а)Электрический пробой развивается практически мгновенно при достижении напряженности поля равной электропрочности диэлектрика. Обычно электрический пробой наблюдается в газах, но может развиваться и в твердых и в жидких диэлектриках.

Электрический пробой газов

Рис. 40 Зависимость напряжения пробоя и электропрочности от расстояния между электродами

Увеличение плотности ионов в диэлектриках (пробой) может быть вызвано развитием ударной ионизации или ионной ионизации. Для развития ударной ионизации необходимо выполнение условия:

Eql=mv²/2=Eэс (2.13)

где: Е - напряженность поля, q - заряд иона, l - длина пробега иона от одного столкновения до другого, mv²/2 - кинетическая энергия иона, Еэс - энергия электростатического взаимодействия электронов с ядрами атомов.

Рис. 41 Зависимость электропрочности газа от давления

При выполнении этого условия ионы, пролетая под действием электрического поля от одного столкновения со структурными единицами материала до другого, набирают кинетическую энергию, достаточную для того чтобы выбить электрон из атома. В результате столкновения появляется два дополнительных носителя заряда: электрон и новый ион. Таким образом, размножение носителей заряда возрастает в геометрической прогрессии и происходит пробой диэлектрика.

При напряженности поля меньшей, чем та, при которой наблюдается ударная ионизация в газах может развиваться фотонная ионизация. В этом случае при столкновении иона со структурной единицей материала энергии переданной атому не достаточно для отрыва электрона от атома, поэтому возбужденные электроны испускают фотоны. При одновременном попадании нескольких фотонов на какую-либо молекулу, переданная энергия сравнивается с энергией электростатического взаимодействия электронов с ядрами и происходит ионизация.

Влияние частоты электрического поля на электропрочность газов

Рис. 42 Зависимость электропрочности газа от частоты электрического поля

Процессы изменения концентрации ионов, происходящие в низкочастотных полях, аналогичны процессам в постоянном поле. Однако в высокочастотных полях концентрация заряженных частиц меняется. При достаточно высоких частотах подвижные электроны успевают сместиться на большие расстояния и достигают электродов. Малоподвижные положительные ионы с большой массой за время полу периода колебаний не успевают сместиться на сколь либо значительные расстояния и концентрация положительных ионов в межэлектродном пространстве растет. Появляется так называемый «объемный заряд». Поэтому, начиная с частот, превышающих десятки килогерц вероятность столкновения ионов с молекулами возрастает и электропрочность газов снижается (рис. 42).

а) Электрический пробой твердых диэлектриков

При рассмотрении электрического пробоя в твердых диэлектриках следует иметь в виду, что электрическая прочность зависит не только от материала, но и от формы изолятора. Дело в том, что в твердых диэлектриках помимо сквозного электрического пробоя может развиваться поверхностный пробой.

Для развития сквозного пробоя требуется очень высокая напряженность электрического поля. Это связано с тем, что плотность твердых диэлектриков велика и длина пробега ионов мала. Следовательно, для того, чтобы ион набрал достаточную кинетическую энергию, (mv²/2=Eql) нужна высокая напряженность электрического поля. Вместе с тем, на поверхности любого материала имеется слой адсорбированных молекул. Из окружающего пространства (из воздуха) на поверхность могут адсорбироваться молекулы азота, кислорода, углекислого газа, воды и так далее. В тех местах, где адсорбируются молекулы воды и углекислого газа, образуется угольная кислота. Иначе говоря, на поверхности появляются участки с повышенной концентрацией ионов. Таким образом, вероятность ионизации молекул на поверхности диэлектрика становится выше, а электропрочность снижается.

Рис. 43 Зависимость мощности выделения тепла (Ртв) и мощности отвода тепла (Рто) от температуры

б) Электротепловой пробой диэлектриков.

Повышение температуры диэлектрика по сравнению с окружающей средой ведет к отводу тепла. Дальнейшее развитие процессов зависит от соотношения скорости отвода тепла и скорости тепловыделения. На рисунке 43 показаны зависимости мощности тепловыделения (Р_тв) и мощности отвода тепла (Р_то) от температуры для неполярного диэлектрика. Как видно из приведенного рисунка в области температур от точки a до точки b мощности отвода тепла превышает мощность тепловыделения, поэтому повышения температуры не происходит. Вне этой области мощность выделения тепла превышает мощность отвода тепла и диэлектрик нагревается. Нагрев материала диэлектрика может привести к его растрескиванию, оплавлению, обугливанию, что снижает электропрочность диэлектрика и ведет к его разрушению.

Рис. 44 Зависимость электропрочности диэлектрика от температуры

Рис. 45 Зависимость электропрочности от времени

в) Электрохимический пробой диэлектриков.

Данный вид пробоя обусловлен тем, что при длительном нахождении в электрическом поле происходит изменение химического состава диэлектрика. Чем выше напряженность электрического поля, тем сильнее возбуждаются молекулы диэлектрика и время, необходимое для выхода материала диэлектрика из строя снижается. В то же время химически инертные диэлектрики имеют больше время работы. Зависимость времени безопасной службы материала диэлектрика от времени принято называть «кривой жизни» диэлектрика (рис.45).

22. Магнитные материалы

По характеру взаимодействия с магнитным полем все материалы принято делить на слабо взаимодействующие и сильно взаимодействующие материалы. Мерой взаимодействия материалов с магнитным полем является магнитная индукция (В), то есть средняя напряженность магнитного поля внутри материала при нахождении во внешнем магнитном поле напряженностью Н. Магнитная индукция является суперпозицией напряженности внешнего магнитного поля и намагниченности:

В = Н + 4pМ (3.1)

где М - намагниченность материала, то есть отношение векторной суммы элементарных магнитных моментов к объему материала.

У веществ слабо взаимодействующих с полем намагниченность невелика В » Н. К таким веществам относятся диамагнетики и парамагнетики. В диамагнетиках индукция ниже напряженности внешнего поля, а в парамагнетиках индукция выше напряженности внешнего поля. У веществ сильно взаимодействующих с полем намагниченность велика. К таким веществам относятся ферромагнетики, антиферримагнетики (ферриты), суперпарамагнетики, спиновые стекла.

23. Природа ферромагнетизма

Движение электронов вокруг ядер атомов является элементарными токами, создающими магнитные моменты.

Рис. 46 Зависимость обменного интеграла (А) от расстояния между атомами, отнесенного к радиусу незаполненной электронной оболочки (a/r)

Более строгое рассмотрение элементарных магнитных моментов свидетельствует о том, что у атома имеются магнитные моменты ядер, орбитальные магнитные моменты электронов и спиновые магнитные моменты электронов.

Согласно правилу Хунда заполнение электронных орбиталей производится таким образом, чтобы магнитный и механический моменты электронов были максимальны. У переходных металлов внутренние электронные орбитали (3d или 5f) заполнены не полностью. Поэтому у атомов таких элементом имеется значительный магнитный момент.

В том случае, когда внутренние орбитали атомов заполнены, не полностью происходит обмен электронами незаполненных орбиталей соседних атомов. При этом энергия атомов понижается на величину обменной энергии (U_обм). Величина обменной энергии зависит от квантовомеханической функции - обменного интеграла (А) и взаимной ориентации суммарных спиновых моментов соседних атомов:

U_обм = -А (s₁s₂) (3.2)

При отношении расстояния между атомами к радиусу незаполненных оболочек большем 3 обменный интеграл положителен и для того чтобы обменная энергия вычиталась из общей энергии системы необходимо параллельная ориентация спиновых магнитных моментов соседних атомов. Такие вещества являются ферромагнетиками. При отношении а/r меньшем 3 обменный интеграл отрицателен и для того чтобы энергия системы была минимальной скалярное произведение магнитных моментов соседних атомов должно быть отрицательным. В этом случае магнитные моменты соседних атомов антипараллельны и такие вещества принято называть антиферромагнетиками. При равенстве отношения а/r 3 обменная энергия нулевая и взаимная ориентация магнитных моментов произвольна. Такие вещества являются парамагнетиками.

Таким образом, для того чтобы вещество было ферромагнитным необходимо выполнение двух условий:

1). В состав материала должны входить атомы переходных металлов, обладающих большими магнитными моментами;

2). Отношение расстояния между атомами к радиусу незаполненных электронных оболочек должно превышать 3.

24. Доменная структура ферромагнетиков

Рис. 47 Разбиение кристалла на домены

Магнитные моменты соседних атомов ферромагнетиков ориентированны параллельно, однако в кристалле достаточно большой величины все магнитные моменты не могут быть ориентированны параллельно. В противном случае вокруг кристалла появится магнитное поле и энергия системы возрастет. Для снижения энергии системы кристалл разбивается на домены - области спонтанной намагниченности, причем разбиение производится таким образом, чтобы внешнее магнитное поле отсутствовало (рис. 47).

Таким образом, на границе доменов происходит постепенный поворот магнитных моментов атомов из одного положения в другое. Тем не менее, энергия атомов на границах доменов оказывается повышенной.

Как отмечалось выше, обменное взаимодействие соседних атомов ферромагнитных материалов приводит к снижению энергии системы на величину: U_обм = -А (s₁s₂), где А - обменный интеграл зависящий от отношения а/r. Поскольку расстояние между атомами по различным кристаллографическим направлениям различно, то и значения обменной энергии по различным направлениям различно. Таким образом, в ферромагнетиках появляется магнитная анизотропия. Очевидно, что внутри доменов магнитные моменты атомов ориентированы вдоль наиболее энергетически выгодных направлений. Такие направления принято называть направлениями легкого намагничивания. На границах доменов магнитные моменты ориентированы в менее выгодных магнитотвердых направлениях.

25.В то же время, росту доменов препятствует магнитострикция - деформация кристаллической решетки под воздействием магнитного поля. Обменное взаимодействие между атомами приводит к появлению дополнительных сил взаимодействия и кристаллическая решетка деформируется. Рост домена ведет к увеличению напряженности локального поля внутри домена и возрастанию деформации решетки. При этом энергия системы увеличивается. Таким образом, противоборство магнитной анизотропии и магнитострикции приводит к установлению оптимального размера магнитных доменов.

26. Кривая намагничивания

Рис. 48 Кривая намагничивания ферромагнетиков

При помещении ферромагнетика во внешнее магнитное поле векторы намагниченности каких-либо доменов окажутся совпавшими или близкими к совпадению с вектором напряжённости внешнего магнитного поля. Энергия таких доменов будет минимальной, тогда как энергия всех остальных доменов повысится. Для того чтобы понизить энергию системы благоприятно ориентированные домены растут. При этом увеличивается намагниченность (М) и, следовательно, возрастает индукция (В). Зависимость индукции от напряженности внешнего магнитного поля принято называть кривой намагничивания (рис. 48).

На начальном участке кривой намагничивания увеличение напряженности внешнего поля ведет к незначительному росту индукции, причем при отключении внешнего поля индукция снижается до нуля. Этот участок принято называть участком обратимого намагничивания или областью Релея (I).

На втором участке незначительное изменение напряженности внешнего поля ведет к заметным изменениям индукции. Этот участок принято называть участком резкого роста индукции или областью скачков Баркгаузена (II).

На третьем участке кривой намагничивания зависимость индукции от напряженности внешнего поля вновь ослабевает. Этот участок называют участком замедленного намагничивания или область намагничивания за счет процессов вращения (III).

На четвертом участке индукция растет пропорционально напряженности магнитного поля. Этот участок называют участком насыщения или областью парапроцесса (IV).

При наличии в материале частиц чужеродных не ферромагнитных фаз границам доменов энергетически выгодно проходить через частицы этих фаз. Это связано с тем, что чужеродные частицы «вырезают» часть границы домена следовательно, протяженность и энергия границы домена снижается.

Таким образом, границы доменов притягиваются к структурным неоднородностям материала - дислокациям и частицам чужеродных фаз.

Рис. 49 Изгиб границ доменов, закрепленных препятствиями, под действием внешнего поля

При попадании ферромагнетика во внешнее магнитное поле начинается рост благоприятно ориентированных доменов, то есть их границы смещаются. Однако структурные неоднородности материала препятствуют смещению границ доменов (то есть являются точками закрепления границ доменов) и границы изгибаются под действием внешнего поля.

При дальнейшем увеличении напряженности внешнего поля изгиб границ становится настолько большим, что энергия изогнутых границ совпадает с энергией границ оторвавшихся от точек закрепления. Дальнейший изгиб границ становится энергетически невыгодным, границы отрываются от точек закрепления и скачками перемещаются до следующего ряда точек закрепления. При этом наблюдается участок резкого роста индукции или область скачков Баркгаузена.

Наконец, после того как все магнитные моменты атомов будут направлены по внешнему полю, прироста намагниченности происходить не может, а рост индукции происходит за счет роста напряженности магнитного поля как в парамагнетиках. Наблюдается участок насыщения или областью парапроцесса.

Если после намагничивания ферромагнетика до насыщения отключить внешнее магнитное поле намагниченность ферромагнетика полностью не снимается и сохраняется остаточная индукция (В_r). Это вызвано тем, что дефекты структуры, препятствующие перемещению границ доменов при намагничивании, препятствуют обратному смещению границ доменов при размагничивании. Для того чтобы снять остаточную индукцию необходимо приложить поле обратной полярности. При некотором значении напряженности поля, называемом коэрцитивной силой (Н_с), индукция исчезнет. Дальнейшее увеличение напряженности поля в обратном направлении приведет к намагничиванию ферромагнетика. Естественно, что знак вектора магнитной индукции при этом поменяется. Отключение внешнего магнитного поля вновь приведет к появлению остаточной индукции, для снятия которой необходимо приложить коэрцитивную силу. Таким образом, при нахождении ферромагнетика в переменном магнитном поле появляется петля гистерезиса. Чем больше в материале дефектов структуры, затрудняющих смещение границ зерен, тем выше значение коэрцитивной силы и шире петля гистерезиса.

Площадь петли гистерезиса характеризует затраты энергии на перемагничивание материала за один цикл:

Р=тНdB (3.3)

Важно отметить, что при нахождении магнитных материалов в переменном магнитном поле в них возникают вихревые токи. Это связано с тем, что переменное магнитное поле вызывает появление переменного электрического поля. Вихревые токи вызывают нагрев материала и обуславливают появление магнитного поля, ослабляющего внешнее поле. В связи с этим появляются потери энергии внешнего магнитного поля на вихревые токи. Очевидно, что повышение электрического сопротивления материала ведет к снижению потерь на вихревые токи.

27. Магнитомягкими называют материалы легко перемагничивающиеся под действием внешнего магнитного поля. Для таких материалов характерны низкие значения коэрцитивной силы и высокие значения магнитной проницаемости. Их используют для концентрации магнитного поля. В большинстве случаев магнитомягкие материалы работают в переменных магнитных полях, поэтому для них важно высокое удельное электрическое сопротивление. Исторически первым магнитомягким материалом было малоуглеродистое железо, обладающее низкой механической твердостью. Поэтому такие материалы получили название магнитомягких.

28. Электротехническая сталь

При легировании железа кремнием удельное электрическое сопротивление существенно возрастает. Так у сплава, содержащего 5% кремния, удельное электрическое сопротивление достигает 0,7 мкОм м, то есть увеличивается более чем в 7 раз по сравнению с чистым железом.

Кроме того, присутствие кремния в железе снижает магнитную анизотропию и магнитострикцию. При увеличении отношения a/r снижается разница в значениях обменного интеграла по различным направлениям, а следовательно, уменьшается магнитная анизотропия. У сплава содержащего 6,8% Si магнитная анизотропия в 3 раза меньше чем у чистого железа, а магнитострикция практически равна нулю. Наконец при добавке к железу кремния нейтрализуется вредное влияние примесей кислорода и углерода.

Важно отметить, что взаимодействие кремния с дислокациями приводит к снижении подвижности последних, поэтому снижается пластичность сплавов. В связи с этим промышленные сплавы железа с кремнием - электротехнические стали содержат не более 5% Si.

Поскольку у электротехнических сталей сохраняется магнитная анизотропия, то для улучшения магнитных свойств применяют текстурованную сталь, то есть сталь, у которой некоторые кристаллографические направления в соседних зернах совпадают. Для получения стали с высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями необходимо совпадение направлений типа [111]. Для того чтобы получить магнитную текстуру применяют холодную прокатку с большими обжатиями и последующий отжиг при температуре 900-1000^оС. В ходе холодной деформации происходит ориентация зерен, а при отжиге идет рекристаллизация, приводящая к снижению плотности дислокаций и росту зерен. Текстурованную сталь называют также холоднокатаной. Холоднокатаная сталь в 1,5 раза дороже горячекатаной, но потери в ней вдвое ниже. Важно иметь в виду, что для эффективного использования текстурованной электротехнической стали магнитный поток должен проходить вдоль направления легкого намагничивания.

28 Магнитомягкие материалы для работы в слабых полях

Для материалов, работающих в слабых полях, чрезвычайное значение имеет высокое значение начальной магнитной проницаемости. Иначе говоря, для таких материалов важна большая подвижность границ доменов в условиях малой напряженности внешнего магнитного поля. Следовательно, такие материалы должны быть однофазными и иметь малую магнитную анизотропию и магнитострикцию.

Альсифер - сплав системы Fe-Si-Al, содержащий около 9,5% кремния и 5,5% алюминия. При этом составе магнитная анизотропия минимальна и сплав имеет очень высокую магнитную проницаемость. Отклонение от оптимального состава приводит к снижению магнитной проницаемости (рис.50). (Объясните почему?)

Рис. 50 Влияние состава на магнитную проницаемость альсифера

Сплав отличается достаточно высоким удельный электрическим сопротивлением (r=0,81 мкОмґм), что снижает потери на вихревые токи. Вместе с тем, сплав непластичен и тверд. Детали из него изготавливают методом порошковой металлургии, а окончательная обработка деталей возможна только анодно-механическим и электроискровым способами, а также шлифовкой. Трудность обработки повышает стоимость изделий, однако, поскольку сплав не содержит дорогостоящих компонентов его широко применяют для изготовления магнитных экранов и магнитопроводов.

Пермаллои. Пермаллоями называют сплав железа и никеля. При этом различают низконикелевые пермаллои и высоконикелевые пермаллои. Низконикелевые пермаллои содержат 45-65% Ni, высоконикелевые пермаллои - 76-80% Ni. Для низконикелевых пермаллоев характерны более высокое удельной электросопротивление и повышенная индукция насыщения, однако, магнитная проницаемость низконикелевых пермаллоев ниже магнитной проницаемости высоконикелевых пермаллоев. Важно отметить, что индукция насыщения высоконикелевых пермаллоев ниже индукции насыщения низконикелевых пермаллоев. Это обстоятельство связано с тем, что магнитный момент иона никеля ниже магнитного момента иона железа.

Магнитомягкие материалы, предназначенные для работы в высокочастотных полях.

В высокочастотных полях резко возрастают потери на вихревые токи. Поэтому в высокочастотных полях используют материалы с высоким удельным электрическим сопротивлением - магнитодиэлектрики, ферромагнетики с аморфной структурой и ферриты.

Магнитодиэлектрики получают, смешивая порошкообразные ферромагнетики и органическую или неорганическую связку. В качестве ферромагнетика используют карбонильное железо, альсифер или молибденовый пермаллой, дополнительно легированный серой. Серу в пермаллой вводят для придания хрупкости. В качестве связки используют фенолформальдегидные смолы, полистирол, стекла. Связка должна образовывать тонкую сплошную пленку между частицами ферромагнетика. Частицы ферромагнетика должны быть достаточно малыми, для снижения вихревых токов. Однако у малых частиц не происходит разбиения на домены, поэтому снижается магнитная проницаемость магнитодиэлектриков.

Ферромагнетики с аморфной структурой получают сверхбыстрым охлаждением расплава, при этом скорости охлаждения достигают 10⁶ - 10⁸ градуса за секунду. При столь быстром охлаждении кристаллическая решетка не успевает формироваться, и материал представляет собой переохлажденную жидкость. Отсутствие кристаллической решетки приводит к полной изотропии магнитных свойств, а при отсутствии магнитной анизотропии подвижность границ доменов становится высокой. Таким образом, материалы с аморфной структурой являются магнитомягкими. Кроме того, отсутствие кристаллической решетки приводит к росту удельного электрического сопротивления, поэтому потери на вихревые токи в материалах с аморфной структурой очень малы.

Ферритами называют ионные соединения типа MeOFe₂O₃, которые по химической природе являются солями железноватистой кислоты MeFe₂O₄, где Ме - катион любого двухвалентного металла, либо два катиона одновалентного металла. Большинство ферритов имеют симметричную кубическую кристаллическую решетку типа шпинели или граната. Однако некоторые ферриты (феррит бария) имеет несимметричную гексагональную решетку. Иногда, для того чтобы подчеркнуть тип решетки ферриты называют феррокскубами или гексаферритами.

30.Магнитотвердыми называют материалы с высокой коэрцитивной силой и большой остаточной индукцией. Их применяют для изготовления постоянных магнитов - источников постоянного магнитного поля. Исторически первыми магнитотвердыми материалами были механически твердые, закаленные углеродистые стали. Поэтому, такие материала получили название магнитотвердых.

Магнитотвердые материала идут на изготовление постоянных магнитов, запасенная магнитная энергия которых оценивается как произведение остаточной индукции на величину коэрцитивной силы Е_маг = Н_сB_r (3.6)

Рис. 51 Диаграмма состояния сплавов системы Fe-Fe3C

Для того чтобы увеличить коэрцитивную силу нужно затруднить смещение границ доменов. Для этого необходимо чтобы магнитная анизотропия была максимальной, размер зерен был минимальным и материал должен содержать частицы, препятствующие движению границ доменов. Иначе говоря, требования к структуре магнитотвердых материалов прямо противоположны требованиям к требованиям магнитомягких материалов.

До температуры 911°С железо имеет ОЦК решетку, выше этой температуры термодинамически более выгодной становится ГЦК решетка. Углерод может образовывать с железом химическое соединение цементит - Fe₃C, а также растворяться в железе. Раствор углерода в железе с ОЦК решеткой принято называть феррит, а раствор углерода в железе с ГЦК решеткой принято называть аустенит. Области существования феррита, аустенита и цементита на диаграмме состояния отмечены как Ф, А, и Ц. Области существования двух фаз помечены как Ф+А, А+Ц, Ф+Ц.

Важно отметить, что растворимость углерода в аустените существенно выше растворимости углерода в феррите. Это связано с тем, что на одну элементарную ячейку ГЦК решетки аустенита приходится всего одна межатомная пора, и размер ее много больше размера межатомной поры в решетке феррита.

При охлаждении чистого железа при температуре 911°С происходит перестройка ГЦК решетки в ОЦК, или превращение аустенита в феррит (рис.51). При наличии в сплаве углерода температура превращения аустенита в феррит снижается, за счет того, что раствор углерода в аустените имеет большую энтропию, чем раствор углерода в феррите и, следовательно, меньшую свободную энергию.

Дисперсионно твердеющие сплавы

К таким сплавам относятся сплавы системы Fe-Ni-Al. При высоких температурах алюминий и никель растворяются в аустените, но при резком охлаждении образуется пересыщенный раствор легирующих элементов в железе. При последующем отпуске происходит выделение дисперсных частиц интерметаллида Fe₂NiAl. В результате формируется структура, состоящая из ферромагнитной матрицы и дисперсных частиц, препятствующих движению границ доменов. Сплавы системы Fe-Ni-Al-Cu-Co получили название альнико. Для повышения магнитных свойств закаленный сплав подвергают термомагнитной обработке, то есть производят нагрев для старения в сильном магнитном поле. При этом дисперсные частицы интерметаллидов выделяются по границам доменов и закрепляют уже сориентированные домены. Сплавы, прошедшие термомагнитную обработку получили название магнико.

Деформируемые магнитотвердые материалы.

К деформируемым магнитотвердым материалам относятся сплавы систем Cu-20%Ni-20%Fe - кунифе, Cu -20%Ni 20%Co - кунико, и Fe-52%Co -(4-14)%V - викаллой.

Магнитотвердые ферриты

Из магнитотвердых ферритов наиболее известен бариевый феррит BaOґ6Fe₂O₃ (ФБ, ферроксдюр). В отличие от магнитомягких ферритов он имеет не кубическую, а гексагональную решетку с одноосной анизотропией. Высокая коэрцитивная сила обусловлена малым размером зерен и сильной кристаллографической анизотропией. Помимо бариевого феррита используются хромбариевый феррит (ХБ) и кобальтовый феррит.

Технология получения магнитотвердых ферритов в общих чертах похожа на технологию получения магнитомягких ферритов. Однако для получения мелкокристаллической структуры, осуществляют очень тонкий помол (как правило, в водной среде), а спекание проводят при относительно невысоких температурах для избежания роста зерен.

Для придания анизотропии магнитных свойств материал текстурируют. Для создания текстуры сметанообразную массу помещают в сильное магнитное поле, которое отключают только после формирования изделия и его полного высыхания. Бариевые анизотропные ферриты маркируются БА, хромобариевые - ХБА, кобальтовые КА. Изотропные, нетекстурированные магниты маркируются БИ, ХБИ и КИ соответственно.

Высококоэрцитивные магниты.

К этой группе материалов относят сплавы редкоземельных элементов с кобальтом типа RСo₅ или RСо₁₇, а также сплавы железа или кобальта с платиной. Эти материалы обладают рекордной запасенной магнитной энергией, однако, их широкому применению мешает высокая стоимость.

32. Проводниковые материалы

Все проводниковые материалы можно условно разделить на три группы: 1) материалы высокой электропроводности, используемые для изготовления проводников; 2) металлические материалы высокого удельного электрического сопротивления, применяемые для изготовления резисторов и нагревательных элементов; 3) материалы для изготовления контактов.

Одной из важнейших характеристик проводниковых материалов является их электропроводность (g):

g=nqm (4.1)

где: n - концентрация носителей заряда, q - величина заряда, m - подвижность носителей заряда.

Основными носителями заряда в металлических материалах являются свободные электроны, появляющиеся при образовании металлической связи. Как известно металлическая связь образуется между атомами элементов с валентной электронной оболочкой заполненной менее чем на половину. В этом случае валентные электроны отрываются от атомов и обнажается полностью заполненная электронная оболочка. При этом валентные электроны становятся свободными, образуя «электронный газ».

На подвижность электронов в основном оказывают влияние два фактора: наличие дефектов кристаллической решетки и строение внутренних электронных оболочек атомов.

33. Материалы высокой электропроводности

К материалам высокой электропроводности предъявляются следующие требования:

Высокая электропроводность

Высокая механическая прочность

Технологичность - то есть способность к сварке, пайке, высокая пластичность.

Высокая коррозионная стойкость.

Низкая стоимость.

Очевидно, что высокой электропроводностью будут обладать чистые непереходные металлы с ГЦК решеткой (Ag, Cu, Al, Au).

Высокой механической прочностью будут обладать металлы с низкой энергией дефекта упаковки или сплавы металлов. Однако в случае образования твердого раствора помимо роста прочности увеличивается и удельное электросопротивление. Поэтому для материалов высокой электропроводности используют лишь такое легирование, когда компоненты не растворяются друг в друге.

Что касается технологичности, то у всех металлов с ГЦК решеткой высокая пластичность, следовательно, из них легко получаются изделия методами обработки давлением. Поэтому проблема технологичности сводится в легкости пайки и сварки.

Рассмотрим свойства наиболее часто применяемых материалов высокой электропроводности.

Серебро Наибольшую электропроводность из всех металлов имеет серебро. При комнатной температуре его удельное электрическое сопротивление составляет 0,0150 мкОмґм. Серебро пластично - относительное удлинение при растяжении порядка 50%. Кроме того, серебро обладает высокой теплоемкостью и теплопроводностью и высокой коррозионной стойкостью. У серебра высокая плотность - 10,49 Мг/м³, что в сочетании с плотноупакованной ГЦК решеткой свидетельствует о малом радиусе иона. Поэтому серебро активно диффундирует в керамику, что позволяет создавать прочные покрытия керамики серебром (керамические конденсаторы).

К недостаткам серебра как проводникового материала относятся его стоимость, а также взаимодействие серебра с серой с образованием Ag₂S.

Медь-обладает достаточно малым удельным электросопротивлением (0,0168 мкОмґм), пластична и обладает высокой прочностью. Хотя медь относится к той же подгруппе что и серебро и золото, но она более активна и образует соединения с О₂, СО₂, Н₂О. Поэтому при пайке и сварке меди приходится использовать флюсы - вещества, удаляющие с поверхности материала оксиды. Важно отметить, что химические соединения меди нестойки и удаляются простейшим флюсом - раствором канифоли в спирте или ацетоне.

Алюминий Удельное сопротивление алюминия в 1,6 раз выше удельного сопротивления меди, но алюминий в 3,5 раза легче меди. Благодаря этому при одинаковом сопротивлении и одинаковой длине алюминиевые провода в два раза легче медных, несмотря на большее поперечное сечение. К тому же алюминий дешевле меди. Указанные обстоятельства привели к широкому применению алюминия в электротехнике.

Недостатком алюминия является низкая механическая прочность. Отожженный алюминий в три раза менее прочен на разрыв, чем отожженная медь. Для повышения прочности алюминий легируют элементами, плохо растворяющимися в основном металле, или образующими интерметаллидные соединения. Так, при легировании алюминия магнием и кремнием в алюминиевой матрице образуются частицы силицида магния, затрудняющие движение дислокаций.

34. Материалы высокого удельного сопротивления

Материалы высокого электрического сопротивления используются для поглощения электрической энергии и преобразования ее в тепло. Очевидно, что к таким материалам будут предъявляться следующие требования:

Высокое удельное сопротивление

Высокая механическая прочность

Технологичность - то есть способность к сварке, пайке, высокая пластичность.

Высокая коррозионная стойкость.

Низкая стоимость.

Низкое значение термо- Э.Д.С. в паре с медью.

Малый температурный коэффициент сопротивления

Очевидно, что для того, чтобы материал имел высокое удельное сопротивление, он должен представлять собой твердый раствор одного металла в другом. Причем хотя бы один из компонентов сплава должен быть переходным металлом. Из теории сплавов известно, что неограниченное растворение одного металла в другом возможно при близости размеров ионов и одинаковом типе кристаллических решеток.

Сплавы на основе меди.

Константан. Твердый раствор 40% никеля в меди, точнее 40%Ni, 1,5%Mn, остальное медь. Этот сплав маркируется как НММц 58,5-1,5. Наименование этого сплава подчеркивает неизменность его сопротивления при изменении температуры. Практически при изменении температуры от -100°С до +100°С. его удельное сопротивление остается постоянным, то есть температурный коэффициент сопротивления (a_r) равен 0. У данного сплава довольно-таки высокое удельное сопротивление (0,5 мкОмґм), он пластичен и прочен. При нагреве на его поверхности образуется окисная пленка, обладающая изоляционными свойствами. Оксидная изоляция позволяет плотно навивать константановую проволоку если напряжение между витками не превышает 1 В.

Никелин. МНМц30-1,5 (68,5% Cu; 30%Ni; 1,5% Mn). Из-за меньшего содержания никеля сплав более дешев, однако его удельное сопротивление меньше чем у константана (r=0.35 мкОмґм). Кроме того, температурный коэффициент удельного электросопротивления сплава отличен от нуля. Главным образом этот сплав используют для изготовления пусковых и регулировочных реостатов.

Нейзильбер. МНЦ15-20 (65%Cu, 15%Ni, 20%Zn). Замена никеля более дешевым цинком приводит к существенному уменьшению стоимости сплава. Вместе с тем сплав обладает достаточно высоким удельным сопротивлением (r=0.3 мкОмґм). Столь высокое удельное сопротивление вызвано тем, что у размер иона цинка меньше размера иона меди, а размер иона никеля больше размера иона меди. Поэтому суммарные искажения кристаллической решетки велики, что затрудняет продвижение электронной волны.

Манганин. МНМц-3-12 (80%Cu, 3%Ni, 12%Mn). Достаточно дешевый сплав, отличающийся высоким удельным сопротивлением (r=0.45 мкОмґм), и низкой термо-Э.Д.С в паре с медью. Недостатком сплава является низкая коррозионная стойкость и невысокая предельная рабочая температура (<200°С).

Никель-хромовые сплавы.

Нихромы. Классическим никель-хромовым сплавом является сплав Х20Н80 (20%Cr, 80%Ni). При комнатной температуре в никеле растворяется 20% хрома. При этом хотя и сохраняется ГЦК решетка никеля, но она сильно искажается ионами хрома. Это обстоятельство в сочетании с тем, что и никель и хром являются переходными металлами приводит к высокому удельному сопротивлению сплава (r=1,1 мкОмґм). Поверхность нихрома покрыта химически стойкими окислами, которые затрудняют пайку нихрома и защищают его от окисления при высоких температурах. Для повышения механической прочности в нихром вводят титан, молибден, кремний.

Железохромалюминиевые сплавы

Типичным представителем этой группы сплавов является сплав 0Х27Ю5 (23%Cr, 5%Al, остальное железо). Сплав отличается высоким удельным сопротивлением (r=1,1 мкОмґм). Замена никеля на железо приводит к существенному удешевлению сплава, а наличие хрома и алюминия обеспечивают высокую стойкость к окислению. Недостатками сплавов такого типа является низкая пластичность, вызванная образованием интерметаллидных соединений.

Сплавы на основе благородных металлов.

В ряде случаев требуется высокая стойкость к окислению материала. В этом случае используют материалы высокого сопротивления на основе благородных металлов: серебра, платины, палладия.

35. Материалы электрических контактов

Все контакты можно разделить на неподвижные и подвижные. Неподвижные контакты используются для длительного соединения и могут быть зажимными и цельнометаллическими. Подвижные контакты могут быть разрывными и скользящими.

а) В зажимных контактах («клеммы», болтовые соединения и т.д.) действительная поверхность контакта заметно меньше поверхности налагаемых друг на друга проводников. Это связано с наличием на поверхности сопрягаемых деталей неровностей и слоя окислов. Поэтому чем мягче материал контактов и чем выше его коррозионная стойкость, тем меньше сопротивление контакта. В этой связи контакты обычно облуживают - покрывают слоем олова. Для особо надежных контактов применяют серебрение или золочение.

б) Цельнометаллическими являются сварные или паянные соединения. Основными материалами, образующими цельнометаллические контакты являются припои и сварочные присадки.

Припои должны обладать следующими свойствами:

низкая температура плавления (ниже, чем у материала паяемых деталей);

хорошая смачиваемость паяемых деталей;

достаточно высокая механическая прочность

низкое удельное электрическое сопротивление

высокая коррозионная стойкость

низкая стоимость.

Принято припои делить на мягкие (с температурой плавления ниже 300°С и пределом прочности 16-100МПа) и твердые с температурой плавления превышающей 300 °С и пределом прочности 100-500 МПа.

В качестве мягких припоев обычно используют сплавы свинца с оловом. Такие припои маркируют буквами ПОС с цифрами показывающими содержание олова в припое, например ПОС 62.

Выбор в качестве компонентов припоя свинца и олова обусловлен тем, что свинец и олово хорошо растворяются друг в друге в жидком состоянии и плохо растворяются в твердом состоянии.

В качестве твердых припоев используют чистую медь, сплавы меди с цинком (ПМЦ), сплавы меди с фосфором и сплавы на основе серебра (ПСр). Цифры в марках медно цинковых припоях показывают содержание меди, а в марках серебряных припоев показывают содержание серебра.

Помимо припоев, при пайке используют флюсы - вещества, удаляющие окислы с поверхности паяемых изделий и защищающие поверхность расплавленного припоя от окисления.

При пайке изделий из сплавов меди мягкими припоями в качестве флюса используют канифоль или ее раствор в спирте или ацетоне. Канифоль - это смесь органических кислот, которые хорошо растворяют окислы меди.

При пайке стальных деталей мягкими припоями в качестве флюса используют водный раствор хлорида цинка («травленная соляная кислота») или нашатырь - хлористый аммоний.

При пайке твердыми припоями в качестве флюса используют буру, борную кислоту, расплавы хлоридов металлов.

После пайки рекомендуется удалять любые флюсы, для того чтобы повысить сопротивление коррозии паяного шва.

в)Материалы разрывных контактов.

Разрывные контакты периодически замыкаются и размыкаются. При этом между контактными площадками образуется электрическая дуга. Возникновение дуги ведет к росту температуры, а, следовательно, к снижению механической прочности, окислению материала контактов, появляется вероятность их сваривания, а также возможна эрозия материала.

Для того чтобы материал разрывных контактов надежно работал, он должен удовлетворять следующим требованиям:

иметь высокую электропроводность;

быть устойчивым к коррозии;

иметь высокую температуру плавления;

быть твердым;

иметь высокую теплоту испарения;

обладать высокой теплопроводностью.

Кроме того, материал должен быть дешевым и недефицитным.

Для малоответственных разрывных контактов (бытовые выключатели) в качестве материала обычно выбирают латунь - сплав меди с цинком. Наличие в сплаве цинка приводит к повышению механической прочности и росту коррозионной стойкости.

Для ответственных контактов работающих при малых напряжениях и коммутирующих малые токи (контакты маломощных реле) используют серебро.

В тех случаях, когда рабочее напряжение на контактах велико, на токи не большие используют металлы платиновой группы (платину, палладий, иридий, осмий, рутений и родий). При коммутации больших токов, когда нагрев контактов велик, используют композиционные материалы (порошки вольфрама или молибдена пропитанные жидкой медью или серебром). Для мощных контактов также используют металлокерамические композиции - серебро и окись кадмия (СОК).

г) Материалы скользящих контактов.

В основном, к материалам скользящих контактом предъявляются те же требования, что и к материалам разрывных контактов. Однако особенно остро ставится вопрос об уменьшении износа при трении. Для снижения износа трения можно повысит твердость материала контактирующих пар и использовать смазку. Естественно, что смазка должна быть электропроводной.

Для коллекторов электрических моторов используют холоднодеформированную медь, а для щеток используют графит. Для тяжелонагруженных машин для изготовления щеток используют металлографитовые щетки - медно-графитовые и бронзо-графитовые.

36. Полупроводниковые материалы

Полупроводниками принято называть вещества, электропроводность которых обусловлена перемещением электронов, возбужденных внешними энергетическими воздействиями (нагрев, облучение светом, наложение сильного электрического поля и т.д.) У полупроводников зона проводимости отделена от валентной зоны зоной запрещенных значений энергии. При поглощении валентным электроном кванта энергии большего и равного ширине запрещенной энергетической зоны, электрон переходит в свободную энергетическую зону и получает возможность перемещаться - менять свою энергию. После ухода электрона из валентной зоны в ней остается незанятое место - дырка. Таким образом, при возбуждении атома в нем появляются два носителя заряда противоположных знаков: электрон и дырка. Очевидно, что для того, чтобы электрон покинул валентную зону и перешел в свободную зону нужно повышение его энергии. Чем выше температура полупроводника, тем более вероятна флуктуация энергии и перескок электрона из валентной зоны в свободную.

37.Обозначим концентрацию электронов n_0i, а концентрацию дырок p_0i. Индекс i (от слова intrinsic - собственный, присущий) у концентрации электронов и дырок означает, что это собственные носители заряда. В результате процессов возбуждения и рекомбинации при любой температуре устанавливается равновесная концентрация носителей заряда:

электронов

(5.1)

и дырок

(5.2)

где: n_0i - концентрация электронов, p_0i- концентрация дырок, W -ширина запрещенной зоны. Коэффициент 2 показывает, что на каждом энергетическом уровне могут быть два электрона.

Проводимость полупроводников будет равна:

(5.3)

где: m_п - подвижность электронов, а m_р - подвижность дырок.

Рис. 52 Влияние легирования на энергетические зоны полупроводников: а) собственный полупроводник, б) полупроводник, содержащий донорные примеси, в) полупроводник, содержащий акцепторные примеси

Примесные полупроводники, то есть полупроводники содержащие небольшие количества примесей. Роль примесей могут играть также дефекты кристаллической решетки - вакансии, дислокации, границы зерен, поры, трещины.

Если валентность атома примеси и атомов основного материала отличаются, то атомы примесей будут являться источниками свободных электронов или дырок. Избыток электронов на валентной оболочке атома примеси приведет к появлению дополнительных электронов, а недостаток электронов на валентных электронных оболочках атомов приведет к появлению дырок. Атомы примесей, поставляющих в свободную зону свободные электроны, принято называть донорами, а атомы - поставляющие дырки - акцепторами. Влияние примесей на энергетические зоны полупроводников показано на рис. 52.

Размещено на Allbest.ru

...