Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический университет

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Рекомендовано редакционно-издательским советом УГАТУ в качестве учебного пособия для студентов вечерней и заочной формы обучения

И.З. ШАРИПОВ

Уфа 2008

УДК 669: 661.3 (07)

ББК 34.2 (я7)

Ш25

Ш25 Шарипов И.З. Материаловедение.. Часть II: Учебное пособие/ Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т.- Уфа, 2008.- 94 с.

ISBN5-86911-503-5

В учебном пособии изложены основы строения и физики электрических явлений неметаллических материалов: диэлектриков и полупроводников, рассмотрены механические свойства различных конструкционных материалов, металлических и неметаллических. Пособие предназначено для студентов электротехнических специальностей вечерней и заочной формы обучения.

Табл. 15. Ил. 59. Библиогр. 20 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Уфимского государственного авиационного технического университета.

Рецензенты:

Д-р физ.-мат. наук,

ст. науч. сотр. ИПСМ РАН Пшеничнюк А.И.

Д-р. физ.-мат. наук,

проф. каф. общей физики БашГУ Балапанов М.Х.

ББК 34.2 (я7)

ISBN5-86911-503-5 © И.З. Шарипов, 2008

Уфимский государственный авиационный технический университет, 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

I. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

1.1 ДИЭЛЕКТРИКИ

1.1.1 Основные процессы в диэлектриках в электрическом поле

1.1.2 ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ

1.1.3 ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ

1.1.3.1 Электронная поляризация

1.1.3.2 Ионная поляризации

1.1.3.3 Дипольная поляризация

1.1.3.4 Спонтанная поляризация

1.1.3.5 Активные диэлектрики

1.1.4 ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

1.1.4.1 Зависимость тангенса угла потерь от температуры

1.1.4.2 Зависимость тангенса угла потерь от частоты

1.1.5 ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ

1.1.5.1 Электрический пробой

1.1.5.2 Электротепловой пробой

1.1.5.3 Электрохимический пробой

* Контрольные вопросы

1.2. ПОЛУПРОВОДНИКИ

1.2.1 Собственные полупроводники

1.2.2 Примесные полупроводники

1.2.3 Применение полупроводников

* Контрольные вопросы

II. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

2.1 Диаграмма растяжения

2.2 Твердость

2.3 Теоретическая и реальная прочности кристалла

* Контрольные вопросы

III. ВЛИЯНИЕ НАГРЕВА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

3.1 Процессы, происходящие при нагреве деформированного металла

3.2.1 Рекристаллизация

3.2 Холодная и горячая деформации

3.3 Термическая обработка металлов

3.4 Химико-термическая обработка металлов

3.3.1 Цементация

3.3.2 Азотирование

3.3.3 Нитроцементация

3.3.4 Цианирование

3.3.5 Борирование

3.3.6 Силицирование

3.3.7 Диффузионная металлизация

3.5 Поверхностная пластическая деформация

* Контрольные вопросы

IV. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

4.1 Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам

4.1.1 Критерии оценки конструкционной прочности материалов

4.2 СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ

4.2.1 СТАЛИ

* Контрольные вопросы

4.3 ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

4.3.1 Медные сплавы

4.3.2 Алюминиевые сплавы

4.3.3 Магний и его сплавы

4.3.4 Титан и его сплавы

* Контрольные вопросы

4.4 ОРГАНИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

4.4.1 Химический состав

4.4.2 Строение полимеров

4.4.3 Свойства полимеров

4.4.4 Полимеры с наполнителями

4.4.5 Эффективность применения полимеров

* Контрольные вопросы

4.5 НЕОРГАНИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

4.5.1 Графит

4.5.2 Стекло

4.5.3 Ситаллы

4.5.4 Керамика

* Контрольные вопросы

4.6 КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

4.6.1 Дисперсноупрочнённые композиционные материалы

4.6.2 Волокнистые композиционные материалы

* Контрольные вопросы

Список литературы

ВведЕние

Умение находить и использовать материалы является важнейшим условием развития человечества. Поэтому неслучайно разные периоды его развития носят названия по тому материалу, который освоил человек. Первоначально это были природные материалы: дерево и камень, из которых изготавливали орудия труда и оружие: палки, топоры, стрелы и пр.. Этот период получил название «каменный век». Его сменил «бронзовый век», когда люди научились вплавлять медь. Затем пришёл «железный век», когда повсеместно распространилось железо. Двадцатый век часто по праву называют «веком стали».

За многовековую историю своего развития человек научился создавать и использовать огромное количество различных материалов и веществ. Их к настоящему времени уже известно более 20 миллионов. Каждый материал обладает своими уникальными свойствами: тепловыми, механическими, электрическими, магнитными и др. Часто возможность создания того или иного технического устройства - самолета , подводной лодки, компьютера и др. -определяется свойствами имеющихся в распоряжении конструкторов материалов. Поэтому потребности науки, техники, производства в новых материалах всё более возрастают. Ориентироваться во всём этом многообразии невозможно без знания закономерностей формирования свойств материалов, их зависимости от химического состава, структуры, термической обработки и т.д. Изучение и выявление таких закономерностей является задачей обширной науки - материаловедения.

Данное учебное пособие является изложением курса материаловедения, предназначенного для студентов электротехнических специальностей, поэтому в первую очередь рассматриваются электрические свойства материалов. Первая часть курса, посвященная свойствам металлов и сплавов, изложена в книге [1]. В этом учебном пособии продолжено рассмотрение основных электрических свойств и процессов в неметаллических материалах: диэлектриках и полупроводниках. Во второй главе уделено внимание механическим свойствам материалов и способам их измерения. В третьей главе - процессам происходящим при нагреве металлов, их термической и химико-термической обработке. Четвёртая глава посвящена различным конструкционным материалам: металлическим - неметаллическим , органическим - неорганическим, композиционным.

Для закрепления усвоения материала в конце тематических разделов приведены контрольные вопросы.

I. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

К неметаллическим материалам относятся разнообразные по природе и строению материалы - органические и неорганические, полимерные и мономерные, кристаллические и аморфные. Например, графит, стекло, бумага, дерево, слюда, керамика, пластмассы, композиционные материалы, резины, клеи, герметики, лаки и т.д.

Их диэлектрические свойства, легкость, прочность, эластичность, химическая стойкость делают эти материалы необходимыми составляющими во всех электрических устройствах, машинах и летательных аппаратах.

С точки зрения электрических свойств, вещества делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Проводники - это вещества, в которых имеется большое количество свободных носителей заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этого материала. Например, электроны в металле, ионы в жидкости или газе. Из-за этого такие материалы имеют малое значение удельного электрического сопротивления. Так у металлов оно составляет величину ? = 10-8 10-6 Ом·м.

Диэлектрики - это вещества, в которых практически нет свободных носителей заряда, то есть, нет заряженных частиц, которые могли бы перемещаться внутри диэлектрика. Вследствие чего у таких материалов удельное электрическое сопротивление очень велико ? = 108 1018 Ом·м

Полупроводники имеют значение удельного электрического сопротивления промежуточное между проводниками и диэлектриками ? = 10-5 107 Ом·м. Их проводимость обусловлена перемещением некоторого количества подвижных носителей заряда (электронов, ионов и др.), возбужденных внешними энергетическими воздействиями (нагревом, облучением, наложением сильного электрического поля и т.д.).

Столь значительные различия в электрических свойствах материалов обусловлены различием в строении электронных энергетических зон (рис.1.). Нижние, заполненные электронами, разрешенные уровни энергии в кристалле называют валентной зоной. Верхние свободные энергетические уровни - зоной проводимости.

У диэлектриков зона проводимости отделена от валентной зоны зоной запрещенных значений энергии. Ширина запрещенной зоны у диэлектриков Eg > 3 э.в. (элекрон-вольт). Электроны не могут преодолеть столь значительный потенциальный барьер и поэтому не могут перемещаться в кристалле.

Диэлектрик Полупроводник Проводник

Рис.1. Строение энергетических зон кристаллических твердых тел.

У полупроводников ширина запрещенной зоны небольшая Eg 1 э.в. . При поглощении валентным электроном кванта энергии большего и равного ширине запрещенной зоны, электрон переходит в свободную зону проводимости и получает возможность перемещаться. После ухода электрона из валентной зоны в ней остается незанятое место - дырка. Таким образом, при возбуждении атома (за счет нагрева или облучения) в кристалле появляются два подвижных носителя заряда противоположных знаков: электрон и дырка.

У проводников запрещенная зона отсутствует, т.е. валентная зона и зона проводимости сливаются друг с другом. В этом случае при малейшем нагреве в зоне проводимости всегда содержится огромное число электронов, что и объясняет хорошую проводимость металлов.

Строение и свойства проводников металлов уже рассматривались ранее. Теперь изучим диэлектрики.

1.1 ДИЭЛЕКТРИКИ

Диэлектрическими называют материалы, имеющие низкую плотность подвижных носителей заряда (ионов и электронов), поэтому практически не проводящие электрический ток. Удельное электрическое сопротивление таких материалов в 1012 - 1025 раз выше, чем у проводников и характеризуется величинами ? = 108 1018 Ом·м. Энергия, необходимая для возбуждения электронов на уровни проводимости, превосходит 3 электрон-вольта.

По химической природе и строению диэлектрические материалы весьма разнообразны (рис.2.).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2. Классификация диэлектриков.

Тип химической связи зависит от природы взаимодействующих атомов, о чем говорилось ранее. Агрегатное состояние вещества может меняться в зависимости от температуры. Поясним некоторые новые термины.

Органическими называют вещества, содержащие в своей основе углерод и водород. Кроме того, в них может входить некоторое количество кислорода, азота, серы и других элементов. Неорганические вещества разнообразны по химическому составу и могут состоять из любых элементов периодической таблицы Менделеева.

Кристаллические тела характеризуются правильным периодическим расположением атомов. У аморфных тел атомы или молекулы распределены неупорядоченно, хаотично.

По строению молекул различают мономеры и полимеры. Мономеры - вещества, молекулы которых состоят из относительно небольшого числа атомов, обычно <100. Полимеры - вещества, молекулы которых состоят из многочисленных повторяющихся звеньев. Количество атомов входящих в такую макромолекулу очень велико от 1000 до 1 000 000.

По происхождению материал может быть природным, т.е содержаться в окружающей среде, а может быть получен искусственным или синтетическим путем.

По электронному строению молекул различают полярные и неполярные вещества. У неполярных диэлектриков электроны распределены симметрично и поэтому в отсутствии внешнего электрического поля собственного дипольного момента у молекул нет. У полярных диэлектриков напротив молекулы являются электрическими диполями. Дипольный момент у молекул возникает из-за несимметричного распределения электронов в пространстве. Причиной могут быть атомы галогенов или сильных окислителей, которые притягивают электроны. Например, группы -Cl, -F, -OH и др..

Например, алмаз можно охарактеризовать как твердый по агрегатному состоянию диэлектрик, с ковалентной связью, неорганический, кристаллический по структуре, по происхождению может быть как природным, так и синтетическим, неполярный. Поливинилхлорид - это твердый аморфный диэлектрик, органический, с ковалентной связью в углеродной цепочке, с поляризационной связью между молекулами, синтетический по происхождению, полярный из-за наличия атомов хлора.

Разнообразие диэлектриков приводит к большим различиям в их свойствах. Рассмотрим основные электрические характеристики диэлектриков.

1.1.1 Основные процессы в диэлектриках в электрическом поле

При помещении диэлектрика в электрическое поле в нем происходят четыре основных процесса:

1. электропроводность,

2. поляризация,

3. диэлектрические потери,

4. пробой диэлектрика.

Электропроводность - свойство диэлектриков проводить небольшой электрический ток, который связан с перемещением под действием электрического поля небольшого количества подвижных зарядов.

Поляризация - свойство диэлектриков изменять напряженность электрического поля, что связано со смещением на небольшие расстояния связанных зарядов вещества.

Диэлектрические потери - выделение энергии в диэлектрике в виде тепла под действием внешнего электрического поля.

Пробой - потеря диэлектрических свойств вещества в сильных электрических полях.

Рассмотрим каждое явление подробнее.

1.1.2 ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Абсолютно чистый диэлектрик с идеальной структурой был бы идеальным изолятором, т.е. совсем не проводил бы электрический ток. В реальных же диэлектриках всегда содержатся примеси, их структура имеет дефекты, они подвергаются внешним воздействиям. Вследствие этого все диэлектрики содержат небольшое количество подвижных зарядов, а значит в той или иной степени проводят электрический ток. Свободными зарядами, которые перемещаются в электрическом поле и обуславливают электропроводность, могут быть ионы (положительные и отрицательные), электроны, структурные дефекты вакансии или дырки. Электропроводность определяется концентрацией этих носителей в соответствии с соотношением:

, (1.1)

где - проводимость, n - концентрация носителей , g - величина заряда носителей, - их подвижность.

На концентрацию подвижных зарядов оказывают влияние: состав материала, температура среды, облучение материала светом или частицами высоких энергий и другие внешние воздействия.

Концентрация подвижных носителей заряда в полярных материалах, как правило, выше, чем в неполярных. Связано это с тем, что полярные материалы труднее поддаются очистке, вследствие чего в них больше примесей. Наличие легко ионизируемых примесей, а так же дефектов кристаллического строения, увеличивают число свободных зарядов в материале и увеличивают его проводимость.



Рис.3. Зависимость электрической проводимости?? от температуры T.

Нагрев вещества также приводит к росту проводимости. На рис.3. приведена температурная зависимость электрической проводимости ??. В первом приближении она описывается экспоненциальной функцией:

, (1.2)

где Еа - энергия активации электропроводности, к- постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, ?о - постоянный параметр.

Рис.4. Зависимость электрической проводимости?? от напряженности поля E.

Такая зависимость обусловлена увеличением концентрации заряженных частиц за счет теплового возбуждения или активации.

Электрическая проводимость диэлектриков зависит и от напряженности электрического поля. На рис.4. приведены два характерных графика изменения плотности тока J от напряженности поля E. На первом графике сначала величина плотности тока пропорциональна приложенной напряженности электрического поля. Это участок линейной зависимоcти тока от напряженности поля и соответствует закону Ома:

(1.3)

с постоянным значением проводимости ?. Далее величина тока отклоняется вверх относительно линейной зависимости, т.е. величина проводимости материала растет, и значит на данном участке происходит увеличение концентрации подвижных носителей заряда. Такой график зависимости характерен для ионных, полярных диэлектриков, и материалов содержащих примеси. При значительной напряженности электрического поля в них происходит ионизация примесных или собственных атомов, что и приводит к увеличению концентрации подвижных носителей.

На втором графике величина тока отклоняется вниз и перестает увеличиваться, наблюдается насыщение тока. Такой график зависимости характерен для неполярных диэлектриков высокой чистоты. В этих материалах число носителей заряда ничтожно. Поэтому с ростом напряженности поля ток перестает увеличиваться, когда все имеющиеся носители оказываются задействованы в процессе переноса заряда.

1.1.3 ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Диэлектрики практически не содержат свободных зарядов, однако любое вещество состоит из электрически заряженных частиц, которые находятся в связанном состоянии. При помещении в электрическое поле они смещаются на небольшие расстояния, что в свою очередь приводит к возникновению своего собственного электрического поля вещества направленного против внешнего электрического поля. Таким образом, результирующее поле оказывается ослабленным. Величину, во сколько раз ослабляется электрическое поле в веществе по сравнению с полем в вакууме, называют диэлектрической проницаемостью материала. А процесс смещения связанных зарядов, приводящий к возникновению собственного поля вещества называют поляризацией.

Рис.5. Диэлектрик, помещенный в электрическое поле Ео.

Рассмотрим диэлектрик, помещенный между обкладками конденсатора (рис.5.). Заряды на обкладках создают электрическое поле Ео . Под действием этого поля связанные заряды внутри диэлектрика смещаются и создают собственное поле Е1, направленное против внешнего . Результирующее электрическое поле в диэлектрике ЕД равно разности:

, (1.4)

Тогда отношение

, (1.5)

будет равно диэлектрической проницаемости среды ?. Эта величина безразмерная и характеризует диэлектрические свойства материала.

Найдем емкость такого конденсатора с диэлектриком по формуле

, (1.6)

Подставим напряженность поля, используя соотношение U= d ЕД , и (1.5) , преобразуем

где Uо - напряжение конденсатора без диэлектрика, Со - емкость конденсатора без диэлектрика.

Или

(1.6)

Получаем таким образом, что емкость конденсатора с диэлектриком возрастает в раз.

Количественно состояние поляризации характеризует вектор поляризации P, который равен суммарному электрическому дипольному моменту единицы объема вещества

, (1.7)

где pi - дипольные моменты частиц вещества, V - его объем.

В зависимости от природы смещающихся частиц и строения молекул материала поляризация подразделяется по механизму на

1. электронную (е = 1,5-2,5)

2. ионную (е = 5-15)

3. дипольную (е = 2-5)

4. спонтанную (е = 10І-).

1.1.3.1 Электронная поляризация

Электронная поляризация возникает в неполярных диэлектриках, в которых молекулы не обладают собственным дипольным моментом. В этом случае атом или молекула (например, атом водорода) представляет собой систему, стоящую из положительно заряженного ядра, вокруг которого равномерно и симметрично распределены электроны. При таком расположении центры положительных и отрицательных зарядов совпадают, и поэтому дипольный момент молекулы равен нулю.

При помещении диэлектрика в электрическое поле, положительно заряженное ядро смещается по полю, а отрицательно заряженные электроны - против поля. Таким образом, происходит смещение положительных зарядов относительно отрицательных и возникает суммарный дипольный момент вещества, то есть поляризация.

Данный механизм называют электронной поляризацией, поскольку происходит смещение электронных оболочек атомов и молекул. Поскольку связь между ядром и электроном прочная, то сместить электрон относительно ядра очень сложно, поэтому величина возникающей поляризации оказывается небольшой. Характерные значения диэлектрической проницаемости материалов с электронным механизмом поляризации е = 1,52,5.

1.1.3.2 Ионная поляризации

Данный вид поляризации происходит в случае, когда вещество образуют ионы. Рассмотрим, например, ионный кристалл NaCl. Кристаллическая решетка его представляет собой пространственную кубическую решетку с правильным чередованием ионов различных знаков (рис.6.). В отсутствие электрического поля в любом объеме и на каждой грани кристалла находится одинаковое количество как положительно заряженных ионов натрия Na+, так и отрицательно заряженных ионов хлора Cl-. Следовательно, они компенсируют друг друга, то есть суммарный дипольный момент вещества равен нулю.

E=0 E

Рис.6. Ионный механизм поляризации:

а) электрическое поле отсутствует, б) смещение ионов под действием электрического поля.

Если вещество поместить в электрическое поле, положительные ионы начнут смещаться вдоль поля, отрицательные - против поля. Тогда на поверхности диэлектрика с одной стороны будет накапливаться положительный заряд, а с другой - отрицательный. Таким образом, произойдёт поляризация диэлектрика. Поскольку связь между ионами намного слабее связи между электронами и ядром атома, величина ионной поляризации оказывается больше электронной. Характерные значения диэлектрической проницаемости с ионным механизмом поляризации е = 515.

1.1.3.3 Дипольная поляризация

Дипольная поляризация возникает в полярных диэлектриках, молекулы которых являются диполями. В этом случае при отсутствии внешнего электрического поля дипольные моменты молекул ориентированы хаотически, поэтому при суммировании общий дипольный момент любого объема вещества равен нулю (рис.7а.). При помещении во внешнее электрическое поле эти диполи стремятся ориентироваться таким образом, чтобы положительный заряд был направлен по полю, а отрицательный - против поля (рис.7б.). В итоге появляется преимущественная ориентация диполей и, соответственно, суммарный дипольный момент. Так происходит поляризация вещества, и такой механизм называется дипольной поляризаций. Величина дипольной поляризации обычно небольшая, характерные значения диэлектрической проницаемости е = 25.

E=0 E

а) б)

Рис.7. Дипольная поляризация:

а) электрическое поле отсутствует, б) электрическое поле присутствует.

1.1.3.4 Спонтанная поляризация

Спонтанная поляризация происходит в материалах, называемых сегнетоэлектриками. Первоначально такой механизм поляризации был обнаружен у сегнетовой соли, из-за чего весь класс материалов получил своё название. Такой материал состоит из участков, называемых доменами, причем в пределах каждого домена происходит самопроизвольная очень сильная поляризация вещества в одном направлении. Каждый домен имеется свое направление спонтанной поляризации.



Рис.8. Спонтанная поляризация:

а) электрическое поле отсутствует,

б) электрическое поле присутствует.

При отсутствии внешнего электрического поля оси поляризации доменов направлены во все стороны. поэтому при векторном суммировании дипольных моментов множества доменов общий дипольный момент оказывается равным нулю (рис.8а.). При наложении внешнего электрического поля дипольные моменты доменов начинают поворачиваться вдоль поля, происходит их ориентация (рис.8б.). Вследствие этого дипольные моменты доменов складываются, увеличивая общий дипольный момент материала, т.е. появляется суммарная поляризация вещества.

Рис.9. Петля диэлектрического гистерезиса.

Поскольку домены сами по себе сильно поляризованы суммарный эффект оказывается очень большим. Величина диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков очень велика е = 100100 000.

При наложении и снятии электрического поля поляризация материала изменяется по разному. На график зависимости поляризации от напряженности электрического поля (см. рис.9.) получается петля диэлектрического гистерезиса (очень похожая по форме на петлю гистерезиса намагничивания ферромагнетиков).

По характеру поляризация подразделяется на упругую и релаксационную (тепловую). Например при электронной поляризации, смещение электронных оболочек атомов или молекул происходит практически мгновенно (за время ??10-15 с). . В результате при включении и выключении внешнего электрического поля поляризация устанавливается мгновенно и запаздывания между поляризацией и электрическим полем практически нет (см. рис.10а). В этом случае, при включении и выключении электрического поля, потерь электрической энергии в веществе не происходит. Такой тип поляризации называется упругой поляризацией.

Рис.10. Упругая (а) и релаксационная (б) типы поляризации:

Некоторые другие процессы в веществе протекают с заметной задержкой (время 10-310-5 с), например, процессы связанные с тепловой активацией. Так при дипольной поляризации, между разными положениями громоздких молекул существуют потенциальные барьеры и для того, чтобы их преодолеть требуется энергия. Если энергии внешнего электрического поля недостаточно, то таким дополнительным источником энергии становится тепловая, которой требуется некоторое время для поворота диполей. Тогда при включении внешнего электрического поля (или при выключении) поляризация запаздывает и устанавливается через некоторое время, которое называется временем релаксации (см. рис.10б) Эта задержка играет важную роль, поскольку в результате этой задержки в диэлектрике в переменном электрическом поле происходит потеря энергии на поляризацию. Такого типа поляризация называется релаксационной или тепловой.

1.1.3.5 Активные диэлектрики

Активными диэлектриками называют материалы с особыми электрическими свойствами - с большой величиной диэлектрической проницаемости, сильной зависимостью от внешних воздействий и т.д. К ним относятся рассмотренные сегнетоэлектрики.

Другим примером являются электреты. По английски «electret» пишется аналогично «magnet» - магнит В этих материалах поляризованное состояние может сохраняется годами. Электреты служат источниками постоянного электрического поля без затрат энергии, они электрические аналоги постоянных магнитов. Такими свойствами обладают хорошие диэлектрики: пчелиный воск, канифоль, поликарбонат, керамика CaTio3 и т.д.

Пироэлектрики - обладают способностью поляризоваться под действием нагрева или охлаждения. На их основе изготавливают высокочувствительные термодатчики, детекторы инфракрасного излучения и др. Примерами таких материалов являются турмалин, керамика BaTiO3 , поливинилфторид.

Пьезоэлектрики - диэлектрики, в которых под действием механической нагрузки возникает электрическая поляризация (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.). Такой эффект называют прямым пьезоэффектом. При обратном пьезоэффекте под действием электрического поля происходит механическая деформация кристалла. Взаимосвязь механического и электрического состояний кристалла приводит к колебаниям кристалла с высокой добротностью. Это свойство используют для создания кварцевых резонаторов, генераторов стабильной частоты, фильтров высоких и низких частот, трансформаторов и т. д. Прямой эффект используется в датчиках перемещений, звукоснимателях, микрофонах. Обратный - в излучателях ультразвука, в механических микро приводах.

Сейчас количество активных диэлектриков насчитывается более 500 , они находят все более широкое применение в различных технических устройствах.

1.1.4 Диэлектрические потери

Диэлектрические потери это процесс выделения тепловой энергии в диэлектрике под действием внешнего электрического поля. Потери связаны с двумя рассмотренными процессами в диэлектрике: электропроводностью и поляризацией. Так, под действием электрического поля свободные носители заряда разгоняются, приобретают кинетическую энергию и, сталкиваясь с молекулами вещества, передают им эту энергию. Таким образом, энергия электрического поля трансформируется в тепловую энергию.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рассмотрим конденсатор с диэлектриком, который включён в электрическую цепь рис.11. Мощность электрических потерь в нем определяется формулой:

W=U I cos б , (1.8)

где U - напряжение и I -ток на участке цепи, - ? сдвиг фаз между ними.

В конденсаторе с идеальным диэлектриком сдвиг фаз между напряжением и током в точности равен 90 градусам (угол б), вследствие чего мощность потерь в соответствии с формулой (*) равна нулю. В случае реального диэлектрика ток отклоняется от перпендикулярного направления на некоторый угол. Векторная диаграмма тока и напряжения в этом случае приведена на рис. 12.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вектор тока можно разложить на две составляющие:

Ia - активную, параллельную вектору напряжения, и

Ip - реактивную, перпендикулярную вектору напряжения.

Тогда по диаграмме

I cos б= Ia=I sin = Iр tg ,

Или подставляя в (*) получим

W=U Iр tg , (1.9)

Т.е. величина мощности потерь пропорциональна множителю tg? .

Поэтому для количественной оценки величины диэлектрических потерь используют понятие тангенс угла диэлектрических потерь, который характеризует свойства материала.

Величина напряжения (U), частоты тока (w) и емкость конденсатора (С) определяют реактивную составляющую тока:

Ip=UwґC, (1.10)

В свою очередь, емкость конденсатора зависит от диэлектрической проницаемости материала см.(*)

С= Со

где Со - емкость конденсатора без диэлектрика

Откуда

W=U w Cо tg , (1.11)

В приведенной формуле величины напряжения, круговая частота и Со не зависят от свойств среды, а диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь определяются материалом диэлектрика. Их произведение называют коэффициентом диэлектрических потерь kd.

kd = e tgd, (1.12)

от него зависит мощность электрических потерь, подставляя в (1.11) получим

W=U w Cо kd, (1.13)

Величины тангенс угла потерь tgd и коэффициент диэлектрических потерь kd характеризуют свойства материала. Чем они больше - тем больше электрические потери и тем больше нагрев диэлектрика.

В соответствии с формулой (*) мощность потерь энергии пропорциональна частоте переменного электрического поля. Поэтому по величине тангенса угла и коэффициента потерь различают низкочастотные (НЧ) и высокочастотные (ВЧ) диэлектрики (рис.13.).

Размещено на http://www.allbest.ru/

НЧ диэлектрики используются при низких частотах f < 20 кГц,

ВЧ диэлектрики - при высоких частотах электрического поля f > 20 кГц.

Тангенс угла диэлектрических потерь tgd зависит от химического состава материала, его строения, полярности. Величина полярности для некоторых атомных групп возрастает в ряду слева направо:

CH < CN < CO < CF < CCl

Наименьшие величины тангенса угла потерь tgd и коэффициента диэлектрических потерь kd. имеют химически чистые неполярные диэлектрики с ковалентной и поляризационной связью.

1.1.4.1 Зависимость тангенса угла потерь от температуры

Общие потери диэлектрика складываются из потерь на электропроводность и потерь на поляризацию. При нагревании меняются все свойства диэлектрика, в том числе и электропроводность и поляризация, с которыми связаны потери. Характер зависимостей tgd различный для полярных и неполярных диэлектриков.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для неполярных

Для полярных диэлектриков потери определяются в основном электропроводностью. С увеличением температуры концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике повышается. Следовательно, потери на сквозную электропроводность возрастают, и возрастает тангенс угла потерь. Вид графика температурной зависимости tgd приведен на рис.14.

Для полярных:

В полярных диэлектриках, помимо потерь на сквозную электропроводность, добавляются потери на поляризацию. Такие диэлектрики имеют полярные молекулы или группы, которые поворачиваются под действием электрического поля. Внешнее электрическое поле при этом совершает работу А по повороту этих диполей равную

Размещено на http://www.allbest.ru/

A = M

где M - момент силы необходимый для поворота, ? - угол поворота диполей.

С ростом температуры подвижность частиц возрастает и величина момента M уменьшается, а угол поворота диполей ? возрастает (см. рис. 15). В результате совершаемая работа, равная их произведению, сначала возрастает, а затем убывает, образуя колоколообразную зависимость с максимумом, характерную для поляризационных потерь. Вид температурной зависимости общих потерь для полярных диэлектриков показан на рис.16.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1.1.4.2 Зависимость тангенса угла потерь от частоты

Для неполярных

Размещено на http://www.allbest.ru/

При воздействии электрического поля свободные носители зарядов разгоняются, приобретают кинетическую энергию, потом соударяются с встречающимися на их пути преградами и при этом энергия частиц переходит в тепловую.

В переменном электрическом поле частицы половину периода движутся в одну сторону, а затем вторую половину периода - в противоположную сторону. С увеличением частоты поля длительность периода колебаний сокращается, следовательно уменьшается энергия, приобретаемая частицами за время полупериода, что приводит к снижению количества энергии переходящей в тепло.

Вид графика частотной зависимости tgd неполярного диэлектрика приведен на рис. 17. При росте частоты электрического поля диэлектрические потери снижаются.

Для полярных

В полярных диэлектриках дипольные частицы имеют характерные частоты резонансов, на которых величина потерь на поляризацию возрастает. Складываясь с потерями проводимости получаются общие потери. На рис. 18. приведен вид температурной зависимости tgd полярного диэлектрика, на графике можно увидеть характерные резонансные пики.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наличие максимумов коэффициента диэлектрических потерь на резонансных частотах увеличивает общие потери и ограничивает применение полярных диэлектриков в высоко частотных полях.

1.1.5 Пробой диэлектриков

Пробой диэлектрика - это потеря материалом диэлектрических свойств, то есть при больших напряженностях электрического поля, температурах и других внешних воздействиях диэлектрик может проводить электрический ток - ведет себя не как изолятор, а как проводящая среда.

По природе и механизму протекания процесса различают пробой:

1. Электрический (искры, молнии) - который происходит в сильных электрических полях, протекает практически мгновенно за время 10-810-3 с.

2. Электротепловой - связанный с нагревом материала, процесс более длительный, поэтому характерные времена протекания 1с1час.

3. Электрохимический - связанный с изменением химического состава диэлектрика во время длительного нахождения его в электрическом поле. Характерные времена 1 день1 год.

1.1.5.1 Электрический пробой

Почему же при больших напряженностях электрического поля диэлектрик начинает проводить электрический ток, что происходит в материале?

В исходном состоянии диэлектрик не проводит электрический ток, так как в нем ничтожно мало свободных зарядов, которые могли бы перемещаться в электрическом поле. Раз носителей заряда практически нет, значит, ток в материале близок к нулю. Но при больших напряженностях электрического поля проводимость диэлектрика начинает резко возрастать и достигает значений проводимостей проводников. Откуда же берутся в огромном количестве свободные носители зарядов?

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для этого рассмотрим диэлектрик, помещенный в электрическое поле рис.19. Если в нем имеется свободная заряженная частица, то под действием электрического поля она будет двигаться, причем ускоряясь, все быстрее и быстрее. Чем дольше разгоняется частица, тем большей скорости она достигает. Этот разгон длится до момента столкновения частицы с препятствием, например, молекулой или ионом. В этом случае при столкновении заряженная частица отскочит и, соответственно, потеряет скорость направленного движения. Затем процесс разгона заряженной частицы начинается заново. Далее эти процессы будут повторяться: частица разгоняется, затем сталкивается с препятствием, теряет свою энергию, снова разгоняется и т. д.

Время, в течении которого частица разгоняется и двигается без столкновений, называется временем релаксации ф, а расстояние, которое она пролетает за это время - длиной свободного пробега л. Кинетическая энергия Wк, приобретаемая частицей, находится по формуле

Wк= gЕ, (1.15)

где g - заряд частицы, Е -.напряженность электрического поля.

Размещено на http://www.allbest.ru/

невелика, то этот процесс происходит периодически, и приводит сквозной электропроводности диэлектриков, величина которой очень мала.

В случае возрастания длины свободного пробега или при возрастании напряженности электрического поля, энергия Wк, приобретаемая частицей, увеличится (*). Если энергия Wк превысит энергию необходимую для ионизации атома или молекулы, то характер процесса изменится. Теперь при столкновении с молекулой частица будет выбивать из нее электрон (рис.20.). В итоге получатся две свободные заряженные частицы, которые в электрическом поле вновь начнут двигаться. При следующем столкновении каждая из них выбьет еще по электрону, следовательно, свободных частиц станет уже четыре. Далее их станет восемь, шестнадцать и т. д. Количество свободных заряженных частиц будет очень быстро возрастать в геометрической прогрессии. В результате получается среда с очень большим количеством свободных зарядов, то есть проводящий по свойствам материал. Такой механизм появления свободных зарядов называют ударной ионизацией, и он приводит к электрическому пробою.

1.1.5.2 Электротепловой пробой

Материал, помещенный в электрическое поле, нагревается из-за диэлектрических потерь, т.е. выделения тепла. Нагретое тело отдает тепло окружающей среде, и чем больше нагревается - тем больше отдается среде. В равновесном состоянии величины выделившейся теплоты потерь и отдаваемой среде должны быть равны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рассмотрим графики зависимостей мощностей выделяющейся и отводящейся теплоты от температуры диэлектрика рис.21. Мощность теплоотвода - это линейная зависимость. Теплота, которая отдается окружающей среде, пропорциональна температуре нагрева. Мощность тепловыделения - это нелинейная зависимость экспоненциального характера. Данные графики пересекаются в двух точках А и В. Эти точки особые, соответствующие состоянию теплового равновесия.

Если в первоначальном состоянии температура диэлектрика была комнатная, то мощность тепловыделения будет приводить к росту температуры диэлектрика. Соответственно мощность теплоотвода также будет возрастать. Когда эти мощности сравняются в точке А, температура больше не будет изменяться. Установится равновесие подводимой и отводимой теплоты. Если температура вдруг окажется выше tA, то мощность теплоотвода будет превышать мощность тепловыделения, значит, температура будет снижаться, вплоть до точки равновесия А. Поэтому точка А соответствует устойчивому тепловому состоянию диэлектрика.

Вторая точка равновесия - точка В, однако это точка неустойчива. Выше этой точки мощность тепловыделения больше мощности теплоотвода. Соответственно, температура материала будет расти, и по мере её роста мощность тепловыделения будет все больше возрастать. Следовательно, материал будет нагреваться неограниченно, теоретически - до бесконечности, практически - до разрушения диэлектрика. Такой механизм пробоя называется электротепловым пробоем.

1.1.5.3 Электрохимический пробой

В диэлектрике под действием электрического поля происходят различные химические процессы, что с течением времени приводит к изменению химического состава диэлектрика: в нем появляются продукты разложения исходного материала, окисления, диссоциации и др. В результате свойства диэлектрика изменяются: увеличивается проводимость, снижается электрическая прочность. Например, трансформаторное масло, со временем темнеет, в нем появляется осадок, выделяются газовые пузырьки - это признаки старения материала. Его изоляционные свойства ухудшаются и если масло своевременно не заменить, то происходит электрохимический пробой.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В зависимости от условий эксплуатации и окружающей среды в одном и том же материале могут происходить разные виды пробоев. Например, при росте температуры окружающей среды, электрический пробой переходит в электротепловой. На рис.22. приведен график электрической прочности электротехнического фарфора от температуры среды. Область температур А соответствует электрическому пробою, область В - электротепловому.

· Кривая жизни диэлектрика

С течением времени диэлектрические свойства материала ухудшаются. Этот процесс называют старением материала. Он связан с изменением химического состава, вследствие окисления коррозии, светового и механического воздействия, нарушения структуры, разложения и т.д. Стабильность свойств материала зависит от прочности химической связи между атомами и молекулами диэлектрика.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зависимость электрической свойств от времени называется кривой жизни диэлектрика. На рис.23. приведены кривые жизни для полиэтилена (-C2H4-)n и второпласта (-C2F4-)n. Поскольку прочность связи C-F 450 кДж/моль выше , чем связи C-H 290 кДж/моль, то и время жизни второпласта оказывается больше , чем у полиэтилена.

Контрольные вопросы

1. Какие материалы называют диэлектрическими?

2. Где их применяют?

3. Перечислите типы химических связей в диэлектриках.

4. Какие процессы происходят в диэлектриках, помещенных в электрическое поле?

5. Что происходит при поляризации?

6. Каковы механизмы поляризации?

7. Отчего зависит электропроводность диэлектрика?

8. Чем характеризуются диэлектрические потери?

9. Какие виды пробоя происходят в диэлектриках?

10. Что происходит при электрическом пробое?

1.2 ПОЛУПРОВОДНИКИ

У полупроводников энергетическая щель Еg между зонами валентности и проводимости составляет около 1 эВ. При поглощении валентным электроном кванта энергии большего ширины запрещенной зоны, электрон переходит на свободные уровни зоны проводимости и получает возможность перемещаться (рис.24.).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для возбуждения электрона ему нужно сообщить значительную энергию, например с помощью нагрева. Чем выше температура нагрева полупроводника, тем более вероятен перескок электрона из валентной зоны в зону проводимости. Другими способами возбуждения электронов могут быть световое облучение, проникающая радиация, наложение сильного электрического поля и т.д.

Ширина запрещенной зоны у типичных полупроводников германия Eg = 0,66 эВ; кремния Eg = 1,12 эВ; арсенида галлия Eg = 1,43 эВ.

У полупроводника количество свободных носителей заряда больше чем у диэлектриков, но меньше чем у проводников.

Проводимость?e, обусловленная подвижными электронами, равна

уe=neqмe, (2.1)

где ne - концентрация свободных электронов, - подвижность электронов.

Когда электрон выскакивает из ковалентной связи, он становится электроном проводимости. На его месте появляется незанятое место или дырка. На это незанятое место может перескочить электрон из соседней связи, т.е. дырка заполнится в одном месте, но появится в соседнем. Таким образом дырка может перемещаться по кристаллу, и это перемещение дырки эквивалентно движению положительно заряженной частицы. Значит при возбуждении электрона, в кристалле появляются два подвижных носителя заряда противоположных знаков: отрицательный электрон и положительная дырка.

Дырочную проводимость ?p можно вычислить по формуле:

уp=npqмp, (2.2)

где np - концентрация дырок, - подвижность дырок.

В свою очередь, концентрации электронов и дырок определяются соотношением:

, (2.3)

, (2.4)

где Ne0 и Np0 - константы, k -постоянная Больцмана, T - абсолютная температура.

Общая проводимость равна сумме электронной и дырочной проводимостей

у = уe + уp , (2.5)

1.2.1 Собственные полупроводники

Химически чистые полупроводники называются собственными полупроводниками. К ним относится ряд чистых химических элементов: германий, кремний, селен, теллур и др., и многие химические соединения: арсенид галлия (GaAs), арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb), карбид кремния (SiC) и др.

При абсолютном нуле температуры валентная зона полупроводника укомплектована полностью, а зона проводимости - незаполнена, пустая. Поэтому при абсолютном нуле собственный полупроводник, как и диэлектрик, обладает нулевой проводимостью.

Однако с повышением температуры, вследствие термического возбуждения электронов валентной зоны, часть из них приобретает энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны и перехода в зону проводимости. Это приводит к появлению электронов проводимости, а в валентной зоне - такого же количества дырок.

Таким образом, в собственных полупроводниках концентрация электронов равна концентрации дырок:

ne = np, (2.6)

Следовательно, дырочная и электронная проводимости определяемые формулами (2.1) и (2.2) будут примерно одинаковы.

neqмe npqмp , (2.7)

или

уe уp , (2.8)

Т.е. электронная и дырочная проводимости собственного полупроводника величины одного порядка.

При комнатной температуре 300 К (20 ?С) тепловая энергия равна kТ = 0,025 эВ, что намного меньше ширины запрещенной зоны полупроводника Eg 1 эВ. Поэтому в соответствии с (*) концентрация свободных электронов, а значит и проводимость полупроводника, оказывается небольшой по сравнению с металлами. Свойства типичных полупроводников приведены в табл.1.

Табл.1. Характеристики полупроводников Ge и Si

элемент	Еg	?, Омм	, см2/Вс	, см2/Вс	г, г/см3	М, г/моль	tраб.мах., ?С
Ge	0,66	0,8	4000	3000	5,3	73	70-80
Si	1,12	2000	1900	400	2,3	28	120-140

Разделение тел на полупроводники и диэлектрики носит в значительной мере условный характер, поскольку четкой границы между диэлектриками и полупроводниками не существует. Так алмаз, являющийся диэлектриком при комнатной температуре Еg = 5,2 эВ, приобретает заметную проводимость при более высоких температурах 500 оС и может уже считаться полупроводником.

1.2.2 Примесные полупроводники

Полупроводники любой степени чистоты всегда содержат примеси. Примеснные атомы имеют свои собственные энергетические уровни, которые могут располагаться как в разрешенной, так и в запрещенной зонах полупроводника. Для применения полупроводника в электронных устройствах примеси вводят специально для придания ему необходимых свойств. Такая технологическая операция называется легированием.

Роль примесей могут играть дефекты кристаллической решетки - вакансии, дислокации, границы зерен, поры, трещины.

В зависимости от рода примесных атомов различают донорные и акцепторные примеси. Разберем их подробнее.

Донорные примеси.

Рассмотрим кристалл германия, в котором часть атомов замещена атомами пятивалентного элемента, например, мышьяка (As) (рис.25.). Германий имеет решетку типа алмаза, в которой каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями, связанными с ним валентными связями. Для установления связи с этими соседями атом мышьяка расходует четыре валентных электрона; пятый электрон оказывается лишним. и может легко отсоединится от атома мышьяка. При сообщении небольшой энергии он отрывается от атома и приобретает способность свободно перемещаться в решетке германия, превращаясь, таким образом, в электрон проводимости.

Размещено на http://www.allbest.ru/

С точки зрения зонной теории этот процесс можно представить следующим образом. Энергетические уровни пятого электрона атомов мышьяка располагаются в запрещенной зоне полупроводника. Эти уровни размещаются непосредственно у дна зоны проводимости на расстоянии Ed ? 0,01 эВ. При сообщении электронам таких примесных уровней небольшой энергии ?0,01 эВ они переходят в зону проводимости. Образующиеся при этом положительные заряды на атомах мышьяка неподвижны и в электропроводности не участвуют.

Чем больше примесных атомов мышьяка, тем больше будет свободных электронов. Таким образом, концентрация свободных электронов в таком кристалле больше концентрации дырок.

ne > np , (2.9)

Соответственно, электронная проводимость будет больше дырочной.

уe > уp , (2.10)

Примеси, являющиеся источником электронов проводимости, называют донорными примесями. А полупроводники, их содержащие, называются донорными или электронными полупроводниками, или полупроводниками n-типа (от английского слова «negative» - «отрицательный»).

Акцепторные примеси.

Предположим теперь, что в решетке германия часть атомов германия замещена атомами трехвалентного элемента, например, индия (In) (рис.26.).

У индия всего 3 валентных электрона и для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома индия не хватает одного электрона. Его можно «заимствовать» у соседнего атома германия. Разорванная связь представляет собой дырку, которая заполняется при присоединении электрона со стороны. В этом случае дырка перемещается к соседнему атому германия, и далее движется по всей кристаллической решетке. Таким образом, введение трехвалентных атомов примеси приведет к увеличению концентрации дырок:

Размещено на http://www.allbest.ru/

np > ne , (2.11)

Соответственно, дырочная проводимость будет больше электронной.

уp > уe, (2.12)

Энергетические уровни примесных атомов индия располагаются в запрещенной зоне полупроводника вблизи валентной зоны проводимости на расстоянии Ed ? 0,01 эВ. При небольшом возбуждении электроны валентной зоны легко переходят на уровни примеси, порождая дырки.

Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называют акцепторными. Полупроводники, содержащие также примеси, называют акцепторными полупроводниками, или дырочными полупроводниками, или полупроводниками p-типа (от английского слова «positive» - «положительный»).

Оба вида примесных полупроводников p-типа n-типа находят применение в технике.

1.2.3 Применение полупроводников

Полупроводники обладают разнообразными и необычными свойствами, которые определяют их широкое применение. При контакте полупроводников p-типа и n-типа образуются p-n переходы - основа почти всех полупроводниковых приборов.

В полупроводнике p-типа проводимость в основном определяется движением дырок, т.е. дырки являются основными носителями тока. Соответственно в полупроводнике n-типа основными носителями будут электроны. Если взять два полупроводника n-типа и p-типа и соединить их, то на границе будут встречатся носители разных типов - элекроны и дырки. При этом они взаимно уничтожаются, или говорят происходит процесс рекомбинации. В результате в пограничном слое свободных носителей заряда практически не остается, значит получается изолирующий материал или диэлектрик, называемый запирающим слоем. Образовавшаяся структура называется p-n переходом.

Этот p-n переход обладает интересным свойством, односторонней проводимостью.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При подключении внешнего источника напряжения положительным полюсом к n-области, отрицательным -- к p-области (см. рис.27а.) , дырки под действием внешнего электрического поля смещаются влево, а электроны - вправо. В результате изолирующий слой расширяется, препятствуя протеканию тока. Тока в цепи нет. Такое подключение называют обратным включением p-n перехода.

...