Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Методы определения энергетических характеристик концентраторов солнечной энергии
1-1. Энергетические я функциональные характеристики концентраторов солнечной энергии 13
1-2. Обзор существующих методов определения оптико-энергетических характеристик концентраторов с олнечной энергии
1-3. Метод термомагнитной регистрации высокоинтенсивных солнечных лучистых потоков 28
1-4. Метод термоэлектрической регистрации энергетических характеристик концентраторов лучистой энергии 39
ГЛАВА II. Исследование свойств материалов, используемых для регистрации лучистых потоков
2-1. Электрические и магнитные свойства пленочных ферромагнитных материалов 48
2-2. Термоэлектрические и магнитные свойства металлов и их сплавов, перспективных для использования в термоэлектрических приемниках лучистой энергии . 66
2-3. Методы получения и измерения термоэлектрических свойств пленочных полупроводниковых материалов 117
2-4. Термоэлектрические свойства пленочных теллуридов германия, свинца, олова и селенида свинца. 124
ГЛАВА III. Термомагнитная регистрация высокоинтенсйвных лучистых потоков
3-1. Технология изготовления магнитных пленок,применяемых в качестве регистраторов лучистой энергий 165
3-2. Экспериментальная магнитооптическая установка для исследования магнитных свойств ферромагнитных пленок 179
3-3. Устройство для регистрации энергетических характеристик концентраторов лучистой энергии 208
3-4. Исследование энергетических характеристик солнечных концентраторов с помощью термомагнитных регистраторов лучистых потоков 215
ГЛАВА ІV. Термоэлектрические приемники лучистой энергии
4-1. Энергетические характеристики некоторых металлических и пленочных полупроводниковых материалов 224
4-2. Основные параметры, характеризующие свойства термоэлектрических приемников лучистой энергии и методы их измерения 231
4-3. Конструкция и технология изготовления термоэлектрических приемников лучистой энергии 241
4-4. Исследование энергетических характеристик солнечных концентраторов с помощью термоэлектрических приемников излучения 250
Выводы 256
Литература 280
- Метод термомагнитной регистрации высокоинтенсивных солнечных лучистых потоков
- Термоэлектрические и магнитные свойства металлов и их сплавов, перспективных для использования в термоэлектрических приемниках лучистой энергии
- Экспериментальная магнитооптическая установка для исследования магнитных свойств ферромагнитных пленок
- Основные параметры, характеризующие свойства термоэлектрических приемников лучистой энергии и методы их измерения
Введение к работе
Развитие солнечной энергетики в значительной степени связано с созданием мощных солнечных тепловых электростанций и высокотемпературных солнечных установок. В ходе их разработки были исследованы многие оптические,теплофизические и энергетические аспекты проблемы преобразования солнечной энергии в электрическую [1,3,8,11]. Было показано,что одним из важнейших условий,определяющих эффективную работу солнечных тепловых электростанций,является создание требуемого распределения тепловых потоков на поверхности приемников излучения L61»
В последние годы интенсивно разрабатываются численные методы анализа с помощью ЭВМ характера распределения интенсивности тепловых лучистых потоков в фокальном пятне концентраторов энергии [4,19,20,28].
Однако проблема экспериментального определения основных параметров концентраторов солнечной энергии, отвечающих требованиям высокой точности, малой инерционности и локальности в сочетании с необходимостью автоматизации эксперимента и обработки первичной информации, остается еще недостаточно разработанной.
Неудовлетворительность существующих методов измерения энергетических характеристик концентрирующих систем и отсутствие соответствующего приборного оснащения особенно остро ощущается в связи с развитием техники высокотемпературных исследований и технологии получения тугоплавких сединений, обработки огнеупоров, синтеза новых полупроводниковых материалов, реализуемых на солнечных печах и оптических печах с искусственными источниками
[1,22,139]. Поэтому большое внимание уделяется разработке различных методов и устройств для определения оптико-энергетических
5 характеристик концентраторов солнечной энергии. Для этой цели в настоящее время применяются калориметрический, радиометрический, фотометрический и фотографический методы. Однако эти методы и устройства на их основе, несмотря на ряд достоинств, обладают существенными недостатками, связанными с селективностью приемников излучения, их инерционностью и слабой стойкостью к высокотемпературным воздействиям, что приводит к достаточно высоким погрешностям при проведении измерений. Таким образом известные методы и устройства не обеспечивают в полной мере выполнение необходимых требований.
В связи с этим разработка более надежных, точных и быстродействующих методов и устройств для определения энергетических характеристик концентраторов лучистой энергии, сочетающих к себе достоинства ранее известных методов и свободных от их недостатков, является актуальной задачей, имеющей существенное научное и практическое значение. Анализ состояния вопроса приводит к необходимости поиска других возможных физических явлений, на основе которых могли бы быть созданы высокоэффективные первичные преобразователи информации о распределении плотности лучистых потоков. В этом отношении большой интерес представляют рассматриваемые в нашей работе теоретические и практические возможности использования термомагнитных и термоэлектрических явлений, возникающих при воздействии на ферромагнитные и полупроводниковые пленки тепловых и магнитных полей.
Постановке данной задачи в значительной мере способствовал; достигнутый прогресс в области электронной технологии,автоматики, вычислительной и измерительной техники,послуживший основой для создания элементов и устройств,реализующих функции регистрации, сбора и длительного хранения информации с использованием магнит-
них пленок.
Так, в последние годы появился ряд работ [31,32,55,58], в которых магнитные пленки применялись для записи аналоговой информации, связанной с совместным воздействием внешних тепловых и магнитных полей. Анализ этих работ показывает, что в принципе пленочные регистраторы на основе ферромагнитных и полупроводниковых материалов могут быть использованы для измерений высокоинтенсивных лучистых потоков солнечных концентраторов энергии.
Вазвитие микроэлектроники и успехи в области получения пленочных полупроводниковых термоэлектрических материалов позволили создать миниатюрные малоинерционные высокочувствительные приемники лучистой энергии, работающие в широком интервале температур
с достаточно высокой точностью. Термоэлектрические пленочные приёмники излучения позволяют проводить измерения как средних по величине лучистых потоков распределенных по всей площади фокального пятна солнечного концентратора, так и на отдельном его участке. Высокая стабильность свойств таких приемников и относительная простота эксплуатации делают их весьма удобными для измерения лучистых потоков в фокальных областях солнечных концентраторов в широком диапазоне интенсивноетей излучения,а соединение их с ЭВМ и автоматическим графопостроителем позволяет создать автоматическую систему, обеспечивающую быстрое и надежное исследование характера распределения плотности потока энергии по большой площади фокального пятна.
Таким образом,учитывая актуальность, научную и практическую важность данной проблемы, а также недостаточность разработок в этом направлении, основные цели диссертации можно сформулировать следующим образом:
разработать новые методы регистрации плотности лучистых по-
7 токов в широком диапазоне интенсивностей (I03 - 10' Вт/м2) в солнечных концентрирующих системах на основе использования термомагнитных, термоэлектрических и магнитооптических явлений в ферромагнитных и полупроводниковых пленках, возникающих при одновременном воздействии на них тепловых и магнитных полей;
обосновать выбор исходных материалов первичных преобразователей и схем регистрации потоков излучения, обеспечивающих реализацию предложенных методов;
разработать технологию получения и принципы конструктивного оформления ферромагнитных и полупроводниковых регистраторов лучистых потоков.
Реализация поставленной цели позволит решить важную научную, комплексную по своему характеру, проблему создания средств надежной, быстродействующей и достаточно точной локальной и интегральной регистрации высокоинтенсивных лучистых потоков, включая разработку соответствующих методов исследования, конструкций и технологии получения регистраторов потоков излучения.
Научная новизна. Научно обоснована и технически реализована возможность создания новых методов измерения и регистрации плотности потоков концентрированного солнечного излучения в широком диапазоне интенсивностей (10-10 Вт/м2), основанных на использовании термомагнитных, термоэлектрических и магнитооптических явлений в ферромагнитных и полупроводниковых пленках, возникающих при воздействии на них тепловых, магнитных и световых полей.
Разработан способ определения плотности потоков энергии в фокальном пятне солнечных концентрирующих систем, основанный на использовании ферромагнитных пленок с полосовой доменной структурой и вращающейся анизотропией.
8 Создана экспериментальная магнитооптическая установка для определения магнитных свойств ферромагнитных пленок в интервале от -120 до 800С.
Проведено исследование в широком интервале температур магнитных, электро- и тепл-офизических свойств систем сплавов никель-палладий, железо-кобальт, кобальт-хром, кобальт-марганец, железо-никнль, а также соединений теллуридов олова, свинца и селенида свинца в пленочном использовании.
Создано устройство для регистрации на ферромагнитных пленках распределения плотности потоков лучистой энергии во всем фокальном пятне солнечных концентраторов в импульсном режиме с длитель-
—я
ностыо импульса облучения порядка 10 с и дешифрирования записанной на этих пленках энергетической информации с высоким пространственным разрешением.
Разработан применительно к измерению плотностей потоков лучистой энергии солнечных концентрирующих систем термоэлектрический метод, основанный на использовании созданных автором миниатюрных приемников излучения на полупроводниковых пленках из селенида свинца и теллурида олова. Разработаны и опробованы оптимальные конструкции и технология их изготовления.
На основе исследования термоэлектрических свойств ряда полупроводниковых пленок и разработанной технологии созданы миниатюрные термоэлектрические приемники излучения,обеспечивающие измерения плотности потоков лучистой энергии в пределах 10 -10 Вт/иг.
Разработанные методы и устройства отличаются от известных неселективностью к спектру солнечного излучения, безинерпион-ностыо, регистрацией распределения плотности потоков энергии на всей площади фокального пятна, возможностью фиксирования высоко-
9 интенсивных потоков излучения и позволяют изучать распределение плотности потоков лучистой энергии в фокальных пятнах и афокаль-ных плоскостях различных типов концентраторов солнечной энергии.
Практическая ценность. Разработанные термомагнитный и термоэлектрические методы, созданные устройства и установки используются для определения энергетических характеристик концентраторов лучистой энергии, испытания солнечных термоэлектрических преобразователей, исследования физических свойств магнитных и полупроводниковых материалов в НПО "Солнце" АН ТССР, НПО "КЕаят", ЦПКТБ НП АН УзССР, Институте проблем материаловедение АН УССР, Агрофизическом НИИ ВАСЖНШЕ, іуркменском госуниверситета им.A.M. Горького. Практическое использование результатов проведенных исследований подтверждено актами и справками о внедрении, вынесенными в приложений к диссертаций.
Разработанные методы и устройства для определения энергетических характеристик солнечных концентрирующих систем могут быть рекомендованы к использованию в научно-исследовательских институтах, проектных и других организациях, занимающихся разработкой, конструированием и использованием концентраторов лучистой энергии, а также организациям,где проводятся измерения высокоинтенсивных лучистых потоков в оптических установках,с искусственными источниками (ЭНИН им.Г.М.Кржижановского, ФТИ АН Уз.ССР, Отделение НПО "Квант", Институт высоких температур АН СССР и др.). . Экспериментальная магнитооптическая установка может быть рекомендована научно-исследовательским институтам и предприятиям, занимающимся вопросами исследования физических свойств различных материалов (ФТИ АН СССР им.А.Ф.Иоффе, ФТИ АН ТССР, МГУ им.
10 М.В.Ломоносова, Институт физики СО АН СССР им.Л.В.Киренекого и
др.).
Публикации до работе.По теме диссертации опубликованы 26 статей в различных журналах АН СССР, АН ТССР, материалах Всесоюзных конференций и семинаров. Получено три авторЫсих свидетельства на изобретения: "Способ определения энергетических характеристик концентраторов лучистой энергии"; "Устройство для измерения магнитных свойств кольцевых ферромагнитных пленок"; "Устройство для регистрации энергетических характеристик концентраторов лучистой энергии".
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на УП Всесоюзной школе-семинаре по гиромагнитной электронике и электродинамике (Ашхабад,май,1973 г.), зональном совещании по физике магнитных явлений (Красноярск,май 1974 г.), Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений (Баку,июнь 1975 г.), УП Всесоюзной школе-семинаре "Новые магнитные материалы для микроэлектроники" (Ашхабад,сентябрь 1980 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение температурных и теплофизиче-ских измерений в диапазоне высоких температур" (Харьков,июнь, 1983).
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов. Она изложена на 284 страницах машинописи,содержит 85 . рисунков и графиков, 17 таблиц и список литературы из 214 наименований.
Первая глава диссертации посвящена анализу современных методов исследования энергетических характеристик концентраторов солнечной энергии. В ней рассмотрены оптико-энергетические характеристики концентраторов солнечной энергии, известные современные методы и устройства для их определения. Показаны достоинст-
ва и недостатки существующих методов определения оптико-энергетических характеристик концентраторов солнечной энергии. Изложены основное содержание термомагнитного и термоэлектрического методов определения энергетических характеристик солнечных концентрирующих систем и требования, предъявляемые к разрабатываемым на их основе устройствам.
Во второй главе описаны результаты исследования физических свойств материалов, представляющих интерес для использования в качестве регистраторов лучистых потоков. Приведены электрические и магнитные свойства пленочных ферромагнитных материалов; термоэлектрические и магнитные свойства различных металлов и их сплавов (никель-палладий, железо-кобальт,кобальт-хром,кобальт-мар-ганей; железо-никель); технология получения пленочных полупроводниковых материалов (теллурида германия, олова,свинца и селе-нада свинца) и методы измерения их термоэлектрических свойств; результаты измерений термоэлектрических свойств (термоэдс,электропроводность и теплопроводность), пленочных теллуридов германия, олова, свинца и селенида свинца; методы экспериментального определения гальвано- и термомагнитных эффектов.
Третья глава посвящена термомагнитным регистраторам высо-коинтенсивяых потоков концентрированного солнечного излучения. Здесь описана технология изготовления пленочных магнитных регистраторов; конструкция устройства для термомагнитной регистрации потоков лучистой энергии в фокальном пятне солнечных концентраторов; конструкция магнитооптической установки для исследования свойств ферромагнитных пленок и дешифрирования записанной на магнитных регистраторах информации, приведены результаты исследования магнитных свойств ферромагнитных пермалло-вых пленок и энергетических характеристик солнечных концентра-
12 торов с помощью термомамагяитных регистраторов лучистой энергии.
В четвертой главе приведено описание термоэлектрических приемников лучистой энергии. Она включает в себя анализ энергетических характеристик термоэлектрических металлических и пленочных полупроводниковых материалов; методы измерения характеристик пленочных термоэлектрических приемников лучистой энергии; описание конструкции и технологии изготовления термоэлектрических приемников излучения. Приведены результаты исследования энергетических характеристик солнечных концентраторов при помощи термоэлектрических приемников излучения. Приводится сравнение полученных результатов с литературными данными,полученными ранее известными методами.
В конце диссертации даны основные научные выводы по результатам проделанной работы и список цитированной литературы.
Метод термомагнитной регистрации высокоинтенсивных солнечных лучистых потоков
В предыдущих параграфах были описаны основные типы распределений поверхностной плотности потоков излучения на приемниках оптических концентрирующих систем и существующие методы их измерения. В данном разделе мы рассмотрим термомагнитный метод регистрации высокоинтенсивных потоков излучения.
При разработке метода и устройства для термомагнитной регистрации следует учесть ряд особенностей измеряемых параметров [27] . Термомагнитный метод обладает высокой координатной разрешающей способностью и применим для измерения характеристик потока как на малых, так и на больших участках лучевоспринимаю-щей поверхности.
Характерным представителем установок для радиационного нагрева является солнечный концентратор с параболоидным зеркалом, схематически изображенный на рис.1-5. В рабочем режиме оптическая ось концентратора направлена непосредственно на источник излучения - Солнце или совпадает с направлением солнечных лучей, отраженных от плоского зеркала - гелиостата. В последнем елучае солнечный концентратор в процессе работы остаётся неподвижным и функцию слежения за дневным перемещением Солнца берет на себя гелиостат.
Солнечные лучи падают на отражающую поверхность концентратора в виде конических пучков одинакового углового размера, соответствующего видимому угловому диаметру Солнца, составляющему около 10 рад.
При зеркальном отражении от геометрически идеальной парабол оидной поверхности лучи вновь образуют конические пучки того же углового размера.
Каждый отраженный пучок образует в фокальной плоскости эллиптическое сечение. Их размеры и ориентация различны и зависят от фокусного расстояния параболоида -f , угла /3 и аксиального угла, задающего меридиональное положение зеркального элемента на поверхности параболоида. Суперпозиция элементарных изображений источника образует центрально-симметричное распределение плотности потока излучения в фокальной плоскости идеального параболоида, описывающееся базисными функциями монопараболоида (рис.1-І).
В реальном концентраторе эта картина нарушается под влиянием неточности зеркальной поверхности, юстировочных погрешностей, ошибок автоматики и неточности механизмов ориентации. Поэтому реальные распределения отличаются от идеализированной картины и зачастую не обладают центральной симметрией.
Для регистрации распределений плотности сконцентрированного потока необходимо измерительное устройство неселективное к спектру солнечного излучения, не меняющее свои поглощательные способности с изменением угла падения лучей, термостойкое и безынерционное Совокупности этих требований отвечают устройства, разработанные на основе зачерненных магнитных пленок с полосовой доменной структурой и вращающейся анизотропией [l35,I38j .
Схематическое изображение процесса термомагнитной регистрации характеристик концентратора приведено на рис.1-6. Сущность его сводится к следующему. Магнитная пленка предварительно намагничивается так, что все полосовые домены ориентируются в одном направлении. Пленка помещается в фокальную плоскость концентратора и защищается от концентрированного потока шторками затворного механизма. В плоскости пленки прикладывается магнитное поле записи, перпендикулярное полосовым доменам и несколько меньшее по уровню порогового значения, которое могло бы вызвать пе-ремагничивание каких-либо участков пленки до начала экспонирования. Затем с помощью затворного механизма на пленку подают импульс сконцентрированного излучения с заданной длительностью ЭКСПОЗИЦИЙ. Под действием лучистого потока и пропорционально локальным значениям его плотности за время экспозиции поверх 33 ность пленки нагревается, .вследствие чего уменьшается коэрцитивная сила освещенных участков пленки. В результате на отдельных участках пленки под действием поля записи происходит необратимый поворот векторов намагниченности доменов,величина угла поворота которых однозначно связана с плотностью потока лучистой энергии. По углу поворота векторов намагниченности отдельных участков записанной пленки можно определить энергетические характеристики солнечных концентрирующих систем.
Последующее дешифрирование записанной информации позволяет по известным температурным характеристикам процесса перемагни-чиваяйя пленки (регистратора) восстановить скрытую информацию о распределении поверхностной плотности энергии в фокальном пятне концентратора. Обычно это делается оптическим дифракционным методом [54-581 с нанесением на поверхность пленки магнитного коллоида. При этом пучок света попадая на пленку со стороны коллоида дифрагирует на каждом из участков различных по углу поворота доменов, подобно тому, как это имеет место на отражательной дифракционной решетке, что позволяет различить эти участки, т.е. дифракционный метод позволяет визуализировать картину распределения изоэнергетических зон, соответствующих конкретным значениям плотности потока лучистой энергии.
Термоэлектрические и магнитные свойства металлов и их сплавов, перспективных для использования в термоэлектрических приемниках лучистой энергии
Как уже указывалось в главе I, одним из возможных типов термоэлектрических приемников лучистой энергии могут быть термоэлементы, работающие в режиме максимальної удельной мощности при постоянном подведенном тепловом потоке. Учитывая измерительное (а не энергетическое) назначение таких термоприемников, в них не обязательно использовать полупроводниковые материалы, обладающие высокой добротностью 2 , а можно применять сплавы металлов, поскольку они более удобны и надежны в конструктивном, технологическом и эксплуатационном отношении. Для этой цели нами были подробно изучены электрические,магнитные и термоэлектрические свойства сплавов системы никель-палладий [123-127] , железо-кобальт [128-129] , кобальт-марганец [130], кобальт-хром [131], железо-никель [198]в широком интервале температур и составов сплавов.
В сплавах системы никель-палладий нами изучались термоэдс [123] и электропроводность [124] в интервале температур от комнатной до 700С. Исследования проводились со сплавами с различным содержанием никеля (100$, 90,80,75,70,50,40,28,26,25,24,20 и 10 ат.$ в сплаве). Исходными элементами сплавов никель-палладий были электролитический никель и рафинированный палладий. Плавление сплавов производилось в корундиеовых тиглях в высокочастотной печи под слоем флюса, а расплавы всасывались в накаленные фарфоровые трубки с внутренним диаметром 3 мм. После этого с помощью многократного промежуточного отжига и закалки все образцы вытягивались в волочильной установке в проволоку диаметром 0,8-0,4 мм. Образцы отжигались в электрической печи на воздухе при температуре 600С. в течение одного часа. Затем печь охлаждалась вместе с образцами до 450С, и при этой температуре образцы выдерживались в течение четырех часов. После этого печь охлаждалась в течение 20 часов до комнатной температуры. Измерения термоэдс выполнялись методом определения интегральной эдс Е по отношению к платине с последующим графическим дифференцированием [і9б] . Сущность этого метода заключается в следующем. Исследуемые образцы в виде проволоки диаметром 0,8-0,4 мм и длиной 50 см заключались в фарфоровые капилляры и одним концом приваривались к горячему спаю термопары. Холодные концы соединялись с медными проводами сплавом Byда и погружались в стелянных пробирках в сосуд Дыоара со льдом. Присоединение к потенциометру осуществлялось через переключатель. Термоэдс измерялась с помощью низкоомного потенциометра ШШ-І, а температура - платияо-платияородиевой термопарой. В качестве электрода сравнения служила термопарная платина, градуированная по меди.
Горячий спай помещался в кварцевую трубку, запаянную с одного конца, которая по мере надобности вдвигалась внутрь трубчатой печи, имеющей значительный температурный градиент. Производились отсчеты температуры горячего спая и термоэдс для 5-ти образцов, и трубка продвигалась далее по оси печи. Этот способ достаточно точно и быстро позволяет производить измерение сразу для нескольких образцов. Таким путем измерялась интегральная термоэдс сплавов никель-палладий в паре с платиной. Для понимания природы превращений, происходящих в сплавах, значительно важнее изучать «дифференциальную термоэдс или э.д.с. Томеона, т.к. на этих явлениях превращения оказываются значи тельно ярче, чем на интегральной термоэдс. Определение абсолют ных значений термоэлектрических свойств имеет то преимущество, что явления характеризуются только свойствами данного сплава независимо от электрода сравнения и его особенностей. Кроме того, абсолютные значения легко сравнимы между собой. Дифференциаль ная термоэдс определялась путем геометрического дифферен цирования кривой интегральной термоэдс Е = f(т) , Полученные где R0 - электросопротивление образца при 0; R, и R2 - электросопротивление образца при температурах t, и t2 .Ошибка измерения удельного электросопротивления при 0 лежит в пределах 3-6$ для разных образцов. Результаты наших исследований термоэлектрических свойств сплавов системы никель-палладий представлены в таблицах (2-1)-(2-5) и на рисункам (2-П) - (2-15) [123]. Интегральная термоэдс всех сплавов никель-палладий отрицательна по отношению к платине. До точки Кюри термоэдс для всех сплавов уменьшается с температурой почти прямолинейно. Вблизи точки Кюри кривые имеют плавные изгибы. Выше точки Кюри интегральная термоэдс плавно уменьшается с повышением температуры. Исследование интегральной термоэдс не дает отчетливой картины превращений в металлах. О температуре превращения можно судить лишь приблизительно.
Значения дифференциальной термоэдс исследованных сплавов даны на рис.2-П и в таблице 2-2. Как видно [123] , до точки Кюри дифференциальная термоэдс всех сплавов изменяется монотонно, а при температуре магнитного превращения наблюдается достаточно острый максимум кривых. Выше точки Кюри изменение термоэдс носит плавный характер. Все сплавы характеризуются электронной проводимостью. Излом кривых термоэдс является характерным для материалов, в которых магнитное превращение является типичным фазовым превращением второго рода.
Экспериментальная магнитооптическая установка для исследования магнитных свойств ферромагнитных пленок
При высоких температурах (выше 400С), т.е. когда все сплавы этой системы являются чисто парамагнитными, величина удельного электросопротивления достигает максимума при 50% палладия в сплаве (рис.2-17). Смещение максимума объясняется рассеянием электронов проводимости как в 5 » так й в СІ -зоны, т.е.ростом концентраций палладия вероятность рассеяния электронов проводимости в d -зону возрастает, что и приводит к смещению максимума электросопротивления [197] . При высоких температурах в этих сплавах значения dp/dX не зависят от концентрации, т.е. выполняется правило Маттисена. Как видно из рис.2-18 при температуре 450С значение dp / dt практически остается постоянным уменьшаясь очень медленно с увеличением содержания палладия. Температурный коэффициент электросопротивления подобно теплоёмкости имеет острый максимум в точке Кюри для всех исследованных сплавов никель-палладии (рис.2-18а).
В системе сплавов никель-палладий проводились нами также исследования изменения электросопротивления (гальваномагнитный эффект ) [127] и термоэлектродвижущеи силы [125, 126] маг-нитострикции [208] в магнитном поле в зависимости от температуры и состава сплавов. В результате исследования установлено,что для всех сплавов в определенных интервалах температур около точки Кюри имеет место прямолинейная зависимость величины изменения электросопротивления в магнитном поле ( AR/ R ) от температуры. Этв согласуется с известным соотношением температурной зависимости гальваномагнитных эффектов в области температуры Кюри [194]. В области температуры Кюри зависимость гальвано- магнитного эффекта от магнитного поля описывается соотношением, а для температур ниже и выше точки Кюри имеет место линейная и квадратичная зависимость эффекта от поля.
Температура Кюри сплавов определялась по максимуму отрицательного гальваномагнитного эффекта и температурного коэффициента электросопротивления. Величины гальваномагяитного эффекта и точка Кюри до 70$ Pd приблизительно линейно падают с ростом концентрации палладия в сплаве. Вблизи состава 75$ pd наблюдается относительно резкое изменение значения точки Кюри и гальвано-термомагнитных эффектов. Эти изменения, по-видимому.связаны со сверхструктурными превращениями в этом составе. В сильных магнитных полях абсолютная величина продольного термомаг-нитного эффекта в сплавах никель-палладий уменьшается, а поперечного - с ростом поля увеличивается. Аналогичные процессы наблюдались и при исследовании продольной и поперечной магнито-струкции в этой системе сплавов [208]. Начиная с 70$ Pd и выше, продольный и поперечный термомагнитные эффекты имеют одинаковый знак и приблизительно одинаковую величину. Такое поведение четных эффектов в общем случае объясняется влиянием членов более высокого порядка в тензоре анизотропии, влиянием па-рапроцесса и текстуры. Что же касается поведения термомагнитных эффектов в сплавах никель-палладий с большим содержанием палладия, где точки Кюри.близки к комнатной температуре,то здееь изменение т.э.д.с. почти полностью обусловлено парапроцессом и поэтому подчиняется второму правилу четных эффектов,выражаемому соотношением: 0 ,.= 1(194]. Влияние парапроцесса сказывается также и на ход кривых магнитострикции и гальваномагнитного эффекта.
Как известно, изменение т.э.д.с. ферромагнетика под действием магнитного поля обусловлено изменением намагниченности ферромагнетика, то есть изменением ориентации спонтанно-намагниченных областей, то на характере кривых термомагнитного эффекта будут как-то сказываться различные процессы намагничева-ния. В связи с этим в работе [l26J проведено исследование продольного термомагнитного эффекта в спланах системы никель-палладий в зависимости от намагниченности. Зависимость термомагнитного эффекта от квадрата намагниченности представляется в виде двух прямых,претерпывающих резкие изменения при переходе от процесса смещения к процессу вращения векторов намагниченности. Первый из этих прямолинейных отрезков соответствует намагничиванию образцов в слабых магнитных полях и связан с процессом смещения границ областей спонтанного намагничивания, а второй - связан с поворотом вектора намагниченности в сильных маг-дшшых полях В сплавах с блышм содержанием палладия практически не наблюдается изменение термоэлектродвижущей силы в слабых магнитных полях, тогда как намагниченность этих сплавов достигает значительной величины. Это обстоятельство может быть объяснено тем,что првдольное смещение границ не может вызвать изменение термоэлектродвижущей силы ферромагнетиков в силу четности этого явления. Таким образом можно полагать,что термомагнитный эффект в слабых магнитных полях обусловлен поперечным смещением спинов.
Таким образом на сплавах системы никель-палладий проведено исследование термоэлектрических свойств, удельного электросопротивления, гальвано- и термомагнитных эффектов и магнито стрикции в широком интервале температур и составов сплавов. Приведенные данные показывают,что поведение магнитных и электрических свойств при изменении температуры и концентрации хорошо описывается существующими теоретическими положениями.
Основные параметры, характеризующие свойства термоэлектрических приемников лучистой энергии и методы их измерения
На рисунке 2-35 представлены графики зависимости /0 от состава сплавов при различных температурах. Из рисунка видно, что значение удельного сопротивления растет с увеличением марганца до 20$. Этот рост особенно значителен на сплавах с кубической решеткой. Вблизи состава, отвечающего химическому соединению СОоМп при низких температурах,имеется глубокий минимум. С ростом температуры этот минимум становится менее выраженным и исчезает при 800С. Это указывает, на образование сверхструктуры вблизи состава СОоМп о точкой Іфрнакова, равной приблизительно 800С. На сплавах, близких к СОо П нами были проведены измерения удельного электросопротивления, на образцах, подвергнутых закалке. Закалка проводилась следующим образом: образцы выдерживались при 900С в течение двух часов и закаливались в воде. Измерения электросопротивления образцов производились при комнатной температуре. Как видно на рисунке 2-35 для закаленных образцов (пунктирная линия) указанный минимум несколько сглажен за счет увеличения электросопротивления, что подтверждает наличие сверхструктуры в сплаве,отвечающему составу Со3Мп.
Согласно современной теории, появление аномального поля Холла в ферромагнитных материалах обусловлен спин-орбитальным взаимодействием [166,169,177,21і]. Было показано [175,177],что (ферромагнитная постоянная Холла Rs значительный вклад вносят процессы рассеяния носителей тока на магнитных неоднородноетях.
В ряде работ [l66,I69j, была установлене зависимость ферромагнитной постоянно! Холла от температуры в виде соотношения (2-19). В случае рассеяния носителей тока на примесях и фононах в работах [і66,І7б] была получена формула (2-18), связывающая ферромагнитную постоянную Жолла Rg с удельным электрическим сопротивлением О (Rc=Q.p+OP / Параметры "ам и "в" зависят от структуры ферромагнитного вещества,от степени локализации электронов, ответственных за магнитные свойства и от характера носителей тока. При этом параметр "а" также зависит от остаточного удельного электросопротивления параметр "в" почти не зависит от остаточного удельного электрического сопротивления. Кроме того согласно [ібб] в ферромагнитных сплавах, когда оба входящих в состав сплава компоненты являются ферромагнитными, изменение концентрации влияет на величины параметров и "а" и "ви.
В работе [l98j нами было проведено измерение аномального поля Холла, намагниченности и электрического сопротивления железо-никелевых сплавов с малыми присадками никеля с целью сопоставления полученных результатов с выводами теории изложенной в работе [ібб]. В качестве объектов исследования были взяты же-лезоникелевые сплавы с содержанием никеля 1,3,5 и 10$ Образцы имели форму прямоугольных параллелепипедов с размерами ЗхбхІиО мм. Электрическое сопротивление измерялось на одном и том же образце одновременно с электродвижуще! силой Холла и намагниченностью. Электродвижущая сила Холла, электрическое сопротивление и температура измерялись потенциометрическим методом, а намагниченность баллистическим методом. Перед измерениями образцы подвергались , гомогенизирующему отжигу в вакууме при температуре 900С с выдержкой ю часов, а затем медленно охлаждались вместе с печью. По результатам измерения были построены графики зависимости эдс Холла и намагниченности. Экстраполяцией этих кривых были определены значения ЕХой Лс , а затем вычислялось значение ферромагнитной постоянной Холла R . . Абсолютная величина R « у этих сплавов в интервале температур от 30 до 500С монотонно возрастает с увеличением температуры. Для исследованных сплавов были получены также аналогичные зависимости удельного электрического сопротивления от температуры. С целью проверки теоретических выводов работы [ібб] была построена зависимость R5/0OT О для всех изученных сплавов. В указанном интервале температур наблюдается линейная зависимость между величинами Rg/p И Р » что подтверждает наличие связи между этими величинами в вдце соотношения (2-18). Было показано также,что с увеличением удельного электрического сопротивления параметр "а" резко возрастаете параметр "в" уменьшается незначительно. Эти данные находятся в согласии с выводами работы [ібб]. Аналогичные закономерности наблюдались нами и на железокобальтовых сплавах.
Таким образом, проведено комплексное исследование гальвано- и термомагнитных эффектов, удельного электросопротивления и термоэдс на сплавах железо-кобальтгхром,кобальт-марганец и железо-никель в широком интервале температур и составов. Сопоставлением экспериментальных результатов с выводами теоретических работ выяснены некотэрые общие и специфические особенности изученных нами ферромагнитных сплавов. Аномальная постоянная Холла и удельное электросопротивление при изменении концентрации сплавов связаны соотношением вида Rs=0 + DD. В интервале температур от комнатной до 500С все составы изученных сплавов железо-кобальт, железо-хром, железо-марганец и железо-никель обнаруживают линейную зависимость между величинами Rs/j и / , что согласуются с выводами теории. Температурная зависимость аномальной постоянной Холла и Нернста-Этинг-сгаузена в исследованных сплавах хорошо описывается соотношениями, существующими в современной теории кинетических явлений.
По результатам измерения электросопротивления в кобальт-марганцевых сплавах делается предположение о существовании упорядоченной структуры вблизи стехиометрического состава СОдМд.
