Физические процессы в диэлектриках. Магнетики

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Физические процессы в диэлектриках, основные свойства и количественные параметры

Что такое пробой диэлектрика? Дать определение

При напряженности электрического поля, превосходящей предел электрической прочности диэлектрика, наступает пробой. Пробой представляет собой процесс разрушения диэлектрика , в результате чего диэлектрик теряет электроизоляционные свойства в место пробоя.

Величину напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называют пробовым напряжением Uпр, а соответствующее значение напряженности электрического поля называется электрической прочностью диэлектрика Eпр.

Для равномерного электрического поля электрическая прочность (пробивная напряженность ) диэлектрика определяется формуле

Eпр =/d,кВ/м

где,d- толщина диэлектрика в месте пробоя ,м.

Пробой жидких диэлектриков - явление ложное, что объясняется сложным составом жидких диэлектриков и сильным влиянием загрязнений на развитие пробоя. Наиболее резкое снижение электрической прочности жидких диэлектриков вызывает эмульсионная вода. С повышением температуры эмульсионная вода переходит в растворенную ; при этом жидкий диэлектрик становится более однородным и электрическая прочность его повышается.

Другие загрязнения (волокна, смолистые вещества и др.) подобное воде понижают электрическую прочность жидких диэлектриков.

Чистота поверхности электродов оказывает существенное влияние на электрическую прочность жидких диэлектриков.

Большая продолжительность воздействия электрического поля на жидкий диэлектрик вызывает резкое снижения пробивного напряжения.

Конфигурация электрического поля и полярность электродов также вызывают изменение пробивных характеристик жидких диэлектриков.

Пробивное напряжение жидких диэлектриков повышается с увеличением давления. Зависимость пробивного напряжение от давления заметно уменьшается с повышением степени очистки электроизоляционных жидкостей , что указывает на большое влияние газообразных примесей. При импульсных воздействиях напряжения на слой жидкого диэлектрика зависимости пробивного напряжения от давления практически не наблюдается. С увеличением плотности жидкого диэлектрика его электрическая прочность линейно возрастает.

Влияние температуры на пробивные характеристики жидких диэлектриков различно в зависимости от их химического состава и степени загрязнения примесями. Заметные изменения электрической прочности с температурой наблюдаются у электроизоляционных жидкостей сложного химического состава, особенно при наличии в них загрязнений (влага, газы и др.). По мере приближения к температуре кипения электрическая прочность жидких диэлектриков резко понижается.

Наибольший практический интерес представляют теории, посвященные процессами пробоя технических электроизоляционных жидкостей. В большинстве этих теорий пробой жидких диэлектриков рассматривается как тепловой процесс, в результате которого в слое жидкого диэлектрика образуются газовые или паровые каналы. Паровая и газовая фазы в жидком диэлектрике возникают при нагреве его токами проводимости, повышенные значения которых наблюдаются в наиболее загрязненных частях диэлектрика. При критических значениях напряженности электрического поля в газовых и паровых каналах начинает развиваться процесс ударной ионизации газа, завершающийся пробоем.

Пробой твердых диэлектриков представляет собой или чисто электрический процесс (электрическая форма пробоя), или тепловой процесс ( тепловая форма пробоя).В основе электрического пробоя лежат явления, в результате которых в твердых диэлектриках имеет место лавинное возрастание электронного тока, возрастание электронного тока, подобно тому как это наблюдается в процессе ударной ионизации в газообразных диэлектриках.

Характерными признаками электрического пробой твердых диэлектриков являются:

Независимость или очень слабая зависимость электрической прочности диэлектрика от температуры и длительности приложенного напряжения ( отдо )

Электрическая прочность твердого диэлектрика в однородном поле не зависит от толщины диэлектрика ( до толщины -см.)

Электрическая прочность твердых диэлектриков находится в сравнительно узких пределах :- В/см; причем она больше , чем при тепловой форме пробоя.

Перед пробоем ток в твердом диэлектрике увеличивается по экспоненциальному закону, а непосредственно перед наступлением пробоя наблюдается скачкообразное возрастание тока.

При наличии неоднородного поля электрический пробой происходит в мете наибольшей напряженности поля ( краевой эффект).

Тепловой пробой имеет место при повышенной проводимости твердых диэлектриков и больших диэлектрических потерях, а также при подогреве диэлектрика посторонними источниками тепла или при плохом теплоотводе. Процесс теплового пробоя твердого диэлектрика состоит в следующем. Вследствиенеоднородности состава отдельные части объема диэлектрика обладают повышенной проводимостью . Они представляют собой тонкие каналы, проходящие через всю толщину диэлектрика. Вследствие повышенной плотности тока в одном из таких каналов будут выделяться значительные количества тепла. Это повлечет за собой еще большее нарастание тока вследствие резкого уменьшения сопротивления этого участка в диэлектрике. Процесс нарастания тепла будет продолжаться до тех пор, пока не произойдет тепловое разрушение материала ( расплавление, науглероживание) по всей толщине - по ослабленному месту.

Характерными признаками теплового пробоя твердых диэлектриков являются:

1.Пробой наблюдается в месте наихудшего теплоотвода от диэлектрика в окружающую среду

2.Пробивное напряжения диэлектрика снижается с повышением температуры окружающей среды.

3.Пробивное напряжения снижается с увеличением длительности приложенного напряжения.

4.Электрическая прочность уменьшается с увеличением толщины диэлектрика.

5.Электрическая прочность твердого диэлектрика уменьшается с ростом частоты приложенного переменного напряжения.

При пробое твердых диэлектриков часто наблюдаются случаи, когда до определенной температуры имеет место электрический пробой, а затем в связи с дополнительным нагревом диэлектрика наступает процесс теплового пробоя диэлектрика.

Как влияет электрическое поле на электропроводность полупроводников?

Появление электрического тока в полупроводнике возможно лишь тогда, когда часть электронов покидает заполненную валентную зону и переходит в зону проводимости, где они становятся носителями электрического тока .Для такого перехода электроны должны пройти запрещенную зону, для чего необходима определенная энергия, которую полупроводник может получить в виде света или теплоты . При нагреве увеличивается концентрация носителей электрического тока, а электрическое сопротивление полупроводника уменьшается.

Чем больше ширина запрещенной зоны, тем выше должна быть температура нагрева полупроводника для разрушения ковалентных связей и образования носителей тока. Так, у кремния ширина запрещенной зоны существенно больше, чем у германия, поэтому при нагреве кремния сохраняет высокие постоянные значения электрического сопротивления до высоких температур . Это позволяет использовать кремневые приборы для работы при более высоких температурах, чем германиевые.

Проводимость в химически чистом полупроводнике называется собственной проводимостью, а полупроводник, не содержащий примесей, влияющих на его электропроводность, - собственным полупроводником. Однако получить химически чистые элементы весьма сложно. Вследствие этого полупроводники всегда содержат примеси, которые меняют характер и величину проводимости. Электрическая проводимость, обусловленная присутствием примесей в полупроводнике, называется примесной.

На электропроводность полупроводников большое влияние оказывает воздействие внешних факторов: тепловой энергии, деформации, воздействие света и сильных электрических полей. Температурная зависимость удельной проводимости проводника есть результат изменения концентрации и подвижности носителей заряда. В области низких температур полупроводник характеризуется примесной электропроводностью , а в области высоких температур - собственной электропроводностью.

Электропроводность твердых кристаллических тел изменяется при деформации вследствие увеличения или уменьшения ( растяжение, сжатие) межатомных расстояний. Приводящих к изменению концентрации и подвижности носителей. Величиной , численно характерезующей изменение удельной проводимости полупроводников при определенном виде деформации, является тензочувствительность .

Световая энергия, поглощаемая полупроводником, вызывает появление в нем дополнительное количество носителей зарядов, что приводит к возрастанию электропроводности полупроводника.

Сильные электрические поля вызывают интенсивный рост удельной проводимости, приводящей к разрушению структуры полупроводника.

Что такое магнитные потери? Причины их возникновения.

диэлектрик магнетик пробой полупроводник электропроводность

Магнитные потери -потери на перемагничивание ферромагнетиков. Складываются из потерь на гистерезис, на вихревые токи и на магнитное последействие.

Потери на гистерезис. Обусловлены необратимыми процессами перемагничивания. Потери на гистерезис за один цикл перемагничивания (т.е. за один период изменения поля), отнесенные к единице объема вещества, определяются площадью статической петли гистерезиса. Для вычисления этих потерь можно использовать эмпирическую формулу Эг=mn, где -- коэффициент, зависящий от свойств материала, m-- максимальная индукция, достигаемая в данном цикле, n -- показатель степени, принимающий значения от 1,6 до 2 в зависимости от m.

Потери на вихревые токи. В проводящей среде за счет ЭДС самоиндукции, пропорциональной скорости изменения магнитного потока, возникают вихревые токи. Вихревые токи нагревают проводники, в которых они возникли. Это приводит к потерям энергии в магнитопроводах (в сердечниках трансформаторов и катушек переменного тока, в магнитных цепях машин). Для уменьшения потерь на вихревые токи необходимо использовать материал с повышенным удельным сопротивлением, либо собирать сердечник из тонких слоев, изолированных друг от друга.

Потери на магнитное последействие. Обусловлены магнитной вязкостью -- отставанием магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля. Спад намагниченности ферромагнетиков происходит не мгновенно, а течение некоторого промежутка времени. Время установления стабильного магнитного состояния существенно возрастает с понижением температуры. Одна из основных причин магнитного последействия -- тепловая энергия, которая помогает слабо закрепленным доменным границам преодолевать энергетические барьеры, мешающие их свободному смещению при изменении поля. Физическая природа потерь на магнитное последействие во многом аналогична релаксационной поляризации диэлектриков.

В переменных полях площадь петли гистерезиса увеличивается за счет потерь на гистерезис Рг, потерь на вихревые токи Рв и дополнительных потерь Рд. Такая петля называется динамической, а суммарные потери полными или суммарными. Потери на гистерезис, отнесенные к единице объема материала (удельные потери) (Вт/м3)

Энергетическая структура материалов и деление веществ на классы. Энергетические диаграммы

Под термином энергетический спектр понимают шкалу количественных значений энергии электронов атомов данного вещества.

Физическое состояние электронов в атоме определяется четырьмя квантовыми числами: n, l, m, s. Согласно планетарной модели атома, электроны вращаются вокруг ядра по определенным орбитам - электронным оболочками, которые принято обозначать K,L,M,N и т.д. в зависимости от значения главного квантового числа n = 1.Следующая L - оболочка соответствует n = 2 и т.д. В свою очередь, оболочки состоят из подоболочек, обозначаемых s,p ,d , f соответственно значениям орбитального квантового числа l, принимающего целочисленные значения, т.е. l = 0,1,2 ….(n-1).

Следовательно , с энергетической точки зрения электроны данной оболочки имеют близкие, но неодинаковые значения энергии. Однако, для понимания того, как образуется энергетический спектр электронов, с достаточной степенью точности можно принять, что электроны на каждой из оболочек имеют вполне определенное значение энергии. Считается, что в изолированных атомах электроны на разных орбитах могут иметь дискретные значения энергии, отделенные друг от друга широкими запрещенными энергетическими интервалами.При этом для электронов, расположенных на наиболее удаленных от ядра орбитах, т.е. для валентных электронов,существуют уровни энергии, разрешенные для их существования в возбужденном состоянии (

При сближении атомов многоэктронных веществ на расстояния, соответствующие возникновению сил связи, приводящих к образованию вещества, происходит расщепление энергетических уровней электронов изолированного атома в энергетические зоны. Эти зоны состоят из такого числа близкого расположенных отдельных энергетических уровней, сколько атомов в единице объема данного вещества. Количество энергетических зон равно или меньше количества энергетических уровней(орбит) электронов в изолированном атоме.

Свободная и валентная зоны могут перекрываться (что характерно для металлов. Когда зоны не перекрываются, между ними образуется зона запрещенных энергий для электронов, называемая запрещенной зоной, от величины которой существенно зависят свойства материалов

С энергетической точки зрения, согласно зонной теории твердого тела,следует:

- Проводниками являются материалы (металл), у которых свободная и валентная зона перекрываются, благодаря чему электроны валентной зоны могут беспрепятственно переходить на незанятые уровни свободной зоны под действием очень слабых внешних электрических полей и обеспечивать тем самым высокую электропроводность;

- Полупроводниками являются материалы с узкой запрещенной зоной (?Eа менее 3 эВ),которая может быть преодолена электронами валентной зоны за счет внешних электрических воздействий ( температуры Т, напряженности внешнего электрического поля Е, энергии электромагнитного излучения hv) и, таким образом, возможно возникновение электропроводности;

-Диэлектриками являются такие материалы, у которых запрещенная зона очень велика (?Еа до 3 эВ) и валентные электроны не могут ее преодолеть, поэтому электропроводность в диэлектриках не наблюдается.

Задача

Построить по данным таблицы 7.1 основную кривую намагничивания В=f(H) для электротехнической стали и по этой кривой построить зависимость м=f(H). Какой точке кривой намагничивания соответствует мmax

Таблица 7.1

При построении графика учесть, что относительная магнитная проницаемость м определяется по формуле

где В - индукция [Тл];

Н - напряжённость внешнего магнитного поля [А/м];

м0 - магнитная постоянная [Гн/м].

Решение :

где м0 = 4П Ч

М1 = =5303,6Гн/м

М2 = =8750,9Гн/м

М3 = = 33412,7Гн/м

М4 = = 40572,7 Гн/м

М5 = =21957,04 Гн/м

М6= =16706,4 Гн/м

М7==12092,2 Гн/м

М8 = = 6284,8 Гн/м

М9 = = 2657,1 Гн/м

М10 = = 1352,4 Гн/м

Список использованной литературы

В.В. Пасынков, «Материалы электронной техники», М., ВШ.,1980 г.

В.В. Пасынков. В.С. Сорокин, «Материалы электронной техники»

М., ВШ., 1986 г., «Лань», 2003 г.

А.П. Казанцев, «Электротехнологические материалы», Учеб. Пособие Мн., Дизайн ПРО, 1988, 2001 г.

Размещено на Allbest.ru