Виды химических связей в материалах

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

ВВЕДЕНИЕ

Данное пособие предусматривает изучение свойств радиотехнических материалов, которые проявляются в электромагнитных полях, но в то же время зависят от состава материалов, их структуры и внешних воздействий.

Под составом материала здесь понимается только основной химический состав: органический, неорганический или элементоорга-нический.

Под структурой – кристаллическая, аморфная, жидкокристаллическая и доменная структуры.

Под внешней средой – различные виды воздействующих на материал полей (локальных или общих): электромагнитного, теплового, механического, светового, радиационного и др.

Поведение материалов в электромагнитных полях характеризуется параметрами:

1) величиной запрещенной зоны;

2) удельным электрическим сопротивлением;

3) диэлектрической проницаемостью;

4) концентрацией носителей заряда;

5) магнитной проницаемостью и целым рядом других.

Все радиотехнические материалы можно разделить по их поведению в электромагнитном поле на основные четыре группы (класса):

1. Диэлектрики – материалы, имеющие большое удельное электрическое сопротивление: r » 10³…10¹⁶ Ом×м и большую запрещенную зону W_g ³ 3 эВ.

2. Полупроводники – материалы, диапазон удельных электрических сопротивлений которых очень велик и перекрывает собой значения сопротивлений диэлектриков и проводников: r » 10^-3…10⁸ Ом×м, ширина запрещенной зоны W_g £ 3 эВ.

3. Проводники – материалы, имеющие очень маленькое удельное сопротивление: r » 10^-8…10^-4 Ом×м, запрещенная зона практически отсутст-вует.

4. Магнитные материалы – материалы, у которых диапазон сопротивлений большой, но для них главное – концентрирование магнитных силовых линий в материале и высокая магнитная проницаемость – m.

Ниже представлена структурная схема дисциплины.

Структурная схема дисциплины

Каждая группа материалов имеет свои основные электрические, магнитные, тепловые, механические и другие характеристики; для каждого конкретного материала они приводятся в справочниках. Когда нужно выбрать материал для изготовления того или иного изделия, берут справочник и подбирают по требуемым характеристикам материал. За каждым числовым значением каждого параметра стоит явление, свойство, поведение материала, которое проявляется в условиях, требуемых при эксплуатации данного элемента, прибора, устройства.

В основу конспекта лекций положен материал, представленный в работах [1; 43].

Свойства материалов

Классификация материалов

Материалы, используемые в радиотехнике и электронике, подразделяют на конструкционные и радиотехнические.

Из конструкционных материалов изготавливают вспомогательные элементы конструкций РЭС, такие как несущие конструкции, различные механизмы корпуса.

Радиотехнические материалы (радиоматериалы) – это класс материалов, характеризуемых определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемых в радиотехнике с учетом этих свойств. Радиоматериалы необходимы для изготовления проводов, кабелей, волноводов, антенн, изоляторов, конденсаторов, резисторов, катушек индуктивности, трансформаторов, постоянных магнитов, полупроводниковых приборов, электронных ламп, устройств функциональной электроники. От свойств радиоматериалов зависит работа электрической схемы радиотехнического устройства.

Основными физическими параметрами радиоматериалов являются электропроводность, диэлектрическая и магнитная проницаемость. По физическим (электрическим и магнитным) свойствам все радиоматериалы принято подразделять на четыре класса. По электрическим свойствам выделяют проводниковые, диэлектрические и полупроводниковые материалы, а по магнитным – магнитные материалы.

Проводниковые материалы характеризуются относительно низким электросопротивлением. Такие материалы применяют для изготовления монтажных проводов, кабелей, в качестве контактных материалов. Высокоомные проводниковые материалы с заданной величиной электросопротивления используют для изготовления резистивных элементов таких радиокомпонентов, как резисторы.

Диэлектрические материалы, напротив, характеризуются очень высоким удельным электросопротивлением и обычно применяются в качестве электроизоляционных материалов, таких как различные установочные изделия, электроизоляционные подложки и печатные платы, каркасы катушек индуктивности и трансформаторов, пропиточные материалы. Диэлектрические материалы с заданной величиной диэлектрической проницаемости широко применяются в качестве электроизоляционных прокладок при изготовлении электрических конденсаторов.

Активные диэлектрики – сегнетоэлектрики – отличаются от электроизоляционных материалов заметной зависимостью диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля и температуры. В активных диэлектриках, как правило, наблюдается пьезоэффект, заключающийся в проявлении механических напряжений в диэлектриках под действием электрического поля. Такие диэлектрики называют пьезоэлектриками.

Полупроводниковые материалы используют в радиотехнике и электронике, когда необходимо получить электрическое сопротивление материала, управляемое электрическим или магнитным полем, а также температурой или освещенностью. Из полупроводниковых материалов изготавливают диоды, транзисторы, термисторы, фоторезисторы и другие полупроводниковые приборы.

Магнитные материалы обладают способностью намагничиваться под действием магнитного поля. Из магнитных материалов делают сердечники катушек индуктивности, магнитопроводы трансформаторов, магнитные элементы памяти. Некоторые разновидности магнитных материалов сохраняют свою намагниченность после воздействия магнитного поля и применяются для изготовления постоянных магнитов.

В радиотехнике и электронной технике применяют разнообразные материалы, количество наименований которых превышает несколько тысяч.

Вопросы для самопроверки

1. Приведите общую классификацию материалов, используемых в электронной технике.

2. Каковы основные виды химической связи в материалах и чем они обусловлены?

3. В чем различия между монокристаллами, поликристаллическими и аморфными веществами?

4. Приведите примеры точечных и протяженных дефектов структуры в реальных кристаллах.

5. Охарактеризуйте явление полиморфизма. Приведите примеры полиморфных веществ.

6. Почему при образовании твердого тела энергетические уровни атомов расщепляются в энергетические зоны?

7. От чего зависит ширина разрешенной зоны и число уровней в ней?

8. Чем различаются зонные структуры проводника, полупроводника и диэлектрика?

9. В чем различие между электронами проводимости и свободными электронами?

Проводниковые материалы

Проводниковые материалы – это материалы, служащие проводниками электрического тока. Их удельное электрическое сопротивление мало, и составляет от 10^-8 до 10^-4 Ом∙м. Проводники могут быть твердыми веществами: кристаллические металлы и сплавы, углерод – это проводники 1-города; жидкими – электролиты – это проводники 2-го рода; газообразными – газоразрядная плазма – проводники 3-го рода.

Рассмотрим проводники 1-го рода, которые практически не имеют запрещенной зоны, так как зоны валентная и проводимости у них перекрываются (рис. 21).

Металлы обладают металлическим типом химической связи, при которой валентные электроны атомов обобществлены и образуют так называемый «свободный» электронный газ. Атомы, расположенные в узлах (междуузлиях) кристаллической решетки, являются положительно заряженными ионами, так как они отдали свои электроны «в общее пользование». В такой системе имеет место большое количество свободных носителей заряда – электронов.

Основные электрические параметры проводников, отражающие их свойства, приводятся в табл. 2.2.

Рис. 2.1. Структурная схема проводников

Вопросы для самоконтроля

1. Чем обусловлена высокая проводимость проводников 1-го рода?

2. На какой параметр (в формуле проводимости) оказывают влияние повышение температуры, введение примесей в металл и механическое искажение кристаллической решетки?

3. Что собой представляет температурный коэффициент удельного электрического сопротивления проводников?

4. По какой формуле можно рассчитать сопротивление проводника при температуре выше комнатной, 20 °С?

5. Что собой представляет явление сверхпроводимости?

6. Почему при определенных (низких) температурах в некоторых проводниках сопротивление падает до нуля?

7. Какие факторы могут вывести сверхпроводник из сверхпроводящего состояния?

Термоэлектродвижущая сила

Если два различных металла или сплава приводятся в плотное соприкосновение, между ними может возникать контактная разность потенциалов (КРП). Причина ее появления состоит в неодинаковой величине работы выхода электронов из металлов, а также в различной плотности свободных электронов у разных металлов.

Если взять два разных проводника − А и В (рис. 2.4) с работами выхода электронов W_выхА и W_выхВ; плотностью электронов n_А и n_В, то при соотношении, например W_выхА < W_выхВ и n_А > n_В, электроны из А перейдут в приграничном слое контакта в В (градиент концентрации электронов), нарушится электронейтральность и на границе соприкосновения появится контактная разность потенциалов, направление которой показано стрелкой.

Контактная разность потенциалов определяется по формуле:

, (2.2)

где U_A и U_B – потенциалы соприкасающихся металлов;

n ₀ _A и n ₀ _B – плотности электронов в А и В, м^-3;

К – постоянная Больцмана, К = 1,38∙10^-23 Вт/град;

q – заряд электрона, 1,6∙10^-19 А∙с;

Т – абсолютная температура, К.

Рис. 2.4. Контактная разность потенциалов (W_A < W_B, n_A > n_B)

Если температура спая (Т_г) будет больше температуры (Т_х) концов проводников, между которыми включен измерительный прибор, то в замкнутой цепи возникнет термоэлектродвижущая сила, которую можно определить по формуле

. (2.3)

Контактная разность потенциалов и термо-ЭДС должны учитываться при изготовлении точных измерительных приборов; чтобы не вносить погрешности в измерения, надо подбирать такие контактирующие металлы, между которыми возникает как можно меньшие КРП и термо-ЭДС, например, между медью и манганином возникает термо-ЭДС порядка (2...3) мкВ/град, а между медью и константаном (40...50) мкВ/град. Это явление используется для изготовления термопар – измерителей температуры.

Примером пар проводников для изготовления термопар могут служить: медь–константант, хромель–копель, которые используются для измерения температур до 300...500 °С, хромель-алюмель – до 900...1000 °С и др.

Контакты

Рассмотрим явления, которые имеют место при контактировании двух проводников (контактов) и сопровождаются пропусканием тока через контакт.

При механическом соприкосновении двух твердых тел не происходит такое их сближение, при котором они образуют единое целое для прохождения тока. Основные причины этому:

· поверхности тел имеют шероховатости, превышающие размеры атомов;

· многие металлы при воздействии окружающей среды окисляются, образуя на поверхности окисные пленки, являющиеся в большинстве случаев диэлектрическими (CuO, Ag₂O, Al₂O₃ и т. п.);

· на поверхности твердых тел адсорбируются молекулы кислорода, воды, газов, пыли, содержащиеся в окружающей среде.

Таким образом, контакт между проводниками первого рода осуществляется в результате сложных процессов, которые можно представить с помощью модели (по Хольму), на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Модель контактирования двух проводников

Для твердых материалов касание их поверхностей происходит не по всей площадке (А), а в нескольких малых площадках, часть которых представляет чистый металл (1), а часть окисленный (3). В ряде мест контакт отсутствует [2, 4] в результате наличия воздушных зазоров. Если вся поверхность контакта материалов (А), контактные площадки (Аb), а площадь чисто металлических контактов «а», то соотношения между ними:

а < Аb << А.

Прохождение тока через такой контакт сопровождается явлениями, которые необходимо учитывать при выборе проводников контактной пары, при расчете площади контактов и выборе изоляционных материалов, примыкающих к ним.

Рассмотрим некоторые из этих явлений:

· так как площадь электрического контакта (а) меньше, чем расчетная (А), то в месте контакта происходит выделение значительной тепловой энергии – контакт нагревается за счет локальных перегревов;

· при замыкании и размыкании происходит механический износ поверхностей контактной пары (выкрашивание из-за трения и усталости материала);

· при размыкании контактов под действием значительных токов (в сильноточной аппаратуре), когда возникает дуга, может происходить перенос одного металла на поверхность другого (дуговая эрозия), их сплавление;

· в области контактных (чистый металл) площадок линии электрического тока значительно искривляются (эффект стягивания)
(рис. 2.6).

Внутри области стягивания имеет место большой градиент потенциала, а за ее пределами – очень малый. Градиент потенциала приводит к дрейфу носителей заряда по границе раздела контактов. При протекании тока через контакт 1 (рис. 2.5), в месте электрического соединения происходит выделение тепловой энергии и перегрев контакта (ΔТк) по сравнению с остальным телом металла и окружающей средой:

, (2.4)

где ρ – удельное сопротивление контактного материала;

λ_t – его теплопроводность;

R – сопротивление контакта;

I – протекающий ток через контакт.

Рис. 2.6. Эффект стягивания

Наличие градиента температур может привести к диффузии носителей заряда от нагретого контакта к более холодной периферии материала и (или) диффузии атомов металла.

Контактное сопротивление (R) принимается как сопротивление стягивания (следствие стягивания линий токов к проводящей площадке) и сопротивление пленок на площадках касания (R_f):

R = R_c ₁ + R_c ₂ + R_f , (2.5)

где R_c ₁, R_c ₂ – сопротивления стягивания первого и второго контактов;

R_f – сопротивление пленки.

Большой процент выхода электрической аппаратуры из строя происходит за счет процессов, происходящих на контактах. Поэтому при выборе материалов для контактных пар нужно учитывать: условия их эксплуатации, окружающую среду; взаимодействие материалов друг с другом (термо-ЭДС , взаимная диффузия), твердость, окисляемость
и т. д.

Наиболее ответственными контактами, применяемыми в радиоэлектронике, являются разрывные и скользящие. При этом материалы должны обеспечивать их высокую надежность: исключение возможности обгорания контактирующих поверхностей, приваривания друг к другу, сильного окисления и др.

В качестве контактирующих материалов при разрывных контактах применяют чистые тугоплавкие металлы, различные сплавы и металлокерамические композиции, например:

Cu-W; Ag-CdO; Ag-Co,Ni,Cr,W,Mo,To; Cu-C; Cu-W,Mo; Au-W,Mo и др.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие явления наблюдаются при контактировании двух разных металлов?

2. Что собой представляет термо-ЭДС в контактной паре проводников?

3. Какие явления наблюдаются в электрическом контакте проводников?

4. Чем сопровождается явление стягивания токовых потоков в месте контактирования проводников?

5. Из каких сопротивлений складывается полное сопротивление контактной пары?

Полупроводниковые материалы

Полупроводниковые материалы – это материалы, имеющие запрещенную зону. На их основе изготавливаются датчики различных видов энергий, выпрямители, триоды, тиристоры, интегральные микросхемы и множество других приборов и элементов.

Используются они, в основном, в твердом агрегатном состоянии, хотя имеются и жидкие полупроводники, например: Bi₂S, Cu₂S.

Ширина запрещенной зоны полупроводников имеет большой диапазон – от сотых долей электрон-вольта до 3 эВ. Удельные электрические сопротивления занимают более десяти порядков (10^-4...10⁸ Ом∙м).

Полупроводники относятся к неметаллам, а по химическому составу могут быть неорганическими – кремний, арсенид галлия, карбид кремния и органическими – антрацен, нафталин, фталоцианин меди
и др.

Особенности полупроводников

К особенностям полупроводников относят:

1. Электрические параметры очень чувствительны к содержанию примесей (0,000001 % примеси может изменить величину электропро-водности на один или два порядка).

2. Внешние воздействия (тепло, свет, давление, трение и др.) могут сильно изменять свойства материала. Поэтому полупроводники используются для изготовления датчиков всевозможных видов энергии: терморезисторы, фоторезисторы, тензорезисторы и др.

3. Полупроводники, в зависимости от определенных вводимых примесей, могут обладать электронной (n - типа) или дырочной
(р - типа) электропроводностью. Это позволяет создавать электронно-дырочный переход (р - n переход), который обладает униполярной проводимостью и позволяет создавать выпрямители, усилители и другие активные элементы и приборы.

Некоторые параметры и свойства полупроводников представлены
на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Свойства полупроводниковых материалов

Собственная проводимость

Собственная проводимость (γ_i) – осуществляется двумя типами носителей – электронами (n), которые переходят из валентной заполненной зоны в зону проводимости (рис. 3.2), оставляя свободное место (дырку) в валентной зоне, и дырками (р), которые, заполняясь ниже лежащими электронами валентной зоны, перемещаются в ней. Таким образом, в переносе зарядов участвуют и электроны и дырки, причем в равных количествах. Подвижность электронов (u_n) больше, чем подвижность дырок (u_p), так как электроны непосредственно переносят заряд, а дырки такой же заряд передают эстафетно, двигаясь в противоположную сторону движения электронов. Формула для собственной электропроводности γ_i полупроводников имеет вид

γ _i = q ∙ n ∙ u_n + q ∙ p ∙ u_p. (3.2)

Электропроводность γ_i состоит из двух составляющих: электронной и дырочной, т. к. количество n = р, а u_n > u_p, собственная проводимость γ_i имеет преобладание электронной составляющей и носит электронный характер. Перепишем формулу

γ _i = q ∙ n_i ∙( u_n + u_p ), (3.3)

где n_i – концентрация собственных носителей заряда.

Термоэлектрические свойства

Термоэлектрические свойства полупроводников рассмотрим на примере терморезисторов и термоэлементов.

Терморезисторы

Чувствительность некоторых полупроводников к тепловому полю очень велика, например, таких как оксиды СuO, NiO, МnО, их смеси. Она может составлять (3...7) % на 1 градус температуры.

Эта особенность используется для изготовления терморезисторов – сопротивлений, величина которых сильно изменяется от температуры. Подбирая разный состав полупроводника, можно получить требуемый ТКR. Вольтамперная характеристика терморезистора имеет вид, показанный на рис. 3.4. На участке 2, когда теплота Джоуля-Ленца, выделяемая в сопротивлении, превышает теплоотдачу в окружающую среду, термосопротивление нагревается, его сопротивление уменьшается
(по экспоненте), а ток возрастает.

Терморезисторы изготавливают в виде стерженьков, таблеток, бусинок путем прессования окислов. Масса их, как правило, мала, чтобы терморезистор обладал меньшей инерционностью при реакции на тепло.

Используются они как датчики температуры в различных схемах автоматики, измерительных приборах в целях температурной компенсации, непосредственно для измерения температуры.

Рис. 3.4. Вольтамперная характеристика терморезистора

Термоэлементы

Термоэлементы – это устройства, с помощью которых можно преобразовывать энергию электрического поля в тепловую энергию, и наоборот – тепловую в электрическую. Эти преобразования основаны на эффектах Зеебека и Пельтье.

Рассмотрим причины, которые могут способствовать направленному движению микрочастиц, носителей заряда и др.

Направленное движение заряженных частиц вызывают:

1) градиент электрического поля;

2) градиент теплового поля;

3) градиент концентрации частиц и другие факторы.

(Движение частиц направлено от большего градиента к меньшему).

Если в полупроводнике образуются электронно-дырочные пары,
т. е. если валентный электрон из своей зоны переходит в зону проводимости, образуя в валентной зоне дырку, способную в ней перемещаться, а в зоне проводимости перемещается сам электрон, то на этот процесс затрачивается энергия, при этом генерируется (возникает) электронно-дырочная пара. Если же электрон из зоны проводимости переходит на нижнюю валентную зону и заполняет там дырку, этот процесс идет с выделением энергии и называют его рекомбинацией электронно-дырочной пары (исчезновение носителя заряда – электрона и исчезновение носителя заряда – дырки).

Полупроводниковый термоэлемент представляет собой два разнотипных полупроводника, концы которых с одной стороны соединены проводящей пластиной (например, Сu), а вторые концы разомкнуты и к ним можно присоединять измерительный прибор (например, гальванометр) или источник постоянного напряжения (рис. 3.5.).

Если к р-столбику полупроводника приложите минус (–) источника питания, а к n-столбику плюс (+), то положительные носители заряда будут двигаться вниз к минусу; отрицательные заряды – к плюсу, тоже вниз. При этом возникает эффект Пельтье, т. е. один из спаев (верхний) будет охлаждаться, а второй спай (нижний) нагреваться.

Рис. 3.5. Эффект Пельтье (а) и Зеебека (б)

Действительно, это будет иметь место и вот почему: через элемент будет протекать ток; носители заряда, которые идут вниз, в нижнем спае встречаясь, будут рекомбинировать, исчезать как носители заряда. Но ток протекает через элемент непрерывно, значит в верхнем спае должно возникать (генерироваться) столько же пар, сколько их рекомбинировало в нижнем спае. При генерации идет затрата энергии – значит, верхний спай будет охлаждаться; при рекомбинации идет выделение энергии – значит, нижний спай будет нагреваться. Нагрев одного спая и охлаждение другого можно подсчитать по формуле Пельтье:

Q _П = П∙ I ∙τ, (3.10)

где Q _П – теплота Пельтье, которая на одном спае выделяется (нагрев), а на другом поглощается (охлаждение), Дж;

I – протекающий ток, А;

τ – время протекания тока, с.

В материале, по которому протекает ток, выделяется теплота Джоуля-Ленца, причем независимо от того или другого спая. Она определяется формулой

Q _Д-Л = 0,24∙ I ² ∙ R ∙τ, (3.11)

где Q _Д-Л – теплота Джоуля-Ленца, Дж; R – сопротивление материала, Ом.

Как видим и Q_П и Q_Д-Л зависят от величины протекающего тока.

Эффект Зеебека показан на рис. 3.5,б. Если один из спаев термоэлемента, например верхний (1), нагреть, а спай (2) охладить, то на разорванном нижнем спае появится постоянная разность потенциалов. Это произойдет в результате того, что носители заряда при наличии градиента температуры спаев будут двигаться направленно (от нагретого спая к холодному). На нижних концах столбиков термоэлемента скопятся носители заряда: на р-дырки (положительные), на n-электроны (отрицательные). Скопление противоположных носителей заряда создает электрическое поле.

Напряжение на таком термоэлементе определяется формулой
Зеебека

U = A ∙(Т_нагр. – Т_охл.), (3.12)

где U – напряжение;

А – коэффициент термо-ЭДС для данных пар полупроводниковых столбиков;

Т_нагр_. – температура нагретого спая;

Т_охл. – температура охлаждаемого спая.

В термоэлектрических явлениях взаимодействуют электрические и тепловые поля. К материалам для изготовления, например столбиков термоэлементов, предъявляются требования – иметь высокую электропроводность, т. к. эффекты зависят от величины тока, протекающего в них, но в то же время материал не должен обладать высокой теплопроводностью, чтобы тепло от нагретого спая не ухудшало эффекта охлаждения другого спая. Эти требования противоречивые, но им удовлетворяют сложные соединения типа Bi₂Te₃∙Sb₂Se₃ и подобные им.

Вопросы для самоконтроля

1. Каков характер изменения электропроводности полупроводников с увеличением температуры?

2. Нарисуйте энергетическую диаграмму полупроводника с акцепторной примесью.

3. Что происходит на спае двух разнородных полупроводников термоэлемента, если на этом спае идет рекомбинация?

4. Нарисуйте вольтамперную характеристику терморезистора.

5. Как ведет себя теплота Пельтье и теплота Джоуля-Ленца на охлаждаемом спае термоэлемента от изменения тока?

Вопросы для самоконтроля

1. В каких приборах и для каких целей используется р-n переход?

2. Как направлено диффузионное поле на границе р и n областей р-n перехода?

3. Нарисуйте вольтамперную характеристику р-n перехода.

Фоторезистивный эффект

Если энергия фотона W_Ф, попадающего на поверхность полупроводника, больше энергии примеси W_Ф W_пр – возникает примесная фотопроводимость; если W_Ф больше ширины запрещенной зоны полупроводника W_Ф > W_g – возникает собственная фотопроводимость; если полупроводник не подвергается облучению – он обладает темновой электропроводимостью – γ_т.

Каждый фотон, воздействующий на полупроводник, при условии
W_Ф W_g, способен перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости и создать пару носителей – электрон и дырку.

Когда электронно-дырочных пар становится много, увеличивается вероятность их рекомбинации, т. е. возвращение электрона на свое место в валентную зону. Поэтому при увеличении интенсивности светового потока F_Ф рост фотопроводимости будет замедляться, как показано
на рис. 3.8 На рис. 3.9 приведены спектральные характеристики фотосопротивлений – зависимость чувствительности полупроводника – в процентах, от длины волны – λ падающего на него лучистого потока. Видим, что максимальная чувствительность наблюдается в сравнительно узком диапазоне длин волн излучения, например для ФС1 и для ФС2.

Рис. 3.8. Интегральная характеристика фотосопротивления

Рис. 3.9. Сравнительные характеристики фотосопротивления

Объяснить сравнительную характеристику можно следующим образом:

а) при больших длинах волн энергии фотона недостаточно для перевода электрона в зону проводимости – чувствительность мала;

б) по мере уменьшения λ энергия фотона растет и увеличивается чувствительность;

в) когда частота излучения совпадает с собственной частотой материала полупроводника, наступает явление резонанса, чувствительность довольно интенсивно возрастает;

г) с дальнейшим ростом частоты излучения чувствительность начинает падать, так как увеличивается коэффициент поглощения k излучения в поверхностном слое; увеличивается рекомбинация на поверхности и чувствительность становится низкой (рис. 3.9).

Каждый материал имеет свой спектр поглощения и свой спектр излучения, а также свою собственную частоту колебаний. Для каждого вещества известны эти частотные спектры, они сведены в таблицы – полосы. По спектральной характеристике можно определить исследуемый материал, а по всплескам (пикам) на основной спектральной характеристике можно определить, какие примеси содержит данное вещество в своем составе (спектральный анализ).

На описанных фотосвойствах полупроводниковых материалов основана работа полупроводниковых фоторезисторов, фотоэлементов и др. приборов. Чувствительность их может лежать в ультрафиолетовой области спектра (частота до 3,5∙10¹⁴ с^-1), видимой части (частота от 4∙10¹⁴ до 8∙10¹¹ с^-1), инфракрасной части ( от 8∙10¹¹ с^-1).

Фотоэлектрический эффект

Фотоэлектрический эффект наблюдается в фотоэлементах, которые служат для преобразования световой (лучистой) энергии в электрическую (в солнечных батареях, вентильных элементах).

В основе устройства ФЭ лежит р-n переход (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Устройство ФЭ

Когда лучистый поток падает на прозрачную для него верхнюю часть фотоэлемента, и если энергия фотонов W_Ф W_g полупроводника, то в верхней части будут образовываться электроны и дырки. Они диффундируют вглубь полупроводника, подходят к р-n переходу и здесь происходит их разделение. Неосновные носители заряда (для верхней области) втягиваются в нижнюю часть полупроводника, свободно проходя через потенциальный барьер, а основные носители заряда не проходят и скапливаются в верхней части. Таким образом, вверху скапливается один тип носителей, внизу – противоположный тип. Любое скопление противоположных носителей заряда создает электрическое поле. Это и будет фотоэлектродвижущая сила, которая используется как источник электрической энергии.

На этом принципе работают солнечные батареи, вентильные элементы – возобновляемые источники энергии.

Для изготовления фоторезисторов используются различные полупроводниковые соединения, типа PbS, CdS и др.

Для изготовления фотоэлементов, преобразующих солнечную энергию в электрическую, обычно используются полупроводники, имеющие ширину запрещенной зоны: 1 эВ < W_g < 3 эВ; это Si, Se, GaAs и др.

Вопросы для самоконтроля

1. Что собой представляет фотоэффект?

2. При каких значениях энергии фотона возникает фотопроводимость?

3. Поясните спектральную характеристику полупроводника.

4. Как можно преобразовать световую энергию в электрическую?

5. Поясните интегральную характеристику фоторезистора.

Полупроводниковые материалы

№ п/п	Наименование полупроводни- кового материала	Хими- ческий индекс	Ширина запрещ. зоны W_g, эВ	Концен- трация собственных носителей заряда n_i, м^-3	Подвижность носителей заряда U,		Темпе- ратура плавле-ния, °С	Удель- ное элект- рич. сопро- тивле- ние ρ, Ом∙м
					электронов U_n	дырок U_p
1	2	3	4	5	6	7	8	9

Неорганические

Кристаллические соединения

4 Карбид кремния SiC 2,8 10 0,1 0,005 2200 возгонка

5 Сурьмянистый индий InSb 0,18 10²² 7,8 0,08 525

6 Арсенид галлия GaAs 1,4 10¹² 0,85 0,04 1240

7 Фосфид галлия GaP 2,25 — 0,011 0,0075 1500

8 Арсенид индия InAs 0,36 — 4 0,06 940

570

9 Теллурид висмута Bi₂Te₃ 0,16 — 0,057 0,04

10 Сульфид свинца PbS 0,4 — 0,04 — 1114

Стеклообразные

11 Халькогениды

As₂Te₂Se, As₂Se₃∙Al₂Se₃

1,7∙10²¹ 0,015 —

—

10⁸ 10¹⁰

Органические

12 Антрацен — 1,6 — — —

—

10¹² 13 Нафталин — 1,4 — — —

—

10¹⁴

Окончание табл. 3.1

1	2	3	4	5	6	7	8	9
14	Красители и пигменты Фталоцианин меди	—	1,7	—	—	—	—	10¹¹
15	Молекулярные комплексы Иод-пирен	—	0,14	—	—	—	—	1,3
16	Полимеры Полиакрилонитрил	—	0,75	—	—	—	—	140

Магнитные материалы

Все вещества в природе взаимодействуют с внешним магнитным полем, но каждое вещество по-разному.

Магнитные свойства веществ зависят от магнитных свойств элементарных частиц, структуры атомов и молекул, а также их групп, но основное определяющее влияние оказывают электроны, их магнитные моменты.

Все вещества, по отношению к магнитному полю, поведению в нем, разделяются на следующие группы:

Диамагнетики – материалы, не имеющие постоянного магнитного дипольного момента, обладающие относительной магнитной проницаемостью чуть меньше единицы (μ≤1). Относительная диэлектри-ческая проницаемость μ диамагнетиков почти не зависит от величины магнитного поля (Н) и не зависит от температуры. К ним относятся: инертные газы (Nе, Аr, Кr, Хе), водород (H₂); медь (Сu), цинк (Zn), серебро (Аg), золото (Au), сурьма (Sb) и др.

Парамагнетики – материалы, имеющие постоянные дипольные моменты, но расположены они беспорядочно, поэтому взаимодействие между ними очень слабое. Относительная магнитная проницаемость парамагнетиков чуть больше единицы (μ≥1), слабо зависит от напряженности магнитного поля и температуры.

К парамагнетикам относятся следующие материалы: кислород (О₂), алюминий (Al), платина (Рt), щелочные металлы, соли железа, никеля, кобальта и др.

Ферромагнетики – материалы, имеющие постоянные магнитные дипольные моменты, доменную структуру. В каждом домене они параллельны друг другу и одинаково направлены, поэтому взаимодействие между ними очень сильное. Относительная магнитная проницаемость ферромагнетиков велика (μ >> 1), у некоторых сплавов доходит до
1 500 000, зависит от напряженности магнитного поля и температуры.

К ним относятся: железо (Fe), никель (Ni), кобальт (Со), многие сплавы, редкоземельные элементы: самарий (Sm), гадолиний (Gd) и др.

Антиферромагнетики – материалы, имеющие постоянные дипольные магнитные моменты, которые расположены антипараллельно друг другу. Относительная магнитная проницаемость их чуть больше единицы (μ ≥ 1), очень слабо зависит от напряженности магнитного поля и температуры. К ним относятся: окиси кобальта (CoO), марганца (MnO), фтористый никель (NiF₂) и др.

Ферримагнетики – материалы, обладающие антипараллельными постоянными дипольными магнитными моментами, которые не полностью компенсируют друг друга. Чем меньше такая компенсация, тем выше их ферромагнитные свойства. Относительная магнитная проницаемость ферримагнетиков может быть близка к единице (при почти полной компенсации моментов), а может доходить до десятков тысяч (при малой компенсации).

К ферримагнетикам относятся ферриты, их можно назвать оксиферрами, так как они представляют собой, окислы двухвалентных металлов с Fe₂O₃. Общая формула феррита [MeO Fe₂O₃], где Ме – двухвалентный металл.

Магнитная проницаемость ферритов зависит от температуры и напряженности магнитного поля, но в меньшей степени, чем у ферромагнетиков.

Ферриты представляют собой керамические ферромагнитные материалы с малой электропроводностью, вследствие чего могут быть отнесены к электронным полупроводникам с высокой магнитной (μ ≈ 10⁴) и высокой диэлектрической (ε ≈ 10³) проницаемостями.

Диа-, пара- и антиферромагнетики можно объединить в группу слабомагнитных веществ, а ферро- и ферримагнетики – в группу сильномагнитных веществ.

Для технического применения в области радиоэлектроники наибольший интерес представляют сильномагнитные вещества (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Структурная схема магнитных материалов

Природа ферромагнетизма

Магнитные свойства материалов определяются внутренними скрытыми формами движения электрических зарядов, представляющими собой элементарные круговые токи. Круговой ток характеризуется магнитным моментом и может быть заменен эквивалентным магнитным диполем. Магнитные диполи образуются, в основном, спиновым вращением электронов, орбитальное же вращение электронов принимает в этом процессе слабое участие, так же как и ядерное вращение.

У большинства материалов спиновые моменты электронов компенсируют друг друга. Поэтому ферромагнетизм наблюдается далеко не у всех веществ таблицы Менделеева.

Условия, которые необходимы, чтобы материал был ферромагнитным:

1. Существование элементарных круговых токов в атомах.

2. Наличие нескомпенсированных спиновых моментов, электронов.

3. Соотношение между диаметром электронной орбиты (D), имеющей нескомпенсированный спиновый момент, и постоянной кристаллической решетки вещества (а) должно быть

. (4.1)

4. Наличие доменной структуры, т. е. таких кристаллических областей, в которых дипольные магнитные моменты оказываются параллельно ориентированы.

5. Температура материала (вещества) должна быть ниже точки Кюри, так как при более высокой температуре происходит исчезновение доменной структуры, материал переходит из ферромагнитного состояния в парамагнитное.

Вопросы для самоконтроля

1. За счет чего в материалах существуют круговые токи?

2. Что собой представляет доменная структура материала?

3. Перечислите условия, необходимые для проявления в материале ферромагнетизма?

Вопросы для самоконтроля

1. Чему равен суммарный магнитный поток у намагниченного ферромагнетика?

2. Как можно определить интенсивность намагничивания ферромагнетика, зная его относительную магнитную проницаемость?

3. Какую информацию о параметрах магнитного материала можно получить, имея его предельную гистерезисную петлю?

4. Как ведет себя магнитная проницаемость материала при изменении внешнего магнитного поля?

5. Что собой представляет основная кривая намагничивания?

Вопросы для самоконтроля

1. На что тратится энергия в ферромагнитных материалах при их работе в переменном магнитном поле?

2. Какие виды потерь в ферромагнетиках Вы знаете?

3. Каким образом можно уменьшить потери на вихревые токи при данных условиях работы ферромагнетика?

4. Как определить напряженность магнитного поля по диаграмме W = (В и Н), чтобы получить максимальную энергию в зазоре магнита?

Магнитно-мягкие

Электро-техническая сталь Si до 2,8 % — 50000 0,4 1,5 16 0,4 Пермаллой низко-никелевый 50 НХС 1500 15000 — 1 20 0,9 Пермаллой высоко-никелевый 76 НХД 35000 220000 — 0,65 1 0,55 Супермаллой — 100000 1500000 — 0,8 0,3 0,6 Альсифер Al, Ni, Fe 35000 120000 — 1,5 1,8 0,8

Ферриты

Феррит никель-цинковый 2000 НМ 2000 7000 — — 12 10^-7 Феррит марганеццинковый 6000 НМ 6000 10000 — — 12 10⁵

Магнитно-твердые

Альни Ю НД8 — — 0,55 — 44000 — 5000 Альнико ЮНДR 3515 — — 0,8 — 87000 — 14000 Феррит бариевый 1 БИП — — 0,19 — 120000 — 2800 Феррит бариевый 2,4 БА — — 0,33 — 224000 — 9600 Магнико — — 1,3 — 60000 — 24000

Магнитодиэлектрики

На основе карбонильного железа

16 73 0,2 0,8 7 — —

Диэлектрические материалы

Диэлектрические материалы – это материалы, используемые для изоляции токоведущих частей друг от друга, для создания емкостей (конденсаторов) – накопителей заряда, изоляторов для других целей. Это самая обширная группа радиоматериалов. Они могут быть: газообразными – воздух или другие газы; жидкими – всевозможные масла, клеи, лаки; твердыми – керамика, пластмасса, стекло, смола и др. Имея широкую запрещенную зону, W_g 3 эВ, они относятся к неметаллам; обладают большим удельным электрическим сопротивлением
(10³…10¹⁶ Ом·м).

По химическому составу диэлектрики разделяют:

на органические – смолы, пластмассы, слоистые пластики, воскообразные, лаки, ткани, фторпласты, эластомеры и др.;

неорганические – керамика, стекла, слюды, сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, фториды, оксиды и др.;

элементоорганические – смолы, пластмассы, эластомеры, масла, клеи и др.

Основные электрические процессы и явления, происходящие в диэлектриках, помещенных в электромагнитное поле, показаны на структурной схеме (рис. 5.1). Там же приводятся типы и виды этих процессов, характеризуемые основными параметрами.

В электрическом поле в диэлектрике происходят следующие основные процессы:

1) поляризация, характеризуемая относительной диэлектрической проницаемостью ε;

2) электропроводность γ (объемная γ_v и поверхностная γ_s), характеризуемая удельным электрическим сопротивлением (объемная γ_v и поверхностная γ_s)

; ; (5.1)

3) диэлектрические потери, характеризуемые тангенсом угла диэлектрических потерь – tg δ;

4) пробой в электрическом поле, характеризуемый пробивной напряженностью Е_пр.

Рис. 5.1. Структурная схема диэлектриков

Поляризация диэлектриков

Поляризацией диэлектриков называется упорядоченное смещение связанных противоположных зарядов, находящихся в диэлектриках, происходящее под воздействием внешнего электрического поля. В результате этого на противоположных поверхностях диэлектрика, перпендикулярных силовым линиям поля, возникает заряд.

Поляризация характеризуется величиной поляризованности диэлектрика P_D, которая является пределом отношения суммы электрических моментов всех связанных противоположных зарядов m_i, отнесенных к объему диэлектрика V, когда он стремится к нулю:

. (5.2)

С поляризованностью связана относительная диэлектрическая проница-емость ε, которая показывает, во сколько раз емкость конденсатора с диэлектриком C_D больше емкости такого же конденсатора, если между ними его обкладками находится вакуум, С₀:

(5.3)

Из этого следует, что для вакуума ε = 1, а для любого другого диэлектрика ε > 1. Связь между ε, P_D и напряженностью приложенного электрического поля Е определяется формулой

(5.4)

Связь между величиной заряда на поверхности диэлектрика Q, его параметрами и приложенным электрическим полем U

(5.5)

где ε₀ = 8,85·10^-12 , Ф/м – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (диэлектрическая постоянная вакуума).

Емкость диэлектрика (5.6)

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;

S – площадь меньшего электрода, приложенного к диэлектрику, м²;

d – толщина диэлектрика, м;

Таким образом заряд на диэлектрике (или конденсаторе) зависит от его емкости и приложенного к нему напряжения, Кл:

(5.7)

Абсолютная диэлектрическая проницаемость диэлектрика равна относительной, умноженной на диэлектрическую постоянную ε₀
вакуума

(5.8)

Виды поляризации

Так как в любом материале, а значит, и в диэлектрике, имеется большое количество различных связанных между собой противоположных зарядов (электронов, протонов, ионов, диполей и т. п.), то существует много видов поляризации: дипольно-релаксационная, ионно-релаксационная, спонтанная, электронная, высоковольтная, резонансная и др.

Для сокращения сгруппируем все эти виды в три основных типа поляризаций:

А) электронный (безынерционный);

Б) дипольно-релаксационный (инерционный);

В) спонтанный (самопроизвольный).

А. Электронный тип поляризации происходит мгновенно (τ ≈ 10^-13… 10^-15с), упруго, без потерь и линейно. Если рассматривать поведение
Q от величины U за один цикл измерения переменного поля (рис. 5.2), для атома водорода (рис. 5.3,а), то это будет прямая, проходящая через начало координат (рис. 5.3,б).

а б

Рис. 5.2 Рис. 5.3

Б. Дипольно-релаксационный тип поляризации связан с разворотом (смещением) диполей (молекул, ионов) (рис. 5.4,а), и характерен для полярных диэлектриков. При этом поляризация происходит не мгновенно, с потерями, не упруго, но линейно. Зависимость Q = f(U) представляет собой эллипс (рис. 5. 4,б).

а б

Рис. 5.4.

а) б)

Рис. 5.5

В. Спонтанный или самопроизвольный тип поляризации характерен для диэлектриков, имеющих доменную структуру, например, сегнетоэлектрики и нелинейно, т. е. имеет место явление насыщения, когда все моменты доменов развернутся по полю (рис. 5.5, а).

Зависимость заряда на поверхности сегнетоэлектрика от приложенного напряжения представляет собой петлю гистерезиса,
(рис. 5. 5,б).

Все материалы, имеющие доменную структуру, обладают высокой проницаемостью в поле, нелинейностью, т. е. ε = f(U), петлей гистерезиса и имеет точку Кюри – температуру, выше которой начинается перекристаллизация и исчезновение доменной структуры.

Обычно реальные диэлектрики обладают несколькими видами поляризации, но преобладающим является какой-то один из трех вышеперечисленных типов.

Нейтральным диэлектриком свойственен электронный тип поляризации. При этом диэлектрическая проницаемость их мала, например: у фторопласта ε = 2,5, у парафина ε = 2,2.

Полярным ионным диэлектрикам свойственен дипольно-релаксационный тип поляризации, относительная диэлектрическая проницаемость их больше, чем у нейтральных, например: у гетинакса ε = 6…8, у полихлорвинила ε = 5…7, у слюды ε = 6…7.

Сегнетоэлектрикам свойственен спонтанный тип поляризации, их относительная диэлектрическая проницаемость велика: сегнетова соль имеет ε = 3000…6000, титанат бария ε = 1700…3500.

5.1.2. Влияние различных факторов на поляризуемость
диэлектрика

Поляризуемость диэлектрика изменяется от многих факторов: температуры, частоты поля и др. Зависимости ε от температуры и частоты поля для полярных диэлектриков показаны на рис. 5.6 и 5.7.

Рис. 5.6 Рис. 5.7

Когда на участке 1 (рис. 5.6) повышается температура, происходит ослабление сил связи между молекулами (ионами) и поляризуемость увеличивается. На участке 2, при уже значительном тепловом движении, поляризуемость уменьшается, т. к. хаотическое движение мешает направленному, вызываемому полем.

На рис. 5.7 показано поведение диэлектрической проницаемости в зависимости от изменения частоты поля. На участке 1 диполи (молекулы, ионы) успевают следовать за полем (переполяризовываться) и ε не меняется. На участке 2, после граничной частоты, ε уменьшается за счет того, что диполи не успевают следовать за полем, их поляризация не мгновенная.

Явление поляризации в диэлектриках – процесс объемный, т. е. смещение связанных противоположных зарядов происходит во всем объеме материала. Однако внешне это явление проявляется в виде накапливания заряда на поверхности диэлектрика. Так как диэлектрики обладают большим диэлектрическим сопротивлением по сравнению, например, с проводниками, то в них может накапливаться электрическая энергия, создаваться значительное электрическое поле.

Это свойство диэлектриков используется в электрических конденсаторах и других устройствах, например, в электретах.

Электретный эффект

Если, например, полярный диэлектрик поместить в электрическое постоянное поле и одновременно нагреть, то диполи максимально развернутся вдоль силовых линий поля. Если затем в поле охладить диэлектрик до комнатной температуры, то на его поверхности после снятия поля может довольно длительно сохраняться электрический заряд
(рис. 5.8).

Рис. 5.8

Такой диэлектрик называется электретом, он может служить источником статического электричества.

Вопросы для самопроверки

1. На какие группы делятся все материалы по отношению к электрическому полю?

2. Приведите основные особенности поведения каждой группы материалов в электрическом поле.

3. Какими основными параметрами характеризуются диэлектрики?

4. Что собой представляет явление поляризации в электрическом поле?

5. Какими параметрами характеризуется поляризация?

6. Какие Вы знаете виды поляризации и в каких диэлектриках они проявляются?

7. Приведите особенности каждого из трех типов поляризации.

8. В каких элементах, устройствах проявляется и используется явление поляризации?

9. В чем заключается электретный эффект в диэлектриках?

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое электропроводность материала?

2. Какие необходимы условия, чтобы в диэлектрике возник ток?

3. Приведите основные формулы для удельного объёмного и поверхностного сопротивлений.

4. От каких факторов зависит электропроводность диэлектриков?

5. Какие виды носителей заряда и какие виды электропроводности диэлектриков Вы знаете?

6. Каким образом зависит электропроводность от температуры диэлектрика?

7. Как ведет себя электропроводность в слабых и сильных электрических полях?

8. Как ведет себя поверхностная электропроводность гидрофобных и гидрофильных диэлектриков от процентного содержания в них влаги?

5.3. Диэлектрические потери

Диэлектрическими потерями называется активная мощность Р_а, рассеиваемая в диэлектрике при приложении к нему электрического напряжения и вызывающая его нагрев,

постоянном электрическом поле; (5.17)

переменном электрическом поле, (5.18)

где Р_а – активная мощность – диэлектрические потери, Вт;

U – приложенное напряжение, В;

I – протекающий ток, А;

φ – угол сдвига фаз между током и напряжением.

Виды диэлектрических потерь

Различают следующие виды потерь:

1) потери на замедленные виды поляризации;

2) потери на сквозную электропроводность (токи утечки):

3) потери на ионизацию (в газообразных или твердых пористых диэлектриках);

4) потери на структурную неоднородность (в неоднородных диэлектриках).

5.3.2. Схемы замещения диэлектриков и векторные
диаграммы к ним

Идеальный диэлектрик, который совсем не проводит ток, может быть представлен в постоянном поле как разрыв в электрической цепи, а в переменном — как чистая емкость. Схема замещения такого диэлектрика представлена на рис. 5.15; рядом векторная диаграмма тока и напряжения для неё; вектор тока на емкости опережает вектор напряжения на 90° (опережение — против часовой стрелки)

Рис. 5.15

В таком идеальном диэлектрике диэлектрические потери отсутствуют. Однако реальный диэлектрик всегда имеет токи утечки, которые можно представить активным сопротивлением R. Схема замещения такого диэлектрика представлена на рис. 5.16. Рядом векторная диаграмма U и I; вектор тока на активном сопротивлении совпадает с вектором напряжения, а полный ток I является суммой векторов I_c и I_a.

Рис. 5.16

Угол δ дополняет угол сдвига фаз между током и напряжением (φ) до 90° и называется углом диэлектрических потерь. Как видим, чем меньше сопротивление диэлектрика, тем будет больше ток I, и тем больше будет угол δ — угол диэлектрических потерь. Для характеристики потерь пользуются tg угла потерь, чтобы избавиться от размерности угла (градус, минут).

Из векторной диаграммы тока и напряжения определяем:

(5.19)

где ω – круговая частота поля, , где f – линейная частота;

С – емкость диэлектрика,

(5.20)

R – его активное сопротивление.

Подставив значение тока (I) через tgδ в формулу диэлектрических потерь, получим выражение для Р_а:

Вт. (5.21)

Мощность (Р_а) характеризует диэлектрические потери при определенном напряжении, частоте и габаритах изделия. В справочнике приводится tgδ, который характеризует потери в материале, независимо от других факторов (кроме частоты электрического поля).

5.3.3. Зависимость tgδ и Р_а от внешних факторов

Зависимость диэлектрических потерь от различных факторов отражает зависимости величин, входящих в формулу потерь, от этих факторов. Например, С зависит от ε, а ε от температуры и частоты. То же самое можно сказать и о электропроводности, ионизации и др.

Посмотрим поведение полярного диэлектрика при изменении температуры. Рассмотрим величины ε, γ, tgδ и Р_а в функции Т (рис. 5.17). На рис. 5.18 показана зависимость этих же параметров от частоты переменного поля.

Рис. 5.17 Рис. 5.18

Особенности поведения каждого компонента сказываются на поведении tgδ и Р_а.

Если диэлектрик неоднородный, в нем проявляются особенности каждого входящего в него компонента. В качестве примера рассмотрим поведение tgδ от Т для картона (это полярный диэлектрик на основе целлюлозы), пропитанного полярной жидкостью (маслом).

У целлюлозы максимальные потери наблюдаются при отрицательных температурах, а у масла при положительных. Это отражается на зависимости tgδ от Т (рис. 5.19).

Рис. 5.19

Величина tgδ приводится в справочных таблицах и характеризует потери в материале. Для полярных диэлектриков значения tgδ лежат в диапазоне десятых или сотых долей единиц, для нейтральных меньше, – тысячных или десятитысячных долей единиц.

Для газов, например воздуха, при напряжениях ниже ионизации, потери малы tgδ ~ 10^-7, но как только напряжение превысит ионизационный потенциал, потери быстро растут.

Примеры tgδ для конкретных изоляционных материалов и их использование; полиуретан (полярный) tgδ = 0,02 – изоляционные платы, каркасы катушек, панели; винипласт (полярный) – tgδ = 0,01 – изоляционные пленки; полистирол (нейтральный) – tgδ = 0,0001 – материал для конденсаторов и изоляции; фторопласт-4 (нейтральный) – tgδ = 0,0002 – изоляционные платы; керамика KM-1 – tgδ = 0,002 – платы для микросхем.

Вопросы для самоконтроля

1. Что собой представляют диэлектрические потери?

2. Какие виды потерь вы знаете?

3. Каким параметром представлены потери для диэлектриков в справочных таблицах?

4. Какой электрической схемой замещения можно изобразить реальный диэлектрик?

5. Чтo такое угол диэлектрических потерь?

6. Как выглядит векторная диаграмма тока и напряжения для реального диэлектрика?

7. Как выглядит зависимость tgδ и Р_а для полярного диэлектрика в широком диапазоне температур?

8. Напишите формулу для мощности (P_а) потерь в диэлектрике с учетом приложенного напряжения, размеров диэлектрика и особенностей материала.

9. Сопоставьте значения tgδ для полярных и нейтральных диэлектриков (на конкретных примерах).

Пробой диэлектриков

Диэлектрик в электрическом поле теряет свои свойства электроляционного материала, если напряженность поля, превысит некоторое критическое значение. Это явление называется пробоем диэлектрика или нарушением его электрической прочности. Минимальное напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением U_пр, а соответствующее ему значение напряженности поля Е_пр – электрической прочностью диэлектрика,

(5.22)

где d – толщина диэлектрика, м.

Электрическая прочность Е_пр является одним из важнейших параметров электроизоляционного материала. На её значение влияет множество факторов: однородность поля, вид напряжения, время нахождения диэлектрика под напряжением, частота поля, температура, влажность диэлектрика, его чистота, нагревостойкость и др. Явления, имеющие место в диэлектрике при и после пробоя, определяются видом материала. Так в газах, в месте пробоя, образуется канал газоразрядной плазмы, в жидкостях происходит вскипание и газовыделение, сопутствующие образованию проводящего канала, а в твердых диэлектриках в месте пробоя остаётся прожженное или проплавленное отверстие, нередко покрытое изнутри проводящими продуктами разложения.

Виды пробоя

Для газообразных, жидких и твердых диэлектриков различают несколько видов пробоя.

1. Ионизационный, связанный с ударной и фотоионизацией. Он характерен для газообразных и очень чистых жидких диэлектриков. Развивается мгновенно (10^-7…10^-8 с). После снятия напряжения прочность таких диэлектриков восстанавливается.

2. Чисто электрический – за счет возникающей лавины электронов. Он характерен для беспримесных твердых однородных и неоднородных материалов с малыми диэлектрическими потерями. Развивается мгновенно (10^-6…10^-7 с), когда скорость электронов v 100 км/с.

3. Электрохимический пробой связан с возникновением химических процессов в диэлектрике (жидком или твердом) под действием электрического поля – химическое разложение, электролиз и т. п. Развивается медленно (минуты, часы, дни и более).

4. Электротепловой пробой наблюдается в твердых (или жидких) диэлектриках. Обусловлен нарушением теплового равновесия вследствие больших диэлектрических потерь и недостаточности теплоотдачи.

5. Поверхностный пробой. Это пробой в газообразном или жидком диэлектрике, прилегающем к поверхности, твердой изоляции. Он связан с появлением короны, искры, проводящего канала по поверхности.

Рассмотрим немного подробнее наиболее часто встречающиеся виды пробоя.

Ионизационный пробой

Ионизационный пробой связан с ударной и фотоионизацией. Рассмотрим его на примере газообразного диэлектрика. Заряженная частица газа, например электрон, в электрическом поле получает направленное ускоренное движение. При этом она приобретает энергию W_част, зависящую от заряда частицы (q), средней длины её свободного пробега (λ_ср) и напряженности поля (Е)

(5.23)

Если энергия частицы станет равной или больше энергии ионизации данного газа W_ион, то начнется ударная ионизация, приводящая через 10^-6... 10^-7 с. к пробою газа.

Если то можно записать

(5.24)

Энергия ионизации газа при данных условиях (температуре, давлении) величина постоянная. Тогда можно записать, что

(5.25)

Отсюда следует, что если уменьшить λ_ср, то возрастет Е_пр, а если увеличить λ_ср, то Е_пр уменьшится.

Рассмотрим, как происходит ударная ионизация газа. Схема развития этого пробоя в газе приведена на рис. 5.20. Заряженная частица, энергия которой стала равной энергии ионизации газа, при соударении с нейтральным атомом (молекулой) способна его ионизировать, т. е. выбить у него один или два валентных электрона, а сам атом превратить в положительно заряженный ион. Освободившиеся электроны, ускоряясь в поле, создают новые заряженные частицы (рис. 5.20,а) и т.д.

Рис. 5. 20

Возникает лавина, состоящая из отрицательно и положительно заряженных частиц, которые и образуют проводящий канал (рис 5.20,б). В ряде случаев электрон, разогнанный полем, может не ионизировать атом (или молекулу), а перевести его в возбужденное состояние. В следующий момент после удара возбужденный атом отдает свою избыточную энергию в виде излучения – испускает фотон. Фотон, опережая основную лавину (его скорость равна скорости света 10⁸ м/с), может ионизировать другой атом. Такая внутренняя фотоионизация газа приводит к образованию стримеров – частично проводящих каналов, опережающих основную лавину, что приводит к особенно быстрому развитию пробоя (τ ≤ 10^-8 с).

Электрическая прочность газов сильно зависит от однородности поля (рис. 5.21). В однородном поле, образующемся, например, между двумя шарами «шар–шар» прочность выше, чем в неоднородном поле, образующемся между шаром и иглой «шар – игла».

Рис. 5 21

Электрическая прочность газообразных диэлектриков зависит от давления (рис. 5.22). При давлениях (Р) выше нормального увеличение Е_прсвязано с уменьшениям длины свободного пробега электронов λ_ср , а при малых (Р) ниже нормального – уменьшается Е_пр в связи с увеличе-
нием λ_ср.

При давлении меньше 0,5 атм. Е_пр начинает увеличиваться, так как количество частиц газа в объеме уменьшается и затруднено формирование канала проводимости. Пробой при высоком разряжении газа происходит за счет электронов, вырываемых из металла электродов.

Внешней изоляцией во многих электротехнических устройствах – в трансформаторах, конденсаторах, линиях электропередач – является воздух.

Рис. 5.22

Его электрическая прочность невелика по сравнению с жидкими и твердыми диэлектриками – 3,2 МВ/м. Шестифтористая сера – SF₆ (элегаз) – с большей массой молекулы, чем воздух, имеет прочность ~ 8 МВ/м. Если же в воздух добавить пары хлора, то, реагируя с молекулами воздуха, Сl утяжеляет их и тем самым увеличивает прочность в 6 – 7 раз. Подобное явление наблюдается при введении фтора и других элементов.

Ионизационный пробой тщательно очищенных жидкостей имеет тот же механизм, что и у газов, но электрическая прочность их выше, чем
газов - 30 ... 80 МВ/м. Это объясняется тем, что требуется большая напряженность поля для ионизации молекул жидкости, т. к. ее заряженная частица обладает меньшей длиной свободного пробега в более плотной среде, какую имеет жидкость по сравнению с газом. При снятии напряжения после, такого вида пробоя свойства газов (жидкостей) восстанавливаются. Жидкие диэлектрики применяются в качестве изолирующей и охлаждающей среды, для пропитки твердых пористых материалов.

Электрохимический пробой

Электрохимический пробой наблюдается в жидких и твердых диэлектриках, в которых под действием электрического поля возникают электролитические процессы (разложение, электролиз и т. д.), обусловливающие постепенное необратимое уменьшение сопротивления изоляции. Такое явление называется старением диэлектрика, оно приводит к постепенному снижению электрической прочности материала. Наблюдается как в органических, так и неорганических диэлектриках.

Наиболее часто электрохимический пробой имеет место в органических пропитанных диэлектриках (пропитанный картон), а также в керамике, содержащей окислы металлов переменной валентности (например, ТiO₂), или щелочных окислов. Электрохимический пробой наблюдается в постоянных или низкочастотных переменных полях при повышенных температурах и высокой влажности. При электрохимическом пробое у твердых диэлектриков после снятия напряжения свойства не восстанавливаются. В высокочастотных электрических полях электрохими-ческий пробой не наблюдается (не успевает произойти).

ВВЕДЕНИЕ

Под структурой – кристаллическая, аморфная, жидкокристаллическая и доменная структуры.

Поведение материалов в электромагнитных полях характеризуется параметрами:

1) величиной запрещенной зоны;

2) удельным электрическим сопротивлением;

3) диэлектрической проницаемостью;

4) концентрацией носителей заряда;

5) магнитной проницаемостью и целым рядом других.

Ниже представлена структурная схема дисциплины.

Структурная схема дисциплины

В основу конспекта лекций положен материал, представленный в работах [1; 43].

Свойства материалов

Классификация материалов

Материалы, используемые в радиотехнике и электронике, подразделяют на конструкционные и радиотехнические.

Виды химических связей в материалах

При сближении атомов до расстояния нескольких долей нанометра (1нм = 10^{-9 м), между ними появляются силы взаимодействия. Если эти силы являются силами притяжения, то атомы могут соединяться с выделением энергии, образуя химические соединения. При этом электроны внутренних и внешних оболочек атомов ведут себя по-разному. Электроны внутренних, полностью заполненных оболочек прочно связаны с ядром и не участвуют в образовании химических связей. Строение внешней, не полностью заполненной электронами оболочки определяет химические свойства атомов в образовавшемся соединении.}

Электроны, находящиеся на внешних оболочках, являются валентными. Валентность атома определяется числом этих электронов. Все многообразие существующих в природе материалов характеризуется несколькими видами химической связи.

Ковалентная (гомеополярная) связь. При наличии такой связи объединение атомов в молекулу достигается за счет электронов, которые становятся общими для пар атомов (рис. 1.1). Плотность отрицательно заряженного электронного облака между положительно заряженными ионами получается наибольшей. Появление состояния с повышенной плотностью электронного заряда в межионном пространстве приводит к возникновению сил притяжения между атомами.

Рис. 1.1. Условное изображение ковалентной связи

Ковалентная связь характерна как для органических, так и для неорганических соединений. К неорганическим веществам с ковалентной связью относятся алмаз, кремний, германий, арсенид галлия (GaAs), карбид кремния (SiС) и другие, являющиеся полупроводниками. Многие полупроводники кристаллизируются в структуре алмаза, в которой каждый атом образует четыре связи со своими ближайшими соседями. Ковалентная связь в неорганических материалах характеризуется высокой прочностью. Подтверждением этому является высокая твердость и температура плавления алмаза, кремния и др.

Ионная (гетерополярная) связь наблюдается в химических соединениях атомов металла с металлоидными атомами (типа NaCl). Ионная связь возникает вследствие перехода валентных электронов от металлоидного атома к металлоидному и возникновения электростатического притяжения разноименно заряженных атомов друг другу. На рис. 1.2 схематически представлена трехмерная решетка гипотетического ионного кристалла, где атомы металла изображены в виде точек (положительно заряженные ионы-катионы), а атомы металлоида – в виде кружочков (отрицательные ионы-анионы). В решетке ионого кристалла чередуются ионы различного сорта. Способность атома захватывать электрон при образовании ионной химической связи называется электроотрицательностью. Чем больше разность электроотрицательностей атомов, участвующих в образовании химической связи, тем больше степень ионности соединения.

Металлическая связь существует в системах, построенных из положительных атомных островов, находящихся в среде свободных коллективизированных электронов (рис. 1.3). Притяжение между положительными ионами и электронами обусловливает существование металлов как химических соединений. Металлическую связь можно рассматривать до некоторой степени как ковалентную связь, поскольку в ее основе лежит обобществление внешних валентных электронов. Специфика металлической связи состоит в том, что обобществленные электроны свободно перемещаются внутри всей решетки, образуя «электронный газ». Поэтому металлическим материалам свойственны пластичность, высокая электро- и теплопроводность.

Рис. 1.2. Расположение ионов Рис. 1.3. Схематическое

в кристаллической решетке изображение возникновения

при наличии ионной связи металлической связи

Молекулярная связь (связь Ван-дер-Ваальса). Этот вид химичечкой связи наблюдается у ряда веществ (парафин, жидкие кристаллы) между молекулами с ковалентным характером внутримолекулярного взаимодействия. Вещества с молекулярной связью характеризуются сравнительно низкой температурой плавления и невысокой мехиничской прочностью.

Дата: 2019-03-05, просмотров: 251.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒