Материалы электронной техники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вопрос. Какова зависимость диэлектрической проницаемости жидких диэлектриков от частоты для неполярной и полярной жидкостей?

Ответ: Жидкие диэлектрики могут быть построены из неполярных молекул или из полярных (дипольных). Значения диэлектрической проницаемости неполярных жидкостей невелики и близки к значению квадрата показателя преломления света. Влияние температуры и частоты на диэлектрическую проницаемость неполярной жидкости показано на рис. 1.

Рис. 1. Зависимости диэлектрической проницаемости неполярной жидкости от температуры (а) и от частоты (б): - температура кипения

Поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы, определяется одновременно электронной и дипольной поляризациями. Такие жидкости обладают тем большей диэлектрической проницаемостью, чем больше электрический момент диполей и число молекул в единице объема.

Сильнополярные жидкости, характеризующиеся очень высоким значением диэлектрической проницаемости, например вода, этиловый спирт, не могут найти практического применения в качестве диэлектриков вследствие их большой проводимости.

Диэлектрическая проницаемость для неполярных и слабополярных жидкостей

Жидкость	п
Бензол ………………………. Толуол ………………………. Четыреххлористый углерод..	1,5 1,5 1,46	2,25 2,25 2,135	2,218 2,294 2,163

Рис. 2. Зависимости диэлектрической проницаемости от температуры для полярной жидкости - совола Гц, Гц, Гц

Рис. 3. Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для полярной жидкости - совола

Значительное влияние на дипольной жидкости оказывает частота. На рис. 3 представлена зависимость от частоты для полярной жидкости.

Пока частота настолько мала, что диполи успевают следовать за полем, велика и близка к значению , определенному при постоянном напряжении. Когда же частота становится настолько большой, что молекулы уже не успевают следовать за изменениями поля, диэлектрическая проницаемость уменьшается, приближаясь к значению , обусловленному электронной поляризацией (). Частота , при которой начинается снижение (рис. 3), определяется с помощью выражения:

,

где - динамическая вязкость;

r - радиус молекулы.

Время релаксации молекул связано с частотой следующим соотношением:

.

Диэлектрическая проницаемость полярных жидкостей, использующихся в качестве технических диэлектриков, лежит в пределах от 3,5 до 5, т.е. заметно повышена по сравнению с неполярных жидкостей.

Влияние частоты на характер зависимости диэлектрической проницаемости от температуры для полярной жидкости показано на рис. 2.

Вопрос. Укажите причины возникновения абсорбционного тока. Какова его зависимость от частоты?

Ответ: Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в веществе до момента установления равновесного состояния протекают во времени, создавая поляризационные токи, или токи смещения, в диэлектриках. Токи смещения упругосвязанных зарядов при электронной и ионной поляризациях столь, кратковременны, что их обычно не удается зафиксировать прибором. Токи смещения различных видов замедленной поляризации, наблюдаемые у большого числа технических диэлектриков, называют абсорбционными токами. При постоянном напряжении абсорбционные токи, меняя свое направление, протекают только в моменты включения и выключения напряжения; при переменном напряжении они имеют место в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.

Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свободных зарядов приводит к возникновению слабых по величине сквозных токов, или токов утечки. Таким образом, полная плотность тока в диэлектрике представляет собой сумму, плотностей токов утечки и смещения:

Плотность тока смещения определяется скоростью изменения вектора индукции D:

,

обусловленного мгновенными (электронное, ионное) и замедленными смещениями зарядов.

На рис. 1 показан характер зависимости тока через диэлектрик, от времени. Как видно из рисунка, после завершения процессов поляризации через диэлектрик протекает только сквозной ток.

Поляризационные токи необходимо принимать во внимание при измерениях проводимости диэлектриков ввиду того, что при небольшой выдержке образца диэлектрика под напряжением обычно регистрируется не только сквозной ток, но и сопровождающий его ток абсорбции, вследствие чего может создаться неправильное представление о большой проводимости.

Рис. 1. Зависимость тока через диэлектрик от времени: - ток абсорбции (поляризации), - сквозной ток

Проводимость диэлектрика при постоянном напряжении определяется по сквозному току, сопровождающемуся выделением и нейтрализацией зарядов на электродах. При переменном напряжении активная проводимость определяется не только сквозным током, но и активными составляющими поляризационных токов.

Вопрос. Построить график зависимости ТК диэлектрической проницаемости поливинилхлорида от температуры, воспользовавшись приведенным на рисунке графиком зависимости диэлектрической проницаемости от температуры

Ответ: Значение для различных температур находим методом графического дифференцирования кривой . Например, для нахождения значения при +20 °С проводим касательную к кривой в точке b при С.

При пересечении касательной с ординатами С и С отмечаем точки а и с, значения в этих точках:

а ,

b ,

с ,

С, тогда

, аналогично определяем в других точках, данные сведем в таблицу, по которой строим график (t).

t°, С	-40	-20	0	+20	+40	+60	+80
	0,72	2,19	2,50	3,43	4,38	5,94	7,5
	20	40	40	40	40	40	40
	0,63	0,78	1,24	1,88	2,5	3,12	4,38
	1,83	0,89	1,24	1,37	1,43	1,31	1,46



Вопрос. Определите удельное сопротивление диэлектрика плоского конденсатора, если известно, что ток через конденсатор при постоянном напряжении 10 кВ равен . Толщина диэлектрика h мм, площадь обкладок с каждой стороны 25 см ² (поверхностной утечкой пренебрегайте), h равно: 1) 0,2 мм; 2) 0,3 мм; 3) 0,4

Дано:

кВ, А, см?, мм.

-?

Решение:

Сопротивление конденсатора.

Ом.

Удельное объемное сопротивление диэлектрика плоского конденсатора:

Ом·м.

Вопрос. Диэлектрик конденсатора образован двумя слоями стекла толщиной по 5 мм с , между которыми имеется воздушный зазор в 1 мм. К электродам конденсатора приложено напряжение с частотой 50 Гц, постоянно повышающееся. При каком значении напряжения произойдет разряд в воздушном зазоре? Как изменится величина этого напряжения, если воздух в зазоре будет заменен элегазом?

Рис. 1. Зависимость воздуха от расстояния между электродами в однородном поле

Рис. 2. Зависимость электрической прочности

Решение: Напряжение пробоя для слоя воздуха мм определяем по рис. 2 МВ/м.

В = 4,1 кВ.

Электрическая прочность элегаза () в 2,5 раза выше, чем у воздуха кВ.

Электрическая прочность стекла по табл. 4-1 [1]. МВ/м.

•10⁶ МВ = 2000 кВ.

Пробивное напряжение для конденсатора с воздухом будет состоять из электрической прочности стекла и воздуха то есть:

кВ.

Пробивное напряжение для конденсатора с элегазом () будет состоять из электрической прочности стекла и воздуха то есть:

кВ.

Вопрос. В чем заключается отличие лаков от компаундов? Для чего применяются те и другие в электроизоляционной технике?

Ответ:

1. Лаки. Это коллоидные растворы смол, битумов, высыхающих масел, составляющие так называемую лаковую основу в летучих растворителях. При сушке лака растворитель улетучивается, а лаковая основа переходит в твердое состояние, образуй (в тонком слое) лаковую пленку.

По применению электроизоляционные лаки разделяются на три группы: пропиточные, покровные и клеящие.

Пропиточные лаки служат для пропитки пористой, и в частности волокнистой, изоляции (бумага, картон, пряжа, ткань, изоляция, обмоток электрических машин и аппаратов). После пропитки поры в изоляции оказываются заполненными уже не воздухом, а высохшим лаком, имеющим значительно более высокую электрическую прочность и теплопроводность, чем воздух. Поэтому в результате пропитки повышается пробивное напряжение, увеличивается теплопроводность (это важно для отвода тепла потерь), уменьшается гигроскопичность, улучшаются механические свойства изоляции. После пропитки органическая волокнистая изоляция в меньшей мере подвергается окисляющему, влиянию воздуха, а потому ее нагревостойкость повышается.

Покровные лаки служат для образования механически прочной, гладкой, блестящей, влагостойкой пленки на поверхности твердой изоляции (часто - на поверхности предварительно пропитанной пористой изоляции). Такая пленка повышает напряжение поверхностного разряда и поверхностное сопротивление изоляции, создает защиту лакируемого изделия от действия влаги, растворителей и химически активных веществ, а также улучшает внешний вид изделия и затрудняет приставание к нему загрязнений.

Клеящие лаки применяются для склеивания между собой твердых электроизоляционных материалов (пример: клейка листочков расщепленной слюды при изготовлении миканитов) или для приклеивания их к металлу. Помимо высоких электроизоляционных свойств и малой гигроскопичности (общие требования для всех электроизоляционных лаков), клеящие лаки должны обеспечивать особо высокую адгезию к склеиваемым материалам.

2. Компаунды. Компаунды отличаются от лаков отсутствием в их составе растворителя. Они состоят из различных смол, битумов, восков, масел и др.; если компаунд в исходном состоянии тверд, его перед употреблением нагревают до необходимой температуры, чтобы получить массу достаточно низкой вязкости.

По применению компаунды делятся на две основные группы.

Пропиточные компаунды, назначение которых аналогично назначению пропиточных лаков.

Заливочные компаунды служат для заполнения сравнительно больших полостей, промежутков между различными деталями в электрических машинах и аппаратах, а также для получения сравнительно толстого покрытия на тех или иных электротехнических деталях, узлах, блоках. Применение заливочных компаундов преследует цели защиты изоляции от увлажнения и от действия химически активных веществ, увеличения разрядного напряжения, улучшения условий отвода тепла и пр.

Вопрос. Перечислите известные вам эластомеры, их особенности и электрофизические свойства. Где они применяются?

Ответ: Полимеры, которые при нормальной температуре подвержены большим обратимым деформациям растяжения (до многих сотен процентов), называются эластомерами. Эластомерами являются все каучуки и резины. На основе каучука получают также твердые резины, которые имеют относительное удлинение на разрыв всего несколько процентов (2-6 %). Такими являются пластмассы на основе каучука.

Каучуки бывают натуральные и искусственные (синтетические).

Натуральный каучук (НК) получают из млечного сока (латекса) тропических растений гевеи, каучуконосных кустарников кок-сагыз и др. По химическому составу он представляет собой полимерный углерод, имеющий структуру, которая характеризуется наличием двойных связей:

Высокая эластичность каучука связана с зигзагообразной формой цепочек его молекул. При действии на каучук растягивающего усилия форма цепочки приближается к прямоугольной. В естественном состоянии каучук - аморфное вещество, а в растянутом состоянии имеет упорядоченное расположение молекул, характерное для кристаллических тел. После снятия растягивающего усилия каучук снова приобретает аморфное состояние. Натуральный каучук неполярен. Он легко растворяется в эфире, бензине, минеральных маслах; не растворяется в воде; при нагревании до температуры 90°С размягчается, а при температуре ниже нуля становится твердым и хрупким.

Сырьем для синтетических каучуков (СК) служат спирт, попутные продукты нефтедобычи, природного газа и нефтепереработки. Наиболее близкими по свойствам к натуральному каучуку являются синтетические каучуки углеводородного состава: бутадиеновый (СКВ), бутадиенстирольный (СКС), бутилкаучук. В промышленности синтезируют изопреновый (СКИ), полихлоропреновый, полисилоксановый каучуки.

Синтетические каучуки подразделяются на каучуки общего назначения (универсальные) и специального назначения {теплостойкие, морозостойкие, маслостойкие, кислотоупорные и др.).

Бутадиеновый каучук (СКБ) получают полимеризацией бутадиена в присутствии катализатора. компаунд эластомер диэлектрик германий

Недостатком является малая клейкость, что препятствует изготовлению из него электроизоляционной резины. Применяют для изготовления эбонитовых изделий и оболочек кабелей.

Бутадиенстирольный каучук (СКС) получают эмульсионной полимеризацией стирола и бутадиена при температуре 50°С. Этот каучук имеет хорошие диэлектрические свойства, хорошо сопротивляется тепловому старению и действию многократных деформаций.

Бутилкаучук получают при совместной полимеризации изобутилена и изопрена. Он обладает высокой механической прочностью, хорошей химической стойкостью, газонепроницаемостью, стойкостью к тепловому старению, озоностойкостью. Применяют для изготовления электро-изоляционных резин.

Изопреновый каучук (СКИ) получают полимеризацией изопрена в присутствии катализатора (лития или его соединений). Является заменителем натурального каучука и относится к группе каучуков общего назначения. Он обладает более высокой механической прочностью и эластичностью, чем остальные синтетические каучуки, но меньшей клейкостью, чем натуральный.

Полихлоропреновый каучук обладает следующими свойствами:

- высокая механическая прочность, близкая к натуральному каучуку; повышенная стойкость к действию нефтяных масел и технических растворителей;

- высокая стойкость к воздействию света и озоностойкость;

- по электрическим свойствам уступает другим синтетическим каучукам.

Применяют для защитных оболочек кабелей, которые по влагостойкости не уступают свинцовым.

Полисилоксановый каучук получают на основе кремнийорганических соединений. Он имеет хорошие диэлектрические свойства, высокие термо- и морозостойкость; светостойкость и озоностойкость; растворяется в углеродах, концентрированных кислотах и щелочах. Применяют для изготовления прокладок и изоляции.

Натуральный и синтетический каучуки в чистом виде не используются, так как имеют ряд недостатков, к которым относятся малая стойкость к действию повышенных и пониженных температур и растворителей, малая прочность при растяжении, большое водопоглощение.

Для устранения этих недостатков каучук подвергают вулканизации, которая состоит в нагревании каучука предварительно введенными вулканизирующими веществами (сера, металлический натрий, перекись бензола и др.). Под влиянием повышенной температуры в каучуке происходит частичный разрыв двойных связей цепочных молекул и их "сшивание" через атомы серы. В зависимости от количества введенной серы получают различные продукты. При содержании серы 1-3 % получают мягкую эластичную резину, а при 30-35 % - пластмассы на основе каучука (твердую резину).

Вопрос. Сопротивление провода при температурах 2° и 100 °С равно соответственно 6,1 и 9,0 Ом. Определите среднее значение температурного коэффициента сопротивления этого провода и укажите, какому металлу оно соответствует. Чему равно сечение провода, если его длина 1000 м? Изменением размеров провода при изменении температуры пренебрегите

Дано:

Ом, Ом, С, С, м.

Решение:

Сопротивление провода определяем по формуле:

и

,

, ,

Далее воспользуемся формулой: ,

.

- среднее значение температурного коэффициента сопротивления, согласно табл. 7-1 [1, с. 220]провод выполнен из металла цезия, удельное сопротивление которого при температуре С.

мкОм·м = 0,21 Ом·мм?/м (мкОм·м).

Рассчитаем удельное сопротивление при 100 °С.

Ом·мм?/м.

Сечение провода: мм?.

Вопрос. Укажите основные свойства и область применения германия

Ответ: Кристаллический германий - твердый, хрупкий материал с характерным металлическим блеском - относится к IV группе Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Кристаллизуется в виде кубической решетки типа алмаза с постоянной Нм. Он обладает следующими свойствами.

Атомная масса , число атомов в единице объема составляет . Ширина запретной зоны при комнатной температуре эВ, при температуре 300 К эВ. Следовательно, рабочая температура полупроводниковых приборов на основе германия ниже, чем на основе кремния, и не превышает 80°С.

Концентрация собственных носителей заряда . Собственное удельное электрическое сопротивление Ом·м. Электропроводность германия зависит от температуры. При низких температурах ( К) и высоких давлениях ( ГПа) германий переходит в сверхпроводящее состояние. Подвижность носителей заряда в слаболегированном германии при комнатной температуре сравнительно высока и составляет м?/(В·с) для электронов и м?/(В·с) для дырок. Это позволяет использовать его для изготовления высокочастотных диодов и транзисторов.

Плотность при комнатной температуре г/см?. Температура плавления германия ниже, чем кремния, и составляет С. При плавлении плотность скачкообразно увеличивается примерно на 4,7 %, т.е. до г/см?, что связано с изменением межатомного расстояния при переходе германия из твердого состояния в жидкое.

Монокристаллический германий для полупроводниковых приборов и эпитаксиальных структур выпускается в виде слитков диаметром мм. Маркировка германия ГЭС-3 имеет следующую расшифровку: Г - германий; Д или Э - тип проводимости (дырочный, электронный); третья буква обозначает легирующую примесь (С - сурьма, 3 - золото, Г - галлий); цифра, стоящая после букв, указывает удельное электрическое сопротивление.

Основными соединениями германия являются моноокись, двуокись и тетрахлорид германия.

Вопрос. Какими процессами определяется электропроводность ферритов?

Ответ: Ферриты представляют собой, как правило, твердые растворы нескольких простейших соединений, в том числе и немагнитных. Так, например, общая формула широко распространенных никель-цинковых ферритов имеет следующий вид:

,

где коэффициенты т, п, р определяют количественные соотношения между компонентами.

Технологический процесс производства ферритовых изделий сводится к тому, что предварительно получают ферритовый порошок, состоящий из тонко измельченных, тщательно перемешанных и предварительно обожженных окислов соответствующих металлов. В него добавляют пластификатор - обычно раствор поливинилового спирта, и из полученной массы прессуют под большим давлением изделия требуемой формы. Изделия подвергают обжигу при температуре 1100-1400 °С. При этом, происходит спекание и образование твердых растворов ферритов.

Таким образом, как по составу, так и по происхождению ферриты не являются металлами, а представляют собой магнитную керамику с незначительной электронной проводимостью. Вследствие этого ферриты имеют большое удельное сопротивление, превышающее удельное сопротивление железа в раз. Относительно небольшие потери энергии в области повышенных и высоких частот наряду с достаточно высокими магнитными свойствами обеспечили ферритам самое широкое применение в изделиях радиоэлектронной промышленности.

Вопрос. Изобразите наиболее распространенные типы кристаллических решеток

Ответ: Большинству металлов свойственно образование высоко-симметричных решеток с плотной упаковкой атомов, что можно также объяснить наличием в них коллективизированных электронов (чем теснее атомы примыкают друг к другу, тем легче перескок электронов от одного атома к другому).

Существенной характеристикой кристаллической структуры является также число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку - базис решетки.

Элементарную кристаллическую решетку простой кубической формы образуют восемь атомов, находящихся во всех вершинах куба. Но каждый атом внутри тела принадлежит одновременно восьми кристаллическим решеткам, следовательно, на каждую кристаллическую решетку от данного атома "приходится" 1/8 часть. Таким образом, на построение одной элементарной кубической ячейки расходуется один атом. На образование объемно-центрированной кубической (о.ц.к.) решетки идет два атома, так как атом, расположенный в центре куба, принадлежит полностью одной ячейке. Гранецентрированную кубическую (г.ц.к.) решетку образуют четыре атома - один от атомов, расположенных в вершинах куба, три от атомов, расположенных посередине граней куба (в кубе шесть граней, а каждый атом, расположенный в центре грани, принадлежит одновременно двум ячейкам). На элементарную ячейку гексагональной плотноупакованной решетки приходится шесть атомов - три, лежащих внутри призмы, принадлежат только данной ячейке, два атома, лежащих в центре шестиугольников, входят в две соседние ячейки ( атом) и два; атома из 12, образующих вершины призмы и принадлежащих шести соседним ячейкам ( атома).

Рис. 1. Расположение атомов в элементарных ячейках: а - объемноцентрированная кубическая (Cr, , V, , Na, Mo, W); б - гранецентрированная кубическая (Ni, Си, Al, Ag, ); в - гексагональная плотноупакованная (Mg, Zn, Be, Cd, )

Кристаллические решетки принято характеризовать также координационным числом, которое указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке (рис. 1).

Координационное число простой кубической решетки равно 6 (Кб), объемно-центрированной кубической 8 (К 8), гранецентрированной кубической и гексагональной плотноупакованной 12 (К 12, Г 12).

Чем выше координационное число, тем больше плотность упаковки атомов в элементарной ячейке.

Литература

1. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. - Л., Энергия, 1977.

2. Журавлева Л.В. Электроматериаловедение. - М., 2000.

3. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. Санкт-Петербург, 2001.

4. Справочник по электротехническим материалам. Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. Т. 1, 2. - М., Энергоатомиздат, 1985, 1987.

Размещено на Allbest.ru

...