления.

Переход графита в алмаз осуществляют в присутствии растворителя углерода. В качестве растворителей углерода используются следующие металлы: Ni, Fe, Co, Ru, Pd, Os, Jr, Pt, Cr, Mn и Ta. При синтезе кристаллиты графита, которые представляют собой частицы графита с высокой степенью упорядоченности, являются источниками центров кристаллизации алмаза. При растворении металлом эти частицы достигают определенного размера и становятся центрами кристаллизации алмаза. В дальнейшем рост кристаллов происходит за счет транспортировки (диффузии) углерода через расплавленный металл. В зависимости от условий синтеза (давления и температуры) рост кристаллов алмаза может осуществляться по различным механизмам:

- при синтезе монокристаллов алмаза (при малых пересыщениях) рост кристаллов происходит через расплавленный металл;

- при синтезе поликристаллических алмазов (при больших пересыщениях) рост кристаллов может осуществляться одновременно за счет диффузии атомов углерода и микрогруппировок через расплавленный металл;

- при экстремальных условиях (давлении больше12 ГПа и температуре более 4000 К) создаются условия прямого фазового перехода графита в алмаз без использования растворителей углерода, т.е. происходит трансформация графитовой решетки в алмазную (переход мартенситного типа).

Механизм образования кубического нитрида бора более сложен, чем механизм образования алмазов. В настоящее время еще отсутствует общепринятая модель фазового превращения (в присутствии металлов и их нитридов) гексагонального нитрида бора в кубический. Наиболее предпочтительным является следующий механизм образования КНБ. Металл (например, магний) реагирует с нитридом бора, вследствие чего образуется соединение MeN и BN, в расплаве которого расплавляется нитрид бора. При соответствующих термодинамических условиях из раствора в расплаве и происходит кристаллизация кубического нитрида бора. В зависимости от условий роста, состава и свойств среды кристаллизации выращенный КНБ представляет собой агрегаты, друзы нарастания, перекристаллизации, сростки, двойники или монокристаллы различной степени кристаллического совершенства.

Синтетические монокристаллы алмаза и КНБ, полученные искусственным путем, имеют относительно небольшие размеры и представляют собой отдельные зерна с размерами от 10?4 до 2500 мкм. Поэтому для использования в качестве инструментального материала для лезвийных инструментов их, как правило, соединяют (сращивают) в поликристаллы.

Поликристаллические (композиционные) сверхтвердые материалы (ПСТМ) на основе алмаза и кубического нитрида бора появились на рубеже 60-70-х годов ХХ века. Характерной особенностью таких материалов является наличие жесткого каркаса из сросшихся зерен алмаза или КНБ. Спекание порошков алмаза и КНБ, как правило, осуществляется в области термодинамической стабильности алмаза и КНБ при давлении 5-9 ГПа и температурах 1500-2000К. Обычно спекание поликристаллических композиционных материалов осуществляют в присутствии активирующих -процесс спекания добавок: для алмазных порошков - кобальт или кремний, а для порошков КНБ - алюминий. Составляющие каркас зерна - это, в сущности, монокристаллы алмаза или КНБ, обладающие рядом уникальных физико-механических и теплофизических свойств. Насколько эти свойства реализуются в поликристалле зависит от степени их взаимосвязи. В настоящее время разработаны технологии производства двухслойных пластин, состоящих из верхнего рабочего слоя из сверхтвердого материала (0,5 - 2,0 мм) и твердосплавной основы (пластины). Спеканием твердосплавной пластины с алмазным рабочим слоем получают АТП, а с рабочим слоем из КНБ - КТП.

3. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Литература

1. Винс В.Г., Елисеев А.П. Влияние условий выращивания на спектральные характеристики синтетических алмазов типа Ib. - М.: Перспективные материалы, 2009.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс общей физики.- М.: Высшая школа, 2009

3. Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы.- М.: Лаборатория базовых знаний, 2009.

4. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Строение вещества.- М.: Высшая школа, 1970.

5. Костиков В.И., Шипков Н.Н., Калашников Я.А. Графитация и алмазообразование.- М.: Металлургия, 1991.

6. Мозберг Р.К. Материаловедение. - М.: Высшая школа, 1991.

7. Остапенко Н.Н., Кропивницкий Н.Н. Технология металлов. - М.: Высшая школа, 1970.

8. Парселл Э. Берклеевский курс физики. Электричество и магнетизм.- М.: Наука, 2009.

9. Савельев И.В. Курс физики.- М.: Наука, 2007.

10. Трофимова Т.И. Краткий курс физики.- М.: Высшая школа, 2009.

11. Яворский Б.М., Пинский А.А. Основы физики.- М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008.

Интернет источники

1. http://nashol.com/fizika-spravochniki /

2. https://ru.wikipedia.org

3. http://fizika.ayp.ru/

4. http://fizmat.by/

5. http://dic.academic.ru/

Размещено на Allbest.ru