Основы механики
Классификация веществ по электрическим и магнитным свойствам. Общая характеристика явления пробоя и его виды. Химические свойства диэлектриков и воздействие на материалы излучений высокой энергии. Реакция основных внешних факторов на электропроводность.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | лекция |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 10.01.2014 |
| Размер файла | 1,7 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Масляные лаки применяют для производства светлых лакотканей и лакобумаг, а также для пропитки обмоток электрических машин и аппаратов; в частности, они могут быть использованы для пропитки обмоток маслозаполненных трансформаторов, так как запеченная пленка этих лаков маслостойка.
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.
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.
В кабельной технике большое значение имеют кабельные компаунд. К ним относятся: а) пропиточные компаунды (пропиточные кабельные массы), служащие для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей и изготовляющиеся из нефтяного масла, к которому для повышения вязкости добавляют канифоль или синтетические смолы; б) заливочные компаунды (заливочные кабельные массы), применяются для заливки соединительных, ответвительных и концевых муфт. Заливка компаундов разделанных концов кабелей и повышение пробивных напряжений между отдельными разделанными жилами кабеля и между жилами и корпусом муфты.
Сушка и пропитка изоляции. Перед пропиткой изоляция должна быть тщательно просушена, иначе содержащейся в ней влага будет закупорена пропитывающим составом в порах и в дальнейшем будет вредно влиять на свойства пропитанной изоляции. После пропитки или покрытия лаками необходима вторая сушка для удаления растворителя, а в мореактивного компаунда термообработка требуется и для его отверждения; после пропитки или заливки термопластичными компаундами последующий нагрев не нужен.
Более совершенный способ компаундирования состоит в том, что изделия сперва подвергаются вакуумной сушке для возможно лучшего удаления как паров воды, так и следов воздуха, а затем в том же резервуаре (чтобы в поры вакуумированного изделия не проник воздух) пропитываются компаундов под давлением, чтобы принудительно загнать компаунд в поры изоляции.
Волокнистые материалы. В электротехнике весьма широко применяются волокнистые материалы, т. е. материалы, которые состоят преимущественно (или целиком) из частиц удлиненной формы - волокон. Преимущество многих волокнистых материалов: дешевизна, довольно большая механическая прочность и гибкость, удобство обработки. Недостатками их являются невысокая электрическая прочность и теплопроводность (из-за наличия промежутков между волокнами, заполненными воздухом); гигроскопичность - более высокая, чем у массивного материала того же химического состава (так как развитая поверхность волокон легко поглощает влагу, проникающую в промежутки между ними). Свойства волокнистых материалов могут быть существенно улучшены путем пропитки, почему эти материалы в электрической изоляции обычно применяют в пропитанном состоянии.
Дерево - благодаря своей распространенности, дешевизне и легкости механической обработки дерево явилось одним из первых электроизоляционных и конструкционных материалов, получивших применение в электротехнике. Дерево обладает неплохими механическими свойствами, в особенности если учесть его легкость: прочность дерево, отнесенная не к геометрическим размерам, а к массе, не ниже, чем у стали. Прочность дерево в различных направлениях различна: прочность поперек волокон меньше, чем вдоль; плохо работает дерево на раскалывание вдоль волокон.
Дерево в электротехнике применяется для изготовления штанг приводов разъединителей и масляных выключателей, рукояток рубильников, опорных и крепежных деталей трансформаторов высокого и низкого направления, пазовых клиньев электрических машин, фанерного шпона для производства клеевых материалов, деревянных опор линий электропередачи и связи и т. д.
Бумаги и картоны - это листовые и рулонные (ролевые) материалы коротковолокнистого строения, состоящие в основном из целлюлозы. Для производства бумаг обычно применяют древесинную целлюлозу. Для изготовления бумаги механически обработанная (размолотая) целлюлоза с большим количеством воды отливается сплошным слоем на движущуюся бесконечную сетку бумагоделательной машины. Прочность бумаги при растяжении больше в направлении вдоль рулона, т. е. вдоль длины сетки бумажной машины, чем поперек, так как вероятность ориентации волокон вдоль рулона больше, чем поперек него. Прочность также зависит от влажности бумаги: как слишком сухая, так и увлажненная бумага имеет пониженную механическую прочность.
Картоны в основном отличаются от бумаг большей толщиной. Электроизоляционные картоны изготавливаются в двух типов: воздушные - более твердые и упругие, предназначенные для работы на воздухе (прокладки для пазов электрических машин, каркасы, шайбы и пр.), и масляные - более рыхлой структуры и более мягкие, предназначенные в основном для работы в трансформаторном масле. Масляные картоны хорошо пропитываются маслом и в пропитанном виде имеют высокую электрическую прочность. Электроизоляционные картоны изготавливаются из древесной или хлопковой целлюлозы.
Классификация и основные свойства проводниковых материалов
В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкие, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими, практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы. Из металлически проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокой проводимости, при нормальной температуре удельное сопротивление не более 0,05 мкОм*м и сплавы высокого сопротивления удельное сопротивление не менее 0,3 мкОм*м. Металлы высокой проводимости используются для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин, трансформаторов и т.п. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т.п. Особый интерес представляют обладающие чрезвычайно малым удельным сопротивлением при весьма низких (криогенных) температурах материалов - сверхпроводники и криопроводники.
К жидким проводникам относятся расплавленные металлы, для большинства металлов температура плавления высока, только ртуть имеющая t0 плавления -390С может быть использована в качестве жидкого металлического проводника при нормальной температуре. Другие металлы являются жидкими проводниками при повышенной температуре.
Механизм прохождения тока в металлах - как в твердом, так и в жидком состоянии - обусловлен движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля, поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью.
Все газы и пары, в том числе пары металлов при пониженных напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с электронной и ионной проводимостью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.
Электропроводность металлов
Классическая электрическая теория металлов представляет твердый проводник в виде системы, состоящей из узлов кристаллической ионной решетки, внутри которой находиться электрический газ из коллективизированных свободных электронов. При столкновениях электронов с узлами кристаллической решетки энергия, накопленная при ускорении электронов в электрическом поле, передается металлической основе проводника, вследствие чего нагревается. Электрическая теория металлов дала возможность аналитически объяснить связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов:
1. При длительном пропускании электрического тока через цепь из металлических проводников нет проникновения атомов одного металла в другой.
2. При нагреве до высоких температур скорость теплового движения свободных электронов увеличивается, и наиболее быстрые могут, вылетать из металла, преодолевая силы поверхностного потенциального барьера
3. В момент неожиданной остановки, быстро двигающего проводника происходит смещение электронного газа по закону инерции в направлении движения, что приводит к разности потенциалов на концах проводника.
4. Исследуя поведение металлических проводников в магнитном поле, установили, что вследствие искривления траектории электронов в металлической пластинке, помещенной в поперечное магнитное поле, появляется поперечная э. д. с. и изменяется электрическое сопротивления проводника.
Основные свойства металлов: пластичность, ковкость, хорошая теплопроводность, высокая электропроводность. При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления (у тех металлов, у которых при плавлении увеличивается объем, уменьшается плотность), и, наоборот, у металлов, уменьшающих свой объем при плавлении - галлия, висмута, сурьмы - удельное сопротивление уменьшается.
Контрольные вопросы:
1. Классификация электроизоляционных материалов.
2. Классификация и основные свойства проводниковых материалов.
3. Электропроводность металлов.
Конспект лекции № 6
Материалы высокой проводимости
К наиболее широко распространенным материалам высокой проводимости следует отнести медь и алюминий.
Медь. Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:
1) малое удельное сопротивление (из всех металлов только серебро имеет несколько меньшее удельное сопротивление, чем медь);
2) достаточно высокая механическая прочность;
3) удовлетворительная стойкость к коррозии (медь окисляется на воздухе даже при высокой влажности значительно медленнее, чем например, железо; однако при повышенных температурах происходит интенсивное окисление меди.
4) хорошая обрабатываемость листы, ленты, проволока, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра.
5) относительная легкость пайки и сварки.
Медь марки М1 содержит 99.9% Cu, примеси 0.1%, где кислород не более 0.08%. В М0 содержится 0.05% примеси , в том числе не более 0.02% кислорода. Эта марка имеет лучшие механические свойства. Из М0 может быть изготовлена тонкая проволока. При холодной протяжки получают твердую медь (МТ), которая имеет высокий предел прочности при растяжении, твердость, упругость при изгибе.
Если Cu подвергать обжигу, то получим мягкую медь (ММ), которая имеет малую твердость и небольшую прочность, но весьма большое удлинение при разрыве, более высокую удельную проводимость. Медные сплавы бронзы; при определенном составе имеют более высокие механические свойства, чем чистая медь.
Алюминий - легкий материал с малой плотностью (около 2.6 Мг/м3). Алюминий в 3.5 раза легче Cu. Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью механическими и электрическими свойствами. Для перевода алюминия в расплавленное состояние требуются большие затраты теплоты, чем для меди.
При одинаковых сечении и длине, электрическое сопротивление алюминиевого провода больше, чем у медного на 1.63 раза. Следовательно при одинаковом электрическом сопротивлении, сечение алюминиевого провода должно быть больше в 1.63 раза, чем у медного провода. Если габариты ограничены, замена затруднена. Хоть алюминиевый провод и толще, но легче медного почти в два раза. Алюминий делится на несколько марок:
1) марка А1 содержит не более 0.5% примеси;
2) марка АВ00 не более 0.03%;
3) наивысшей чистоты алюминий марки АВ0000 содержит 0.004% примесей.
Алюминий активно окисляется, покрываясь тонкой пленкой, которая защищает его от дальнейшей коррозии. Для пайки алюминия применяется, специальные пасты припои или используются ультра звуковые паяльники. Алюминиевые сплавы обладают повышенной механической прочностью.
Железо (сталь) как наиболее дешевый и доступный металл, обладает высокой механической прочностью. Однако даже чистое железо имеет высокое удельное сопротивление (около 0.1 мкОм/м). Сталь используют для проводов воздушных линий, в виде шин, рельсов, электрических железных дорог.
Сверхпроводники и криопроводники
При понижении температуры удельное сопротивление с металлических проводников уменьшается. Интерес представляют электропроводность металлов при весьма низких (криогенных) температурах, приближающихся к абсолютному нулю. Нидерландский физик Х. Камерлинг - Оннес в 1911 году обнаружил, что при охлаждении до температуры снижения гелия около 4,2 К сопротивление кольца из замороженной ртути резким скачком падает до чрезвычайно малого, практически не могущего быть измеренным значения. Такое явление, т.е. наличие у вещества практически бесконечной удельной проводимости, было названо сверхпроводимостью, Тс - температура сверхпроводящего перехода, а вещества - сверхпроводниками. Этот переход является обратимым; при повышении температуры до Тс сверхпроводимость нарушается и вещество переходит в нормальное состояние с конечным значением удельной проводимости г.
Явление сверхпроводимости связано с тем, что электрический ток, однажды наведенный в сверхпроводящем контуре, будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы, и притом без всякого подвода энергии извне ( конечно, если не учитывать неизбежного расхода энергии на работу охлаждающего устройства, которое должно поддерживать температуру сверхпроводящего контура ниже значения Тс, характерного для данного сверхпроводникового материала); такой сверхпроводящий контур создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, подобно постоянному магниту.
Большинство известных сверхпроводников, даже и сверхпроводников 2-го рода, имеет все же весьма низкую температуру перехода Тс. Поэтому устройства, в которых используется явление сверхпроводимости, обычно работают при охлаждении жидким гелием, что сложно и дорого. Было бы неплохо иметь сверхпроводники с Тс выше температуры снижения водорода (20,3 К). Совершенно исключительные возможности дали бы материалы, сохраняющие состояние сверхпроводимости при нормальной или ещё более высоких температурах. Наиболее высокую Тс из всех известным элементарных сверхпроводников имеет ниобий, а из всех широко применяемых - станнид ниобия Nb3Sn. Поиски «тёплых» сверхпроводников усиленно продолжаются.
Криопроводники. В современной электротехнике всё шире используется явление криопроводимости (прежнее название - гиперпроводимость), т.е. достижение металлами весьма малого значения удельного сопротивления при криогенных температурах (но без перехода в сверхпроводящее состояние). Металлы, обладающие таким свойством, называются криопроводниками.
Очевидно, что физическая сущность криопроводимости не сходна с физической сущностью явления сверхпроводимости. Криопроводимость - частный случай нормальной электропроводности металлов в условиях криогенных температур.
Весьма малое, но всё же конечное значение с криопроводников ограничивает допустимую плотность тока в них. Криопроводники, у которых при изменении температуры в широком диапазоне с меняется плавно, без скачков, не могут использоваться в устройствах, действие которых основано на триггерном эффекте возникновения и нарушения сверхпроводимости (например, в сверхпроводниковых запоминающих устройствах). Не обнаруживаются при криопроводимости и другие, специфические для сверхпроводников явления, такие как эффект Майснера - Оксенфельда и др.
Общие сведения о полупроводниках
Большая группа веществ с электронной электропроводностью, удельное сопротивление которых при нормальной температуре лежит между удельными сопротивлениями проводников и диэлектриков, может быть отнесена к полупроводникам. Электропроводность полупроводников в сильной степени зависит от внешних энергетических воздействий, а так же от различных примесей, иногда в ничтожных количествах присутствующих в теле собственного полупроводника.
Управляемость электропроводностью полупроводников температурой, светом, электрическим полем, механическими усилиями положена соответственно в основу принципа действия терморезисторов (термисторов), фоторезисторов, нелинейных резисторов (варисторов), тензорезисторов и т.д.
Наличие у проводников двух типов электропроводности - «электронной» (n) и «электронно-дырочной» (p) позволяет получить полупроводниковые изделия с p-n-переходом.
При существовании в полупроводнике p-n-перехода возникает запрещающий слой, которым обуславливается выпрямительный эффект для переменного тока. Наличие двух и более взаимно связанных переходов позволяет получить управляемые системы - транзисторы.
На использовании возможностей p-n-переходов основаны важнейшие применения полупроводников в электротехнике. Сюда относятся различные типы как мощных, так и маломощных выпрямителей, усилителей и генераторов. Полупроводниковые системы могут быть с успехом использованы для преобразования различных видов энергии в энергию электрического тока с такими значениями коэффициента преобразования, которые делают их сравнимыми с существующими преобразователями других типов, а иногда и превосходящими их.
Примерами полупроводниковых преобразователей могут служить солнечные батареи (с к.п.д. порядка 11%). При помощи полупроводников можно получить и охлаждение на несколько десятков градусов.
Использующиеся в практике полупроводниковые материалы могут быть подразделены на простые полупроводники (элементы); полупроводниковые химические соединения и полупроводниковые комплексы (например, керамические полупроводники); стеклообразные и жидкие полупроводники.
Простых полупроводников существует около десяти, они приведены в таблице. В современной техники особое значение получили германий, кремний и селен.
Таблица 1 Простые электронные полупроводники
|
Элемент |
Группа в таблице Менделеева |
Ширина запрещенной зоны, эВ |
Элемент |
Группа в таблице Менделеева |
Ширина запрещенной зоны, эВ |
|
|
Бор В |
III |
1,1 |
Мышьяк As |
V |
1,2 |
|
|
Кремний Si |
IV |
1,12 |
Сера S |
VI |
2,5 |
|
|
Германий Ge |
IV |
0,72 |
Селен Se |
VI |
1,7 |
|
|
Фосфор P |
V |
1,5 |
Теллур Te |
VI |
0,36 |
|
|
Йод I |
VII |
1,25 |
Примечание. В некоторых модификациях свойствами полупроводников обладают еще олово (серое), сурьма и углерод.
Изготовленные из полупроводниковых материалов приборы обладают целым рядом преимуществ, к ним относятся:
1) большой срок службы;
2) малые габариты и вес;
3) простота и надежность конструкции, большая механическая прочность (не боятся тряски и ударов);
4) полупроводниковые приборы, заменяющие электронные лампы, не имеют цепей накала, потребляют незначительную мощность и обладают малой инерционностью;
5) при освоении в массовом производстве они экономически целесообразны.
Контрольные вопросы:
1. Проводниковые материалы.
2. Материалы высокой проводимости. Сверхпроводники и криопроводники.
3. Общие сведения о полупроводниках.
Конспект лекции № 7
Электропроводность полупроводников
Собственные полупроводники. Для полупроводников характерно наличие не очень широкой запрещенной зоны в энергетической диаграмме. Ширина запрещенной зоны элементов в электрон-вольтах приведена в таблице. Для наиболее широко используемых полупроводников она составляет 0,5 - 2,5 эВ.
Рисунок 5 Влияние примесей на энергетическую диаграмму полупроводников: а - собственный полупроводник; б - полупроводник с донорной примесью, электропроводность электронная (n-типа); в - полупроводник с акцепторной примесью, электропроводность дырочная (р-типа).
На рисунке, а приведена энергетическая диаграмма для собственного полупроводника, т.е. такого, у которого электроны в зону свободных энергетических уровней могут поставляться только из валентной зоны. Распределение электронов по уровням энергии, изображенное на рисунке, а, соответствует некоторой температуре, при которой в зону проводимости перешло несколько электронов, образовав в валентной зоне соответствующие число дырок. Так как при каждом акте возбуждения в собственном проводнике одновременно создаются два носителя заряда противоположных знаков, то общее количество носителей заряда будет в два раза больше числа электронов в зоне проводимости т.е:
(1.16)
Индекс i у концентрации электронов и концентрации дырок означает, что это собственные носители зарядов. В рассматриваемом нами случае удельная проводимость
(1.17)
В результате наличия процессов возбуждения и рекомбинации при любой температуре тела устанавливается равновесная концентрация возбужденных носителей:
электронов:
(1.18)
дырок:
(1.19)
где ?щ - ширина запрещенной зоны полупроводника; Nc - число энергетических уровней в единице объема полупроводника в свободной зоне (зоне проводимости); Nb - то же, в валентной зоне. Коэффициент 2 показывает, что на каждом уровне могут находиться два электрона.
Подвижности электронов и дырок неодинаковы. Электроны и дырки обладают различной инерционностью при движении в поле кристаллической решетки полупроводника, т.е. они отличаются различными эффективными массами mn* и mp*. В большинстве случаев mn* < mp*. Отсюда собственная электропроводность полупроводников имеет слабо преобладающий электронный характер.
Примесные полупроводники. Для большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники. Поэтому в практике важное значение имеют полупроводники, у которых ощутимая концентрация собственных носителей заряда появляется при возможно более высокой температуре, т. е. полупроводники с достаточно широкой запрещенной зоной. В рабочем интервале температур поставщиками свободных носителей заряда являются примеси.
Примесями в чужеродных полупроводниках служат чужеродные атомы. Кроме того, роль примесей играют всевозможные дефекты кристаллической решетки: пустые узлы, атомы или ионы, оказавшиеся в междоузлии решетки, дислокации или сдвиги, возникающие при пластической деформации кристалла, микротрещины и т.д. Если примесные атомы находятся в узлах кристаллической решетки, то они называются примесями замещения, если в междоузлиях - примесями внедрения.
Доноры. Заполненные при отсутствии внешних энергетических воздействий (тепло, свет) примесные уровни, расположенные в запрещенной зоне около зоны проводимости.
При этом энергия активации примесных атомов меньше, чем ширина запрещенной зоны основного полупроводника, а потому при нагреве тела переброс электронов примеси будет опережать возбуждение электронов решетки.
Положительные заряды, возникшие у отдаленных друг от друга примесных атомов остаются локализованными, т.е. не могут блуждать по кристаллу и участвовать в электропроводности. Полупроводник с такой примесью имеет концентрацию электронов, большую, чем концентрацию дырок, появившихся за счет перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, и его называют полупроводником n-типа, а примеси, поставляющие электроны в зону проводимости - донорами.
Акцепторы. Другие примеси могут внести незаполненные уровни, располагающиеся в запрещенной зоне основного полупроводника вблизи валентной зоны. Тепловое возбуждение будет в первую очередь забрасывать электроны из валентной зоны на эти примесные уровни.
Ввиду разобщенности атомов примеси электроны, заброшенные на примесные уровни, не участвуют в электрическом токе. Такой полупроводник будет иметь концентрацию дырок, большую, чем концентрация электронов, перешедшую из валентной зоны в зону проводимости, и его относят к р-типу. Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называют акцепторами.
Основные и неосновные носители заряда. Те носители, концентрация которых в данном полупроводнике больше, носят название основных, а те, концентрация которых меньше, - неосновных.
Так в полупроводнике n-типа электроны являются основными носителями, а дырки - неосновными. В полупроводнике р-типа основные носители - дырки, а неосновные - электроны. Примесная электропроводность для своего появления требует меньших энергетических воздействий (сотые или десятые доли электрон-вольта), чем собственная, поэтому она обнаруживается при более низкой температуре, чем собственная электропроводность полупроводника.
Воздействие внешних факторов на электропроводность полупроводников
Температурная зависимость концентраций носителей заряда. При росте температуры наблюдается быстрый рост концентрации носителей заряда вследствие перехода электронов через запрещенную зону. Подвижность носителей заряда в полупроводниках с атомной решеткой больше, чем в ионных кристаллах.
Удельное сопротивление полупроводников находим, как:
, (1.20)
щ - энергия активации примесной электропроводности полупроводника при различной концентрации примеси; ?W - ширина запрещенной зоны данного полупроводника.
С повышением температуры число свободных электронов в полупроводнике возрастает, а с понижением температуры до абсолютного нуля - убывает вплоть до нуля. Таким образом, электропроводность веществ при различных температурах может быть существенно различной. Процесс термогенерации - это рост числа электронов, с повышением температуры переходящих из валентной зоны в свободную.
Процесс перехода электрона в свободное состояние сопровождается обратным явлением, т.е. возвратом электронов в валентную зону. Этот процесс называется рекомбинация.
В результате при постоянной температуре в веществе наступает равновесие, т.е. число электронов переходящих в свободную зону равно числу электронов возвращающихся в валентную зону. Энергию, необходимую для перехода электронов в свободное состояние или для образования дырок (освободившееся после ухода электрона из валентной зоны вакантное место), может доставить не только тепловое движение, но и другие источники энергии: свет, поток электронов и ядерных частиц, электронные и магнитные поля, механические воздействия и т.д.
Воздействие света на электропроводность полупроводников. Световая энергия, поглощаемая полупроводниками, вызывает появление в нем избыточного (по сравнению с равновесным при данной температуре) количество носителей зарядов, приводящего к возрастанию электропроводности. Фотопроводимость - это увеличение электрической проводимости под воздействием электромагнитного излучения. Процесс перехода электрона из зоны проводимости в валентную зону, на имеющийся свободный уровень называют прямой рекомбинацией. Разность энергии при этом выделяется в виде кванта электромагнитного излучения или в виде механический колебаний кристаллической решетки. Рекомбинационная ловушка - это на первой ступени процесса электрон захватывается незанятым уровнем ловушки, который находится в запрещенной зоне. В этом состоянии ловушка находится до тех пор, пока к ней не подойдет дырка - осуществляется вторая ступень рекомбинации.
Элементы по свойствам полупроводников
Германий. Содержание германия в земной коре 7*10-4 %. Рабочий диапазон Ge - приборов от -60 до +700 С, при повышении температуры до верхнего предела прямой ток увеличивается в два раза, а обратный ток - в три раза. При охлаждении до 50-600 С прямой ток падает на 70-75%. Германиевые приборы должны быть защищены от влажности. Применяется для изготовления выпрямителей, транзисторов, фотоприборов, оптических линз и фильтров. Ширина запрещенной зоны германия ?W = 0,72 эВ.
Кремний. Содержится около 26% в земной коре. Является основным элементом для изготовления диодов, транзисторов, фотоэлементов и твердых схем микроэлектроники. Верхний предел температуры в зависимости от степени очистки 120-200?С. Ширина запрещенной зоны кремния ?W = 1,12 эВ.
Контрольные вопросы:
1. Электропроводность полупроводников.
2. Воздействие внешних факторов на электропроводность полупроводников.
3. Элементы со свойствами полупроводников.
Конспект лекции № 8
Общие сведения о магнитных свойствах материалах
В веществах с самопроизвольной поляризацией имеются отдельные области - домены; обладающие электрическим моментом ещё в отсутствие внешнего поля. Однако ориентация электрических моментов в разных доменах различна.
Наложение внешнего поля способствует преимущественной ориентации в направлении поля, что даёт очень сильную поляризацию. В качестве магнитных материалов техническое значение имеют ферромагнитные вещества и ферромагнитные химические соединения (ферриты). Ферромагнетик -- кристаллическое вещество, в котором результирующие магнитные моменты каждого из доменов отличны от нуля. Антиферромагнетик -- кристаллическое вещество, в котором результирующие магнитные моменты каждого из доменов равны нулю. Ферримагнетик -- кристаллическое вещество, магнитную структуру которого можно представить в виде двух или более подрешеток, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов отличны от нуля. Магнитные свойства материалов обусловлены внутренними скрытыми формами движения электрических зарядов, представляющими собой элементарные круговые токи. Такими круговыми токами являются: вращение электронов вокруг собственных осей -- электронные спины и орбитальное вращение электронов в атомах.
Явление ферромагнетизма связано с образованием внутри некоторых материалов ниже определенной температуры (точки Кюри) таких кристаллических структур, при которых в пределах макроскопических областей, называемых магнитными доменами, электронные спины оказываются ориентированными параллельно друг другу и одинаково направленными. Таким образом, характерным для ферромагнитного состояния вещества является наличие в нем самопроизвольной (спонтанной) намагниченности без приложения внешнего магнитного поля. Однако, хотя в ферромагнетике и образуются самопроизвольно намагниченные области, но направления магнитных моментов отдельных доменов получаются самыми различными. Магнитный поток такого тела во внешнем пространстве будет равен нулю.
Монокристаллы ферромагнитных веществ характеризуются магнитной анизотропией, выражающейся в различной лёгкости намагничивания вдоль разных осей. Когда анизотропия в поликристаллических магнитиках выражена достаточно резко, принято говорить, что ферромагнетик обладает магнитной текстурой. Получение заданной магнитной текстуры имеет большое значение и используется в технике для создания в определённом направлении повышенных магнитных характеристик материала.
Процесс намагничивания ферромагнетика под влиянием внешнего магнитного поля: 1) рост тех доменов, магнитные моменты которые составляют наименьший угол с направлением поля, и к уменьшению размеров других доменов и (процесс смещения границ доменов); 2) поворот магнитных моментов направлении внешнего момента поля (процесс ориентации).
Когда рост доменов прекратится, достигает магнитное насыщение, а магнитные домены окажутся ориентированными в направлении поля. Относительная магнитная проницаемость определяется по основной кривой намагничивания как отношение индукции В к напряженности магнитного поля Н в данной точке кривой намагничивания с учетом магнитной постоянно мо =4р*10-7 Гн/м:
(1.21)
Магнитную проницаемость м при H ? 0 называют начальной проницаемостью, определяя ее при очень слабых полях, около 0,1 А/м. Наибольшее значение магнитной проницаемости носит наименование максимальной проницаемости обозначается ммакс. При сильных полях в области насыщения магнитная проницаемость , мr стремится к единице. Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов зависит от температуры, переходя через максимум при температурах, близких к температуре (точке) Кюри. Для чистого железа точка Кюри составляет 768° С, для никеля 358° С, для кобальта 1131° С.
При температурах выше точки Кюри области спонтанного намагничивания нарушаются тепловым движением и материал перестает быть магнитным. Если медленно производить намагничивание ферромагнетика во внешнем магнитном поле, а затем, начиная с какой-либо точки основной кривой намагничивания, начать уменьшать напряженность т. то индукция будет также уменьшаться, но не по основной кривой, а отставанием, вследствие явления гистерезиса. Значение В при Н = 0 с пронес размагничивания образца, намагниченного до насыщения, называется остаточной индукцией Вr. Для того чтобы уменьшить индукцию от значения Вr до нуля, необходимо приложить обратно направленную напряженность поля Нс, называемую задерживающей (коэрцитивной) силой. Материалы с малым значением Нс и большой магнитной проницаемостью называются магнитно - мягкими материалами. Материалы с большой коэрцитивной силой и сравнительной малой проницаемостью называются магнитно-твердыми материалами.
Рисунок 6 Доменные структуры в тонких образцах магнетиков.
Для некоторых кристаллических веществ минимуму потенциальной энергии системы отвечает антипараллельное расположение спиной с некоторым преобладанием одного направления над другим. Эти вещества называют ферромагнетиками. Они имеют доменную структуру, точку Кюри; к ним применимы все характеристики, введенные для ферромагнитных веществ. Ферримагнетиками являются сложные оксидные материалы, получившие в практике название ферритов. Ферримагнетики отличаются от ферромагнетиков меньшей индукцией насыщения, имеют более сложную температурную зависимость и повышенное, а для некоторых материалов и очень высокое, значение удельного сопротивления. Первые два отличия упрощенно могут быть объяснены наличием в структуре сложного материала двух подрешеток, создающих встречные некомпенсированные магнитные потоки, а третье отличие -- тем, что эти материалы не относятся к металлам.
Допустим, что соотношения между ординатами кривых B макс1 и B макс2 при различных температурах для какого-то феррита такие, как это показано на рис. а. Тогда при некоторой температуре ниже точки Кюри получится компенсация, и результирующая индукция насыщения B макс образца станет равной нулю. Эту точку называют точкой компенсации tкомп. За точкой компенсации индукция в образце ферримагнетика меняет знак и затем становится равной напряженности внешнего поля (которое мало и и масштабе чертежа близко к нулю) в точке Кюри. У различных ферримагнетиков точка компенсации может быть, а может и отсутствовать, как это видно, например, из рис. б.
Тонкие магнитные пленки и цилиндрические домены. Особенностью тонких магнитных пленок является то, что при малой толщине их (много меньшей линейных размеров о, 6) направление легкого намагничивания оказывается расположенным в плоскости пленки. Образуются плоские домены, показанные па рис. 9-12, а. Для очень тонких пленок характерна однодоменная структура, для пленок толщиной свыше 10-3--10-2 мм (у различных веществ)-- многодоменная, состоящая из длинных узких доменов (шириной от долей микрометров до нескольких микрометров), намагниченных в противоположных направлениях. Под воздействием внешнего поля вся система полос может перемещаться и поворачиваться, и ее используют, как управляемую дифракционную решетку для света и ближайшего диапазона поли электромагнитного спектра.
В пластинках некоторых ферритов, толщиной около 50 мкм, вырезанных в направлении, перпендикулярном к оси легкого намагничивания, наблюдается так называемая лабиринтная структура доменов (при Н ? 0) с противоположным направлениями намагниченности, нормальными к плоскости рис. б (светлые и тёмные места).
Если пластину поместить во внешнее неизмененное по направлению магнитное поле, перпендикулярное к ее поверхности, и увеличивать напряженность поля, то лабиринтная структура разрывается, и образуются цилиндрические домены (рис. в), диаметр которых при дальнейшем усилении поля уменьшается, пока не будет достигнуто однородное однодоменное намагничивание всей пластинки.
Цилиндрические домены, существующие при определенных значениях напряженности магнитного поля, управляемые полем (возможно, смещение по двум координатам), представляют большой интерес при создании устройств вычислительной техники. Их можно использовать для создания, как запоминающих, так и логических элементов. В двоичной системе «1» может соответствовать наличие домена в определенной точке устройства, а «0» -- его отсутствие. Магнитные элементы с цилиндрическими доменами позволяют осуществлять многофункциональные операции без нарушения однородности материала-носителя.
Магнитно-мягкие материалы
Магнитно-мягкие материалы, обладая высокий магнитной проницаемостью, небольшой коэрцитивной силой и малыми потерями гистерезис, используются в качестве сердечников трансформ, ров, электромагнитов, в измерительных приборах и в других случаях, где необходимо при наименьшей затрате энергии достичь наибольшей индукции.
Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах используют Магнитно-мягкие материалы с повышенным удельным электрическим сопротивлением, обычно применяются магнитопроводы, собранные из отдельных изолированных друг, от друга тонких листов.
Железо (низкоуглеродистая сталь). Технически чистое железо обычно содержит небольшое количество примесей углерода, серы, марганца, кремния и других элементов, ухудшающих его магнитные свойства.
Благодаря сравнительно низкому удельному электрическому сопротивлению технически чистое железо используется довольно редко, в основном для магнитопроводов постоянного магнитного потока. Обычно технически чистое железо изготовляется рафинированием чугуна в мартеновских печах или конверторах и имеет суммарное содержание примесей до 0,08--0,1 %. За рубежом такой материал известен под названием «армко-железо».
Низкоуглеродистая электротехническая листовая сталь -- одна из разновидностей технически чистого железа, выпускается в виде листов толщиной 0,2--4 мм, содержит не свыше 0,04 % углерода и не свыше 0,6 % других примесей. Максимальное значение магнитной проницаемости для различных марок -- не менее 350 4500, коэрцитивная сила -- соответственно не более 100--65 А/м. Особо чистое железо содержит примесей, менее 0,05% получают: 1) электролитическое железо; 2) карбонильное железо.
Листовая электротехническая сталь - основной магнитно-мягкий материал массового потребления. В составе есть кремний, что повышает удельное сопротивление и снижает потери на вихревые токи и гистерезис.
При содержании кремния до 14% сталь обладает ещё достаточно хорошими механическими свойствами, но при кремнии выше 5 % становится хрупкой.
Магнитно-твердые материалы
Общие сведения. По составу, состоянию и способу получения магнитно-твердые материалы подразделяются на:
1) легированные стали, закаливаемые на мартенсит,
2) литые магнитно-твердые сплавы,
3) магниты из порошков,
4) магнитно-твёрдые ферриты,
5) пластически деформирующие сплавы и магнитные ленты.
Характеристиками материалов для постоянных магнитов служат коэрцитивная сила, остаточная индукция и максимальная энергия, отдаваемая магнитом во внешнее пространство. Магнитная проницаемость материалов для постоянных магнитов ниже, чем магнитно-мягких материалов, причем, чем выше коэрцитивная сила, тем меньше магнитная проницаемость.
Магнит в замкнутом состоянии (в виде тороида) не отдает энергию во внешнее пространство. При наличии воздушного зазора между полюсами возникает отдача энергии в пространство, величина которой зависит от длины зазора, причем индукция Вl, в промежутке будет меньше остаточной индукции Вr вследствие размагничивающего действия полюсов магнита. Энергия, заключенная в единице объема воздушного зазора, может быть выражена следующим равенством:
(1.22)
где Hl -- напряженность поля, соответствующая индукции Вl.
Чем меньше длина магнита и чем относительно больше зазор, тем больше размагничивающее поле полюсов и тем меньше Вl. При замкнутом магните Bl = Br, причем энергия равна нулю, так как Hl = 0. если зазор между полюсами очень велик, то энергия при этих условиях также стремится к нулю, так как Bl = 0, Hl = Hc. При некоторых значениях BL и HL энергия достигает максимума, что видно:
(1.23)
определяет наилучшее использование магнита и тем самым является наиболее важной характеристикой качество материалов для постоянных магнитов. Нередко для характеристики таких материалов приводит произведение BLHL или коэффициент выпуклости кривой размагничивания материала:
(1.24)
Постоянные магниты имеет самое широкое применение. Они разнообразны по конструкции, по габаритам.
Контрольные вопросы:
1. Общие сведения о магнитных свойствах материалов.
2. Магнитно-мягкие материалы.
3. Магнитно-твердые материалы.
Глоссарий
Акцепторы - примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника.
Донорная примесь - примеси, поставляющие электроны в зону проводимости.
Домены - области в веществах с самопроизвольной поляризацией, обладающие электрическим моментом ещё в отсутствие внешнего поля.
Лак - твердеющий материал, в процессе изготовления используется в жидком виде, но в готовой, работающей изоляции находится уже в твердом состоянии.
Компаунд - твердеющий материал, в процессе изготовления используется в жидком виде, но в готовой, работающей изоляции находится уже в твердом состоянии, отличается от лаков отсутствием в составе растворителя.
Пластмасса - характеризуется способностью под влиянием внешнего давления (часто при нагреве) приобретать определенную форму.
Диэлектрики - это материалы, у которых запрещенная зона настолько велика, что электронной электропроводности в обычных условиях не наблюдается.
Полупроводники - вещества с более узкой запрещенной зоной, которая может быть преодолена за счет внешних энергетических воздействий.
Проводники - материалы, у которых заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывается ею.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Диэлектрики – вещества, обладающие малой электропроводностью, их виды: газообразные, жидкие, твердые. Электропроводность диэлектриков; ее зависимость от строения, температуры, напряженности поля. Факторы, влияющие на рост диэлектрической проницаемости.
презентация [1,4 M], добавлен 28.07.2013Электрические, тепловые, влажностные и химические свойства диэлектриков. Поляризация мгновенная и протекающая замедленно. Дипольно-релаксационная поляризации. Общее понятие о доменах, сопротивление изоляции. Классификация диэлектриков по виду поляризации.
презентация [964,7 K], добавлен 28.07.2013Понятие электропроводности металлов, ее сущность, особенности. Гипотезы о существовании электронных газов в металлах и опыты, подтверждающие их. Проводники характерные свойства. Материалы, обладающие высокой проводимостью, их обоснование и характеристика.
лекция [300,8 K], добавлен 21.02.2009Диэлектрические материалы для создания электрической изоляции токоведущих частей в электротехнических и радиоэлектронных устройствах. Электропроводность диэлектриков. Образцы для определения электрической прочности твердых электроизоляционных материалов.
реферат [201,9 K], добавлен 07.11.2013Описание нелинейных диэлектриков и их основная классификация. Физические свойства сегнетоэлектриков и их сфера применения. Характеристика и свойства пьезоэлектриков: прямой и обратный пьезоэффект, объяснение этого эффекта. Особенности электретов.
контрольная работа [22,4 K], добавлен 23.04.2012История открытия явления электризации. Свойства полярных, неполярных и кристаллических диэлектриков. Интенсивность электризации, диэлектрическая проницаемость веществ. Причины накопления зарядов в производственных условиях. Удельная проводимость жидкости.
реферат [352,6 K], добавлен 16.09.2014Классификация электротехнических материалов. Энергетические уровни. Проводники. Диэлектрические материалы. Энергетическое отличие металлических проводников от полупроводников и диэлектриков. Полупроводниковые материалы. Магнитные материалы и магнетизм.
реферат [1022,4 K], добавлен 15.04.2008Характеристика и свойства теплового, люминесцентного и электро- и катодолюминесцентного излучений. Метод исследования химического состава различных веществ по их линейчатым спектрам испускания или поглощения (спектральный анализ). Основные виды спектров.
презентация [10,4 M], добавлен 21.05.2014Физика явлений, происходящих в газовых разрядах с непрерывным и импульсным подводом электрической энергии, как основа лазерных технологий. Виды, свойства и характеристики разрядов. Разряд униполярного пробоя газа, его вольт-амперные характеристики.
дипломная работа [1,9 M], добавлен 25.02.2013Связь между переменным электрическим и переменным магнитным полями. Свойства электромагнитных полей и волн. Специфика диапазонов соответственного излучения и их применение в быту. Воздействие электромагнитных волн на организм человека и защита от них.
курсовая работа [40,5 K], добавлен 15.08.2011Природа и источники ионизирующего излучения, его физические свойства, воздействие на окружающую среду и гигиеническое нормирование. Наведенная радиоактивность, радиоактивный распад. Методы измерения ионизирующих излучений и измерительная техника.
курсовая работа [582,7 K], добавлен 28.01.2014Классификация материалов по электропроводности. Сегнетоэлектрические материалы, их физические свойства и особенности применения в технике. Кристаллическая структура и физические свойства титаната бария. Зонная структура и электропроводность.
дипломная работа [6,6 M], добавлен 26.03.2012Роль затравочных электронов лавины. Набор энергии электроном в осциллирующем поле. Пороги пробоя и зависимость от давления. Физические представления об оптическом пробое идеальных диэлектриков. Его тепловой механизм. Влияние первичных электронов.
реферат [547,2 K], добавлен 26.08.2015Сведения о полупроводниках их классификация. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Характеристика группы органических полупроводников. Электропроводность низкомолекулярных органических полупроводников. Электрические свойства полимерных.
курсовая работа [779,2 K], добавлен 24.07.2010Понятие ионизации и квазинейтральности. Взаимодействие плазмы с магнитным и электрическим полями. Бесконтактное воздействие тока на слизистую оболочку в плазменной хирургии. Показания к применению аргоноплазменной коагуляции. Состав блока аппаратуры.
презентация [317,8 K], добавлен 21.06.2011Полимеры – химические соединения с высокой молекулярной массой, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся группировок. Классификация и получение полимеров. Особенности строения и свойства. Химические методы расчёта. Переработка полимеров.
реферат [1,4 M], добавлен 06.05.2008Понятие и свойства радиоактивных излучений, их ионизирующая и проникающая способности. Особенности взаимодействия излучений с живым организмом. Важность экологических проблем, связанных с защитой природы и человека от действия ионизирующих излучений.
методичка [210,8 K], добавлен 30.04.2014Классификация веществ по электропроводности. Расчёт эффективной массы плотности состояний электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, концентраций свободных носителей заряда. Определение зависимости энергии уровня Ферми от температуры.
курсовая работа [913,5 K], добавлен 14.02.2013Физико-химические основы горения, его основные виды. Характеристика взрывов как освобождения большого количества энергии в ограниченном объеме за короткий промежуток времени, его типы и причины. Источники энергии химических, ядерных и тепловых взрывов.
контрольная работа [17,8 K], добавлен 12.06.2010Физико–химические основы горения и взрыва. Тепловая, цепная и диффузная теории горения веществ, взрывчатые вещества. Свойства твердых топлив и продуктов сгорания, термодинамические свойства продуктов сгорания. Виды пламени и скорость его распространения.
курс лекций [1,7 M], добавлен 05.01.2013
