КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

По дисциплине

 «ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ»

Оглавление

                 Введение                                                                                        3

1.   Общие сведения о строении вещества        11

1.1.   Виды связи и строение вещества   11

1.2.   Классификация электротехнических материалов   21

1.3.   Относительная диэлектрическая проницаемость   23

1.4.   Электрические и магнитные свойства   25

1.5.   Физико-химические и механические свойства

диэлектрических материалов.                                                               33

2.   Диэлектрики  46

2.1.   Диэлектрик в электрическом поле 46

2.2.   Диэлектрическая проницаемость и электрические поля в

диэлектриках                                                                                           48

2.3.   Основные виды поляризации диэлектриков      54

2.4.   Электропроводность газообразных, жидких

и твердых диэлектриков                                                                        57

2.5.   Диэлектрические потери, угол диэлектрических потерь  59

2.6.   Пробой диэлектриков    72

3.   Проводниковые материалы     81

3.1.   Классификация и основные свойства      81.

3.2.   Материалы высокой проводимости и высокого сопротивления 85

3.3.   Контактные материалы       89

4.   Полупроводниковые материалы      91

4.1.   Основные параметры    91

4.2.   Простые полупроводники      98

4.3.   Устройство полупроводниковых приборов       105

                 1.5. Магнитные материалы                                                         120

5.1.   Магнитомягкие материалы  120

5.2.   Магнитотвёрдые материалы 123

                 Тесты                                                                                             129

Введение

Разработка новых материалов и непрерывное совершенствование уже известных происходит одновременно с общим развитием электротехники и расширением требований промышленности к качеству материалов.

Первым практическим применением материала для создания сравнительно мощного источника электрической энергии можно считать изготовление большой батареи, электродвижущая сила которой создавалась за счет контактной разности потенциалов между дисками из разных металлов. Эта батарея была создана в 1802 г. Академиком В. В. Петровым. В ней использовалось 8400 медных и цинковых дисков с прокладками из бумаги, пропитанной электролитом. С помощью этой батареи впервые в мире была получена электрическая дуга.

И 1832 г. в своих опытах по созданию электромагнитного телеграфа русский ученый  П. Л. Шиллинг использовал в качестве изоляции пленку, пропитанную воском, невулканизированный каучук и шелковую пряжу.

В 1872 г. изобретатель А. Н. Лодыгин создал первую угольную лампу накаливания; инженер П. Н. Яблочков в 1876 г. изобрел электрическую «свечу», положившую начало широкому применению электрического освещения.

Н этих изобретениях были использованы проводники, магнитные материалы электрическая изоляция.

По мере развития электротехники все большее значение приобретал правильный выбор материалов, помогавший успешно разрешать возникавшие задачи.

Быстрый рост промышленности во всех ее многочисленных отраслях сопровождается непрерывным увеличением номенклатуры применяемых материалов, совершенствованием технологии их изготовления и все более широким использованием новых, ранее не применявшихся в технике видов сырья.

Развитие отечественной электротехники выдвинуло на одно из первых мест проблему быстрейшего совершенствования электротехнических материалов высокого качества, полностью отвечающих новейшим техническим требованиям к материалам.

В настоящее время новые электротехнические материалы появляются в результате предварительного глубокого изучения физических, механических и химических характеристик таких веществ, которые могли бы быть использованы в качестве технических материалов.

Для понимания электрических, магнитных и механических свойств материалов и других их особенностей необходимо исследовать структуру и химический состав материалов.

Диэлектрические материалы являются основными видами

электротехнических материалов с которыми придется встретиться на практике будущим инженерам-электрикам. Эти материалы служат в качестве изоляции токоведущих частей энергооборудования. Они включают в себя такие разнообразные типы электрической изоляции как: воздух в линиях электропередач и электроаппаратах; нефтяные и искусственные масла в трансформаторах, кабелях и конденсаторах; твердые диэлектрики в изоляторах воздушных линий (ВЛ), конденсаторах, установочных изделиях и корпусах аппаратов и т.п. При этом физические условия, в которых должна находиться и функционировать изоляция, накладывают определенные требования на физико-химические параметры материала, ограничивая возможные вид, тип используемых электротехнических материалов.  Кроме того, при конструировании даже простейших изделий, предназначенных для работы в электрическом поле, необходимо четко представлять, какие процессы происходят в материале, как влияет тот, или иной материал на работу других частей устройства, в том числе за счет перераспределения электрического поля. Здесь необходимо учитывать разноплановые характеристики материала механические характеристики: плотность и вес материала, прочность на сжатие, разрыв или изгиб; теплофизические характеристики: теплопроводность, теплоемкость, нагревостойкость, теплостойкость и горючесть; электрофизические характеристики: диэлектрическая проницаемость, электропроводность, электрическая прочность, трекингостойкость; физико-химические характеристики: химическая стойкость, влагопроницаемость и т.д. Зачастую всем требованиям невозможно удовлетворить, поэтому необходимо ясное понимание всего комплекса процессов, происходящих при функционировании  устройств, чтобы оценить значимость каждого из требований и понять, какие их них, в каждом конкретном случае, являются главными, а какие - второстепенными и ими можно пренебречь.

 Целью настоящего курса является изучение основных процессов, происходящих в диэлектрических материалах под действием электрического поля, ознакомление с основными материалами, применяемыми в электроэнергетике, их основными свойствами.   

 

 Что такое материал, материаловедение, электротехническое материаловедение. 

 

 Материал - это объект обладающий определенным составом, структурой и свойствами, предназначенный для выполнения определенных функций. Материалы могут иметь различное агрегатное состояние: твердое, жидкое, газообразное или плазменное. Функции, которые выполняют материалы - разнообразны. Это может быть обеспечение протекания тока - в проводниковых материалах, сохранение определенной формы при механических нагрузках - в конструкционных материалах, обеспечение непротекания тока, изоляция - в диэлектрических материалах, превращение электрической энергии в тепловую - в резистивных материалах. Обычно материал выполняет несколько функций, например диэлектрик обязательно испытывает какие-то механические нагрузки, а значит является конструкционным материалом.

 Материаловедение - наука, занимающаяся изучением состава, структуры, свойств материалов, поведением материалов при различных воздействиях: тепловых, электрических, магнитных и т.д., а также при сочетании этих воздействий. Стихийными материаловедами были еще древние люди, , например, научившиеся делать каменные наконечники или топоры из определенных камней со слоистой структурой. Технический прогресс человечества во многом основан на материаловедении. В свою очередь технический прогресс дает новые возможности, методы, приборы для материаловедения, позволяет создавать новые материалы.

Рассмотрим пример с компьютерной техникой. Первые компьютеры были на вакуумных электронных лампах и имели сравнительно скромные возможности. Размер их был примерно со спортивный зал, размер единичного элемента для хранения и обработки информации составлял несколько сантиметров. После открытия полупроводников размер элемента уменьшился примерно в 10 раз, размеры компьютера уменьшились также примерно в 10 раз. По мере исследования полупроводников их размер уменьшался, пока не произошел качественный скачок после открытия интегральных схем, когда несколько транзисторов соединили в одном элементе. В дальнейшем и этот элемент постоянно уменьшался и в нем соединяли все большее количество транзисторов. В настоящее время элементарный транзистор имеет размер примерно 0.5 мкм, в больших интегральных схемах соединяются тысячи элементов. Предполагается, что в ближайшем будущем будет постепенно осуществляться переход на масштаб 0.2 мкм и 0.18 мкм. Имеются идеи о создании элементов размером в молекулу!

 Электротехническое материаловедение - э т о р а з д е л материаловедения, который занимается материалами для электротехники и энергетики, т.е. материалами, обладающими специфическими свойствами, необходимыми для конструирования, производства и эксплуатации электротехнического оборудования. Ряд материалов традиционны для любого из разделов материаловедения, в первую очередь, это конструкционные материалы. Основные материалы, рассматриваемые здесь специфичны именно для электротехнического раздела материаловедения, это в первую очередь диэлектрические материалы, затем проводниковые материалы, магнитные материалы, материалы для резисторов. В основном эти темы и будут рассматриваться в курсе электротехнического материаловедения. Для успешного освоения курса не требуется особых знаний. Математика в школьном объеме, физика в объеме курса общей физики. Впрочем несколько лекций для освежения необходимых физических понятий все-таки потребуются. 

 

 Роль материалов в современной технике, в частности в энергетике. 

 

Материалы играют определяющую роль в техническом прогрессе. Выше рассматривался пример из области вычислительной техники, когда совершенствование материала и технологии изготовления элементов оборудования из него приводит к радикально новым результатам. Можно привести еще примеры из других областей техники.

Например, изготовление баллонов для хранения газов под давлением. Вес баллона определяется толщиной стенки  сосуда, который, в свою очередь, определяется механической прочностью материала. Чем менее прочный материал, тем тяжелее сосуд. Так вот, сосуд для хранения азота, примерно на давление 100 атм, объемом 100 л, изготовленный из стали имеет разный вес в разных странах, где разная технология изготовления стали и, соответственно, разная ее механическая прочность. К примеру вышеупомянутый сосуд в США имеет вес 40 кГ, у нас - 80 кГ, а в Китае - 150 кГ.

 Другой пример, более близкий к энергетике. Рабочая напряженность электрического поля в мощном импульсном накопителе энергии (большой конденсатор, в котором в качестве диэлектрика является вода) в американском накопителе «Юпитер» выбирается 150 кВ/см, в нашем накопителе «Ангара» всего 80 кВ/см. У американцев лучше технология приготовления воды и электродов, следовательно лучше свойства материала (воды) в накопителе, значит пробой в воде достигается при более высокой напряженности, и можно выбрать большую рабочую напряженность.

Еще более близкий пример - изоляторы высоковольтных линий. Исторически первыми придумали изоляторы из фарфора. Технология их изготовления достаточно сложна, капризна. Изоляторы получаются довольно громоздкими и тяжелыми. Научились работать со стеклом - появились стеклянные изоляторы. Они легче, дешевле, их диагностика несколько проще. И, наконец последние изобретения - это изоляторы из кремнийорганической резины. Первые изоляторы из резины были не очень удачны. На их поверхности с течением времени образовывались микротрещины, в которых набивалась грязь, образовывались проводящие треки, затем изоляторы пробивались. Подробное изучение поведения изоляторов в электрическом поле проводов ВЛ в условиях внешних атмосферных воздействий, позволило подобрать ряд добавок, улучшивших атмосферостойкость, стойкость по отношению к загрязнениям и действию электрических разрядов. В результате сейчас создан целый класс легких, прочных изоляторов на различные уровни воздействующего напряжения.

Для сравнения, вес подвесных изоляторов для ВЛ 1150 кВ сопоставим с весом проводов в пролете между опорами и составляет несколько тонн. Это вынуждает ставить дополнительные параллельные гирлянды изоляторов, что увеличивает нагрузку на опору. Требуется использовать более прочные, а значит более массивные опоры. Это увеличивает материалоемкость, большой вес опор значительно поднимает расходы на монтаж. Для справки, стоимость монтажа составляет до 70% стоимости строительства линии электропередач. Основой для этого прогресса является разработка и использование для изоляторов новых электротехнических материалов. Легкие изоляторы дают возможность облегчить опоры, тем самым уменьшается ветровая нагрузка, удешевляется изготовление, доставка и монтаж ВЛ. 

 

 Основные типы материалов, применяемых в энергетике и электротехнике, композиционные материалы. 

 

Основные материалы, которые используются в энергетике, можно разделить на несколько классов - это проводниковые материалы, магнитные материалы, диэлектрические материалы. Общим для них является то, что они эксплуатируются в условиях действия напряжения, а значит и электрического поля. В них протекают электрические токи, выделяется тепловая энергия, происходят потери электрической энергии, происходит нагревание материалов. Более специфичны магнитные материалы, в них запасается магнитная энергия, в них также происходят ее потери, выделяется тепло при работе в переменном электрическом поле.

Здесь также следует выделить целый громадный класс материалов не по признаку их функционирования, а по составу. Это композиционные материалы.

 Композиционные материалы - материалы, состоящие из нескольких компонент, выполняющих разные функции, причем между компонентами существуют границы раздела.

Примеры композиционных материалов - стеклопластик (стержни и трубы), стеклотекстолит листовой, материалы для контактов (смеси электропроводного и тугоплавкого металлов). Сочетание двух или более материалов позволяет использовать сильные стороны каждого из материалов. При этом свойства композита, далеко не всегда являются промежуточными между свойствами  компонентов. В ряде случаев улучшаются характеристики, либо появляется материал с принципиально новыми характеристиками. Рассмотрим, например стеклопластик. Он состоит из волокон стекловолокна, пропитанных полимером, обычно эпоксидным полимером. Основное достоинство этого материала - высокая механическая прочность. Прочность эпоксидного компаунда недостаточно велика, этот материал достаточно хрупок. Прочность стеклянного волокна - значительна, но  у него хрупкость также значительна. После пропитки волокон и последующей полимеризации прочность стеклопластикового стержня на разрыв не уступает прочности волокон, тогда как хрупкость у стержней в принципе отсутствует.

О с н о в н ы м и ха р а кт е р и с т и ка м и мат е р и а л о в я вл я ют с я электропроводность или обратная величина - сопротивление, плотность, механическая прочность при различных нагрузках, теплоемкость, теплопроводность. Для диэлектрических материалов наиболее важны удельное электрическое сопротивление, диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери, электрическая прочность.

Большинство этих терминов вам неизвестно, в процессе изучения  настоящего курса вы с ними подробно познакомитесь.

Характеристики композиционных материалов Для начала введем понятие обобщенной проводимости.

Оказывается удельные теплопроводность, электропроводность, диэлектрическая проницаемость, коэффициент диффузии являются близкими характеристиками, в том смысле что они описывают потоки (зарядов, вещества, тепла, электрического поля) в зависимости от сил, вынуждающих эти потоки.

Например плотность тока связана с градиентом потенциала через проводимость:

Индукция связана с градиентом потенциала через диэлектрическую проницаемость:

Поток тепла связан с градиентом температуры через теплопроводность

          Для композиционных материалов оказалось, что зависимость какого-то параметра композиции от аналогичных параметров компонентов идентична для любого из параметров. Поэтому говорят об обобщенной проводимости, т.е. о зависимости обобщенной проводимости композиции от аналогичных проводимостей компонентов.

Существует достаточно большое количество выражений для  вычислений обобщенной проводимости композиционных материалов (диэлектрической проницаемости,  теплопроводности, диффузии и электропроводности) в различных случаях. Кроме  того, теоретически получена группа оценок сверху и снизу, причем  при использовании дополнительной информации о частицах, среде и  характере их взаимодействия интервал между оценками можно сделать  достаточно узким.

Для оценочных расчетов более удобен способ  непосредственного вычисления обобщенной проводимости, исходя из  характеристик компонентов. Поскольку нас интересует, в первую очередь, диэлектрическая проницаемость и электропроводность, при использовании известных выражений, полученных для расчета других видов проводимости будем заменять соответствующие  физические характеристики на нужные.

Здесь нужно ввести еще два понятия о структуре. Существуют две принципиально различные структуры: матричная и взаимопроникающая.

 Структура является матричной, если по одному из компонентов можно попасть в любую точку этого компонента, не пересекая границ раздела компонент.

 Такая компонента называется дисперсионной фазой, или матрицей композиции. Компонента, частички которой окружены дисперсионной компонентой называется дисперсной фазой, или наполнителем.

Например, частички сажи в полиэтилене. Полиэтилен является матрицей, частички сажи - наполнителем. Другой пример - молоко. Вода является дисперсионной средой, микрокапельки жира в ней - дисперсной фазой.

 С т р у к т у р а н а з ы в а е т с я взаимопроникающей, если не выполняется условие матричности и геометрические характеристики обоих компонентов (форма частиц) одинаковы .

Например, материал, приготовленный методами порошковой металлургии, когда смешивают два, или несколько разных порошков и полученную смесь прессуют.

Матричные структуры. Расчет электрических характеристик гетерогенных систем  достаточно точен в случае разбавленных суспензий. Для этих условий применимы известные формулы Максвелла, Вагнера-Винера, Оделевского. В случае малых концентраций они дают близкие значения. При достаточно больших концентрациях, и при большом различии  параметров компонентов практически все известные выражения непригодны.

Наиболее правдоподобно описывает зависимости формула Нильсена, которая предложена для описания наполненных полимеров. Для случая наполнитель - керамика с диэлектрической проницаемостью ε_к, а матрица жидкость с диэлектрической проницаемостью ε_ж формулу Нильсена можно написать в виде

                                                                       где V_к -объемная доля керамики, А - характеризует форму частиц, А=1.5 для сфер, А=3 для  частичек нерегулярной формы с минимальной поверхностью, А=4 для  пластинок и чешуек различной формы. P_m максимально возможная объемная доля твердой фазы, характеризующая укладку и  форму частиц.

Анализ зависимостей диэлектрической проницаемости от концентрации твердой фазы показывает, что при малых концентрациях все зависимости дают примерно одинаковые значения. Экспериментальные данные не противоречат расчетам. Однако при повышении концентрации до 25-30% все зависимости, кроме формулы Нильсена дают значительно меньшие значения чем эксперимент. До концентрации 50-55% формула Нильсена дает блестящее совпадение с экспериментом. Причем это проверено на ряде жидкостей, начиная с трансформаторного масла и заканчивая сульфоланом. После 50-55% формула Нильсена начинает давать значения, большие чем зарегистрировано в эксперименте.

 

1.4.  Методические указания по курсу, литература. 

 

          Хотелось бы подчеркнуть, что материаловедение заключается не в запоминании материалов и их характеристик, это можно сделать, пользуясь справочниками, но в первую очередь, в понимании процессов, происходящих в материалах под действием тех либо иных факторов при использовании материалов в электротехнике. Поэтому в нашем рассмотрении уклон будет в сторону физики.

Обязательная литература

1. Журавлева Л.В. Электроматериаловедение: учеб. пособие для начального проф. образования- 4-е изд., перераб. и доп- М.: издательский центр «Академия», 2012.-352 с.

 2 .Справочник по электротехническим материалам: в 3-х т. / Под ред. Ю.В.Корицкого и др. - 3-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат

 

Дополнительная литература

4.               Мозберг Р.К. Материаловедение: Учеб. пособие. - 2-е изд., перераб. М.: Высш. шк., 1991. - 448 с.

5.               Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - Учебник дляВУЗов, 3-е издание, перераб. М.: Машиностроение, 1990, 528 с.

6.               Рез И.С., Поплавко Ю.М. Диэлектрики. Основные свойства иприменение в электронике. - М.: Радио и связь, 1989. - 288 с.

7.               Неизвестный И.Г., Придачин Н.Б. Физика поверхности

полупроводников: В 2-х ч. : Лекции /Новосиб. гос. техн. ун-т. - Новосибирск, 1994. - Ч. 1. - 184 с.

8.               Валеев Х.С., Квасков В.Б. Нелинейные металлоокисныеполупроводники. - М.: Энергоиздат, 1983. - 160 с.

9.               Композиционные резисторы для энергетического строительства/Горелов В.П., Пугачев Г.А. - Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1989. - 216 с.

1. Общие сведения о строении вещества

                                                                1.1.    Виды связи и строение вещества

Химическая связь

Химические элементы встречаются в природе главным образом не в виде отдельных атомов, а в виде сложных или простых веществ. Лишь благородные газы – гелий, неон, аргон, криптон и ксеон – находятся в природе в атомном состоянии, что объясняется устойчивостью электронных оболочек атомов благородных газов. Во всех других простых и сложных веществах атомы связаны химическими силами. Существует несколько типов химической связи, важнейшие из них – ковалентная, ионная и металлическая.

В общем случае химическая связь образуется, если полная энергия системы, состоящей из взаимно-действующих атомов, при сближении атомов понижается.

Пользуясь понятием электроотрицательности элементов, можно предвидеть основные три случая химического взаимодействия между атомами:

Химические реакции происходят между атомами элементов, электроотрицательности которых резко отличаются, например, атомами щелочных металлов и атомами галогенов.

Химические реакции происходят между атомами элементов, электроотрицательности которых одинаковы. Такое взаимодействие наблюдается при образовании газов (Н₂ ,Р₂, Cl ₂, О₂, N₂), молекулы которых состоят из 2-х одинаковых атомов.

Вступать в химические реакции могут атомы элементов, электроотрицательности которых отличаются, но не очень сильно. Этот случай является промежуточным между двумя первыми крайними и встречаются особенно часто. Примерами его является образование молекул водорода Н₂О, хлородоводорода HCl, метана СН₄, и многих других веществ.

В зависимости от того, к какому случаю следует отнести данное химическое взаимодействие элементов, различают определенный тип химической связи. Надо учесть, что между этими типами химических связей нет резких границ. Между ними существует постепенный взаимопереход. Поэтому во многих химических соединениях одновременно существуют разные типы связей. Это объясняет последовательным изменением электроотрицательностей химических элементов.

Химическая связь – это взаимное сцепление атомов в молекуле и кристаллической решетке в результате действия между атомами электрических сил применения.

Появления атомной модели бора, впервые объяснившей строение электронной оболочки атома, способствовало созданию представления о химической связи и ее электронной природе. В 1915 году немецкий физик Коссель дал объяснение химической связи в солях, в 1916 году. Американский физико-химик Льюис предположил трактовку химической связи в молекулах. Коссель и Льюис исходили из представления о том, что атомы элементов обладают тенденцией к достижению электронной конфигурации благородных газов. Атомы благородных газов, кроме элемента первого периода - гелия имеют во внешнем слое, т.е. на высшем энергетическом уровне, устойчивый объект (восемь) электронов; при таком строении способность атомов к вступлению в химические реакции минимальна, например, в противоположность атомам водорода, кислорода, хлора и другим, атомы благородных газов не образуют двухатомных молекул. Представления Косселя и Льюиса получили в истории химии название октетной теории, или электронной теории валентности.

Валентность элементов главных групп Периодической системы зависит от числа электронов, находящихся во внешнем слое электронной оболочке атома. Поэтому эти внешние электроны принято называть валентными. Все изменения, происходящие в электронных оболочках атомов при химических реакциях, касаются только валентных электронов. Для элементов побочных групп в качестве валентных могут выступать как электроны высшего энергетического уровня, так и электроны внутренних незавершенных подуровней.

Развитие квантово-механических представлений о строении атома и создание орбитальной модели атома привели к выработке двух современных научных подходов для объяснения химической связи – метода валентных связей и метода молекулярных орбиталей. Оба метода не взаимоисключают, а дополняют друг друга и позволяют трактовать процесс формирования химической связи и выяснить внутреннее строение веществ.

Различают три основных (модельных) типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую связи. Эти типы химической связи не существуют изолированно друг от друга в реальных веществах, они являются только моделями различных форм химического связывания, которые реализуются в действительности как в промежуточные формы связи.

Значительно более слабые, чем ковалентная, ионная и металлическая связи, межмолекулярные силы, которые обеспечивают взаимное удерживание твердого диоксида углерода, или в жидкостях, например, в воде. Эти силы называются силами Ван-дер-Ваальса.

Ковалентная связь

Химическая связь, возникающая в результате образования общих (связывающих) электронных пар, называется ковалентной или атомной связью.

Простейший пример ковалентной связи – образование молекулы водорода Н2. Атомы водорода имеют следующую электронную оболочку: 1S1. Внешний энергетический уровень является незавершенным: до завершения не хватает одного электрона. При сближении двух атомов водорода происходит взаимодействие электронов с антипараллельными стенами с формированием общей электронной пары.

Объяснение механизма образования химической связи за счет общих электронных пар лежит в основе метода валентных связей. Схему образования ковалентной связи можно также показать, обозначив неспаренный электрон внешнего энергетического уровня атома одной точкой, а общую электронную пару – двумя точками:

Н· + ·Н  Н : Н

Общую электронную пару или ковалентную связь часто обозначают черточкой, например, Н – Н.

Общая электронная пара образуется в результате перекрывания S – орбиталей атомов водорода, на которых находятся электроны с противоположными спиновыми квантовыми числами. При этом в области перекрывания орбиталей создается повышенная электронная плотность.

Рассмотрим возникновение ковалентной связи в молекуле фтора. Атом фтора имеет семь электронов на внешнем энергетическом уровне, причем на 2р - подуровне находится один неспаренный электрон.

При сближение двух атомов фтора происходит перекрывание 2р – орбиталей с неспаренными электронами, в результате формируется общая электронная пара:

F + F  F F или F – F

У каждого атома фтора в молекуле Р₂ сохраняется три неподеленные электронные пары.

Существуют молекулы, в которых между двумя атомами возникают две или три общие электронные пары. Такие ковалентные связи называются двойными и тройными, а общее их название – кратные связи.

Например, в образовании химических связи в молекуле азота N₂ участвуют по три электрона каждого атома азота.

В этом случае образуется три общие электронные пары:

N N или N  N

Таким образом, ковалентной называется связь, осуществляемая одной или несколькими общими электронными парами.

а) Важнейшие характеристики ковалентной связи

Характеристиками химической связи, в том числе ковалентной являются ее полярность, энергия и длина. Особое свойство ковалентной связи – ее направленность.

Если общая электронная пара симметрична относительно атомов, то ковалентная связь называется неполярной. Неполярная ковалентная связь о б р а з у е т с я п р и в з а и м о д е й с т в и и а т о м о в с о д и н а ко в о й электроотрицательностью. В рассмотренных выше примерах – молекулах Н₂Р₂ и N₂ существует неполярная связь.

Е с л и в з а и м од е й с т ву ю щ и е ат о м ы и м е ю т р а з л и ч н у ю электроотрицательность, то общая электронная пара смещена к атому с большей электроотрицательностью. В этом случае возникает полярная ковалентная связь. Например, полярной является связь в молекуле фтороводорода НР. При образовании молекулы происходит перекрывание S – орбитами атома фтора. Общая электронная пара расположена несимметрично относительно центров взаимодействующих атомов. Схему образования связи Н-F можно представить так:

Н + F  H F

Полярность связи в молекуле можно показать стрелкой, направленной в сторону атома с большей электроотрицательностью: НF.

В результате смещения электронной пары в молекуле НF возникает диполь. Диполь – это система из двух зарядов, равных по абсолютной величине, но противоположных по знаку. Принимают, что атом, к которому смещена общая электронная пара, приобретает некоторый отрицательный заряд, а другой атом – положительный заряд:

 -

Многие молекулы, в которых возникают диполи, являются полярными. Вместе с тем существуют молекулы, которые не являются полярными, несмотря на полярный характер химических связей в них. К таким молекулам относится, например, молекула оксида углерода (IV), имеющая линейное строение:

Две одинаковые полярные связи, направленные под углом 180° и компенсируют электрические моменты друг друга, поэтому молекула является неполярной.

Прочность химической связи характеризуется энергией связи, т.е. энергией необходимой для разрыва связи. Значения энергии разрыва химических связей обычно приводятся в расчете на 1 моль вещества. Так, для молекулы Н₂ энергия связи равна 432,1 КДЖ/моль, Р₂ – 155 КДЖ/моль, НР – 565,7 КДЖ/моль. Длина связи – расстояние между ядрами атомов, образующих связь, например, длина связи в молекуле Н2 равна 0,074 нм, F₂ – 0.142 нм, НР – 0,092 нм. Кратные связи короче простых, что можно проиллюстрировать примером связей углерод-углерод: длина одинарной связи С – С 0,154 нм, двойной С = С 0,134 нм, тройной С  С 0,120 нм.

Ковалентная связь имеет направленность. В рассматриваемых выше примерах химической связи в молекулах Н₂, Р₂, НР за направление связи принимается линия, проходящая через центры взаимодействующих атомов.

Рассмотрим направленность ковалентных связей в молекулах воды. Строение электронной оболочки атома кислорода, входящего в состав молекул воды:

Ковалентные связи атом кислорода образует за счет 2р - орбиталей с неспаренными электронами, которые расположены под углом 90° друг другу. Эти орбитали перекрываются с S-орбиталями атомов водорода. В результате образуется молекула, в которой связи направлены под углом друг к другу за счет взаимного отталкивания электронных пар угол между связями, в молекуле воды (валентный угол) равен 104,5°.

б). Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи

Ковалентная связь может образоваться при перекрывании полностью свободной орбитали одного атома и орбитали с неподеленной электронной парой другого атома:

A + : Д  А Д или А - Д

Свободная орбиталь неподеленная электронная акцептора пара донора

В этом случае так же формируется общая электронная пара, только вклад каждого из атомов в химическую связь различен. Атом А, который представляет свободную орбиталь, называется акцептором, атом Д, представляющий электронную пару, является донором. Такой механизм образования ковалентной связи называется донорно-акцепторным.

Примером донорно-акцепторного взаимодействия является реакция между ионом водорода Н+ (1S° - свободная S – орбиталь) и молекулой аммиака :NH3 с образованием катиона аммония:

или  акцептор донор.

Следует отметить, что все четыре связи N-H в катионе аммония равноценны.

Ионная связь

Чисто ионной связью называется химически связанное состояние атомов, при котором устойчивое электронное окружение достигается путем полного перехода общей электронной плотности к атому более электроотрицательного элемента.

На практике полный переход электрона от одного атома к другому атому – партнеру по связи не реализуется, поскольку каждый элемент имеет большую или меньшую электроотрицательность, и любая химическая связь будет в некоторой степени ковалентной. Если степень ковалентной связи достаточна высока, то такая химическая связь является полярной ковалентной связью с той или иной степенью ионности. Если же степень ковалентности связей мала, по сравнению со степенью ее ионности, то такая связь считается ионной.

Ионная связь возможна только между атомами электроположительных и электроотрицательных элементов, находящимися в состоянии разноименно заряженных ионов. Процесс образования ионной связи позволяет объяснить электростатическая модель, т.е. рассмотрение химического взаимодействия между отрицательно и положительно заряженными ионами.

Ионы – это электрически заряженные частицы, образующиеся из нейтральных атомов или молекул путем отдачи или приема электронов.

При отдаче или приеме электронов молекулами образуются молекулярные или многоатомные ионы, например,  - а т и о н диоксигена,  - нитрит-ион.

Одноатомные положительные ионы, или одноатомные отрицательные ионы, или одноатомные анионы, возникают при химической реакции между нейтральными атомами путем взаимопередачи электронов при этом атом, электроположительного элемента, обладающий небольшим числом внешних электронов, переходит в более устойчивое состояние одноатомного катиона путем уменьшения числа этих электронов. Наоборот, атом электроотрицательного элемента, имеющий большое число внешних электронов, переходит в более устойчивое для него состояние одноатомного иона путем увеличения числа электронов. Одноатомные катионы образуются, как правило, металлами, а одноатомные анионы – неметаллами.

При передачи электронов атомы металлических и неметаллических элементов стремятся сформироваться вокруг своих ядер устойчивую конфигурацию электронной оболочки. Атом неметаллического элемента создает вокруг своего остова внешнюю оболочку последующего благородного газа. Тогда как атом металлического элемента после отдачи внешних электронов получает устойчивую октетную конфигурацию предыдущего благородного газа.

Ионные кристаллы

При взаимодействии металлических и неметаллических простых веществ, сопровождающемся отдачей и приемом электронов, образуются соли. Пример:

2Na + Cl₂ = 2NaCl ,   

2Al + 3F₂ = 2AlF₃     

Ионная связь характерна не только для солей производного бескислородных и кислородосодержащих кислот [типа NaCl, AlF₃, NaNO₃, Al(SO₄)₃], но и для других классов неорганических веществ – основных оксидов и гидроксидов [типа Na₂O и NaOH], бинарных соединений [типа Li₃N и CaC₂]. Между ионами с противоположными по знаку зарядами проявляются электростатические силы притяжения. Такие силы притяжения изотропны, т.е. действуют одинаково, во всех направлениях. В результате расположение ионов в твердых солях упорядочивается в пространстве определенным образом. Система упорядочено расположенных катионов и анионов называется ионной кристаллической решеткой, а сами твердые вещества (соли, основные оксиды и гидроксиды) – ионными кристаллами.

Все ионные кристаллы имеют солеобразный характер. Под солеобразным характером понимается определенный набор свойств, отличающий ионные кристаллы от кристаллических веществ с другими типами решеток. Конечно, не все ионные решетки характеризуются таким расположением ионов в пространстве, число ионов – соседей с противоположным зарядом может быть и иным, однако чередование катионов и анионов в пространстве является обязательным для кристаллов.

Вследствие того, что кулоновские силы притяжения распространяются одинаково по всем направлениям, ионы в узлах кристаллической решетки связаны относительно прочно, хотя каждый из ионов не зафиксирован неподвижно, а непрерывно совершает тепловые колебания вокруг своего положения в решетке. Поступательное же движение ионов вдоль решетки отсутствует, поэтому все вещества с ионными связями при комнатной температуре – твердые (кристаллические). Амплитуда тепловых колебаний может быть увеличена нагреванием ионного кристалла, которое приводит в итоге к разрушению решетки и переходу твердого вещества в жидкое состояние (при температуре плавления). Температура плавления ионных кристаллов относительно высока, а температура кипения, при которой совершается переход жидкого вещества в самое неупорядоченное, газовое состояние, имеет очень большие значения.

Многие соли, особенно многоэлементные комплексные, а так же соли органических кислот могут разлагаться при температуре более низких, чем температура кипения и даже температура плавления.

Типичным свойством многих соединений с ионной связью (которые не взаимодействуют с водой или не разлагаются до плавления) является их способность к диссоциации на составляющие ионы; вследствие подвижности ионов водные растворы или расплавы ионных кристаллов проводят электрический ток.

В ионных кристаллах отсутствуют связи между отдельными парами ионов; точнее следует сказать, что все содержащиеся в образце ионного соединения катионы и анионы оказываются связанными.

В ионных кристаллах, построенных из катионов и анионов, молекулы отсутствуют.

Химические формулы ионных веществ передают только соотношение катионов и анионов в кристаллической решетке; в целом образец ионного вещества электронейтрален. Например, в соответствии с формулой ионного кристалла Al₂O₃ соотношение катионов Al₃+ и анионов О₂- в решетке равно 2:3; вещество электронейтрально – шесть положительных зарядов (2 Al₃+) нейтрализуется шестью отрицательными зарядами (3 О₂-).

Хотя реальных молекул в ионных кристаллах не существует для единообразия с ковалентными веществами принято с помощью формул типа NaCl и Al₂O₃ передавать состав условных молекул, следовательно, характеризовать ионные вещества определенными значениями относительной молекулярной массы. Это тем более оправдано, поскольку переход от ковалентной связи к ионной происходит постепенно и имеют лишь условную границу с Dх = 1,7.

Относительная молекулярная масса веществ с ионной связью находится сложением относительных атомных масс соответствующих элементов с Строение и форма кристаллов являются предметом исследования кристаллографии, а связь свойств кристаллов и их строения изучает кристаллохимия.

Следует отметить, что соединений в которых существует только ионная связь практически нет. Всегда между соседними атомами в кристалле возникают и ковалентные связи.

Металлическая связь

Металлы и сплавы металлов кристаллизируются в форме металлических решеток. Узлы в металлической решетке заняты положительными ионами металлов. Все металлы, за редкими исключениями, кристаллизуются в одном из трех типов решеток. При кубической плотнейшей упаковке атомных остатков формируется гранецентрированноя решетка; при гексагональной плотнейшей упаковке - гексагональная решетка. Кристаллы щелочных металлов, бария и некоторых переходных металлов образует объемно центрированную кубическую решетку. Названия решеток соответствуют упаковке атомных остатков в вершинах и серединах граней элементарного куба, в виде гексагональной призмы и в вершинах и геометрическом центре элементарного куба.

Заполнение гранецентрированной кубической и гексагональной решеток атомными остовами является максимально возможным при данных геометрических размерах атомных остатков металлов, поэтому такие виды упаковок атомов называются плотнейшими. Плотнейшим упаковкам атомов соответствует и максимальное координационное число решетки, т.е. число ближайших соседей, окружающих данный атомный остов в пространстве. Для кубической и гексагональной плотнейших упаковок координационное число равно 12; в объемно центрированной кубической решетке координационное число равно 8.

Валентные электроны, отделившиеся от атомов металлов и оставившие в узлах решетки соответствующие атомные остовы (катионы), более или менее свободно перемещаются в пространстве между катионами и обуславливают металлическую электрическую проводимость металлов. По аналогии с молекулами газообразного вещества совершающими хаотическое движение, подвижные электроны рассматривают как электронный газ в металле.

Устойчивость металлической решетки обеспечивается наличием электростатического притяжения между положительно заряженными атомными остовами и отрицательно заряженными подвижными электронами, связывающие кулоновские силы действуют на все соседние атомные оставы равномерно и поэтому они менее прочные, чем силы направленного химического связывания в атомных кристаллических решетках. Вследствие этого большинство металлических простых веществ, в отличие от алмазоподобных веществ, имеют относительно низкие температуры плавления. (Важнейшие исключения: Мо 2620, Re 3190, W 3387° С).

Подобно атомам в атомных решетках и ионам в ионных решетках, катионы в металлических решетках, не обладающие поступательным движением, постоянно совершают колебания вокруг положения узлов решетки. Амплитуда этих колебаний при нагревании возрастает, и при достижении температуры плавления металла решетка разрушается. Температура плавления металлов, как правило, возрастает с увеличением числа валентных электронов в их атомах и с уменьшением расстояния между атомами остовами в решетке – параметра решетки а.

Натрий плавится при более высокой температуре, чем калий, вследствие меньшего значения параметра, а кальций плавится при значительно более высокой температуре, чем калий, в основном по причине удвоенного числа валентных электронов.

От упаковки кристаллических решеток зависит пластическая деформируемость металлов. Она тем выше, чем больше в металлической решетке плотнейших шаровых слоев и чем меньше пустот, тормозящих скольжение слоев. Наименьшая ковкость у металлов с гексагональной решеткой промежуточная – с объемно-центрированной кубической решеткой и наибольшая – с гранецентрированной кубической решеткой.

Пример. При нагревании железа до 911°С низкотемпературная объемноцентрированная кубическая решетка переходит в гранецентрированную кубическую решетку; по этой причине раскаленное железо значительно легче поддается ковке.

При затвердевании металлических расплавов происходит массовая кристаллизация и возникает одновременно множество мелких кристалликов, они называются кристаллитами. Рост кристаллита протекает в окружении подобных мелких кристаллов; при этом исключается значительное увеличение размеров кристаллитов и поэтому они не видны визуально на изломе металла и образец металла кажется монолитным.

Смеси двух или более индивидуальных металлов называются сплавами. В сплавах могут присутствовать в небольших количествах и некоторые неметаллы (С, Si, S). Распространенным методом получения сплавов является совместное нагревание их составных частей до полного расплавления смеси. Однако, есть металлы, которые не сплавляются друг с другом в любых отношениях.

                                         1.2.    Классификация электротехнических материалов

Электротехнические материалы (ЭТМ) подразделяют на четыре основных класса: диэлектрические, полупроводниковые, проводниковые и магнитные. По своему поведению в электрическом поле ЭТМ подразделяются на три класса: диэлектрические, полупроводниковые и проводниковые. Значения их удельного сопротивления находятся соответственно в пределах: 10^-8-10^-5, 10^-6-10⁸ ,10⁷-10¹⁷ Ом-м, а значения ширины запрещенной зоны соответственно равны 0—0,05; 0,05—3 и более 3 эВ.  магнитном же поле — на два класса: магнитные (сильномагнитные) и немагнитные (слабомагнитные). К первым относятся ферро и ферримагнетики, а ко вторым - диа-, пара- и антиферромагнетики.

Диэлектрические материалы обладают способностью поляризоваться под действием приложенного электрического поля и подразделяются на два подкласса: диэлектрики пассивные и активные. Пассивные диэлектрики (или просто диэлектрики) используют  для создания электрической изоляции токопроводящих частей — они препятствуют прохождению электрического тока другими, нежелательными путями и являются материалами электроизоляционными; 2 — в электрических конденсаторах — служат для создания определенной электрической емкости; в данном случае важную роль играет их диэлектрическая проницаемость: чем выше эта величина, тем меньше габариты и вес конденсаторов.

Активные диэлектрики в отличие от обычных применяют для изготовления активных элементов (деталей) электрических схем. Детали, изготовленные из них, служат для генерации, усиления, модуляции, преобразования электрического сигнала. К ним относятся: сегнето- и пьезоэлектрики, электреты, люминофоры, жидкие кристаллы, электрооптические материалы и др.

Полупроводниковые материалы по величине удельной электропроводности занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками. Характерной их особенностью является существенная зависимость электропроводности от интенсивности внешнего энергетического воздействия: напряженности электрического поля, температуры, освещенности, длины волны падающего света, давления и т.п. Эта их особенность положена в основу работы полупроводниковых приборов:

диодов,транзисторов, термисторов, фоторезисторов, тензодатчиков и др.

Проводниковые материалы подразделяются на четыре подкласса: материалы высокой проводимости, сверхпроводники и криопроводники, материалы высокого (заданного) сопротивления, контактные материалы.

Материалы высокой проводимости используют там, где необходимо, чтобы электрический ток проходил с минимальными потерями. К таким материалам относятся металлы: Си, А1, Ре, Аg, Аи, Р1 и сплавы на их основе. Из них изготавливают провода, кабели и другие токопроводящие части электроустановок.

Сверхпроводниками являются материалы, у которых при температурах ниже некоторой критической Ткр сопротивление электрическому току становится равным нулю.

Криопроводники — это материалы высокой проводимости, работающие при криогенных температурах (температуре кипения жидкого азота -195,6°С).

Проводниковыми материалами высокого (заданного) сопротивления являются металлические сплавы, образующие твердые растворы. Из них изготавливают резисторы, термопары и электронагревательные элементы. Из контактных материалов изготавливают скользящие и разрывные контакты. В зависимости от предъявляемых требований эти материалы очень разнообразны по своему составу и строению. К ним относятся, с одной стороны, металлы высокой проводимости (Си, Аg, Аu, Р1 и т.п.) и сплавы на их основе, с другой - тугоплавкие ме таллы (W, Та, Мо и др.) и композиционные материалы. Последние, хотя и имеют относительно высокое электрическое сопротивление, обладают повышенной стойкостью к действию электрической дуги, образующейся при разрыве контактов. К магнитным материалам, используемым в технике, относят ферромагнетики и ферриты. Их магнитная проницаемость имеет высокие значения (до 1,5-106) и зависит от напряженности внешнего магнитного поля и температуры. Магнитные материалы применяют для концентрации магнитного поля в сердечниках катушек индуктивности, дросселях и других конструкциях, в качестве магнитопроводов запоминающих устройств в ЭВМ и т.п. Они способны сильно намагничиваться даже в слабых полях, а некоторые из них сохраняют намагниченность и после снятия внешнего магнитного поля. К наиболее широко используемым в технике магнитным материалам относятся Ре, Со, N1 и их сплавы.

                                         1.3.    Относительная диэлектрическая проницаемость

Относительная диэлектрическая проницаемость, или диэлектрическая проницаемость ε— один из важнейших макроскопических электрических параметров диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость ε количественно характеризует способность диэлектрика поляризоваться в электрическом поле, а также оценивает степень его полярности; ε является константой диэлектрического материала при данной температуре и частоте электрического напряжения и показывает, во сколько раз заряд конденсатора с диэлектриком больше заряда конденсатора тех же размеров с вакуумом.

Диэлектрическая проницаемость определяет величину электрической емкости изделия (конденсатора, изоляции кабеля и т.п.).

В свою очередь, электрическая емкость С является коэффициентом пропорциональности между поверхностным зарядом Q_К, накопленным конденсатором, и приложенным к нему электрическим напряжением U 

Q=CU

Рассмотрим механизм образования заряда Q_К  на электродах конденсатора с диэлектриком и из каких составляющих складывается этот заряд. Для этого возьмем два плоских конденсатора одинаковых геометрических размеров: один — с вакуумом, другой — с межэлектродным пространством, заполненным диэлектриком, и подадим на них одинаковое электрическое напряжение U. На электродах первого конденсатора образуется заряд Q₀, на электродах второго — Q_К.  В свою очередь, заряд Q_К является суммой зарядов Q₀ и Q (1):

 Q_К=Q₀+Q

 Заряд Q₀ образован внешним полем Е₀ путем накопления на электродах конденсатора сторонних зарядов с поверхностной плотностью σ₀. Q — это дополнительный заряд на электродах конденсатора, создаваемый источником электрического напряжения для компенсации связанных зарядов, образовавшихся на поверхности диэлектрика.

В равномерно поляризованном диэлектрике заряд Q соответствует величине поверхностной плотности связанных зарядов σ. Заряд σ образует поле Есз, направленное противоположно полю Е_О .

Диэлектрическую проницаемость рассматриваемого диэлектрика можно представить как отношение заряда Q_К конденсатора, заполненного диэлектриком, к заряду Q₀  такого же конденсатора с вакуумом.

Ε=Q_k/Q₀

 Диэлектрическая проницаемость ε — величина безразмерная, и у любого диэлектрика она больше единицы; в случае вакуума ε = 1. Из рассмотренного примера также видно, что плотность заряда на электродах конденсатора с диэлектриком в ε раз больше плотности заряда на электродах конденсатора с вакуумом, а напряженности при одинаковых напряжениях для обоих конденсаторов одинаковы и зависят только от величины напряжения U и расстояния между электродами (Е = U /h).

Кроме относительной диэлектрической проницаемости ε различают абсолютную диэлектрическую проницаемость ε_а, Ф/м, которая не имеет физического смысла и используется в электротехнике.

Относительное изменение диэлектрической проницаемости εr при повышении температуры на 1 К называется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости.

ТКε =  1/ ε_r d ε_r/dT К-1 Для воздуха при 20°С ТК ε_r = -2.10-6К-

Электрическое старение в сегнетоэлектриках выражается в уменьшении ε_r со временем. Причиной является перегруппировка доменов.

Особенно резкое изменение диэлектрической проницаемости со временем наблюдается при температурах, близких к точке Кюри. Нагревание сегнетоэлектриков до температуры более точки Кюри и последующее охлаждение возвращает ε_r к прежнему значению. Такое же восстановление диэлектрической проницаемости можно осуществить, воздействуя на сегнетоэлектрик электрическим полем повышенной напряженности.

Для сложных диэлектриков – механической смеси двух компонентов с разным ε_r в первом приближении : εrх = θ₁ • ε_r1х •θ• ε_r2х , где θ – обьемная концентрация  компонентов смеси, ε_r  - относительная

диэлектрическая проницаемость компонента смеси.

Поляризация диэлектрика может быть вызвана: механическими нагрузками (пьезополяризация в пьезоэлектриках); нагревом

(пирополяризация в пироэлектриках); светом (фотополяризация).

Поляризованное состояние диэлектрика в электрическом поле Е характеризуется электрическим моментом единицы объема, поляризованностью Р, Кл/м², которая связана с его относительной

диэлектрической проницаемостью eг : Р = ε ₀ (ε e_г - 1)Е,

где ε ₀ = 8,85∙10-12 Ф/м. Произведение ε₀∙e_г = ε, Ф/м, называют абсолютной диэлектрической проницаемостью. В газообразных диэлектриках e_г мало отличается от 1,0, в неполярных жидких и твердых достигает 1,5 - 3,0, в полярных имеет большие значения; в ионных кристаллах ε e_г - 5-110, а в имеющих перовскитовую кристаллическую решетку достигает 200; в сегнетоэлектриках ε _г - 103 и больше.

В неполярных диэлектриках с ростом температуры ε_г незначительно уменьшается, в полярных изменения связаны с преобладанием того или иного вида поляризации, в ионных кристаллах увеличивается, в некоторых сегнетоэлектриках при температуре Кюри достигает 104 и больше.

1.4. Электрические и магнитные свойства

Электрофизические характеристики материалов. Диэлектрическая и магнитная проницаемости.

Особенностями использования  материалов в электроэнергетике является то, что они эксплуатируются в условиях воздействия электрических полей, и в несколько меньшей степени, в условиях воздействия магнитных полей. Основными процессами, происходящими под действием этих полей являются поляризация вещества, электропроводность, намагничивание вещества. В предыдущей лекции рассматривалась электропроводность.          Напомнить термины и определения.

 Электрическое поле - это вектор, направленный от положительного заряда к отрицательному заряду. Численно оно равно силе, действующей на единичный заряд (заряд в один кулон). Размерность напряженности поля в системе единиц СИ - В/м. С напряжением между точками a и b оно связано следующим выражением:   

                                                                                                      (1.4.1),

а с потенциалом ε:    

 E = -grad ε.                                                                              (1.4.2)

     В однородном поле, в межэлектродном зазоре d,  эти выражения упрощаются 

 U = E·d, или E = U/d                                                               (1.4.3) Диэлектрическая проницаемость материалов.

 

        Определение этой величины вы должны помнить еще из школы. Давайте вспомним. Если взять плоский конденсатор в вакууме, то заряд на каждой его пластине равен (по модулю):

                                                                             (1.4.4)

где ε₀ - диэлектрическая постоянная, или диэлектрическая проницаемость вакуума, ε ₀ = 8.85 10^-12 Ф/м, S-площадь каждой из пластин, d - зазор между пластинами,  U - напряжение между ними.

Если в межэлектродное пространство ввести диэлектрик, то что произойдет? Все зависит от того, подключен заряженный конденсатор к источнику или отключен. В подключенном конденсаторе напряжение между пластинами принудительно поддерживается, но заряд на каждой пластине увеличивается до нового значения Q_m.

 Отношение Q_m/Q₀ = ε называется диэлектрической проницаемостью материала.

Из самого определения видно, что диэлектрическая проницаемость материала является безразмерной величиной.

В отключенном от источника заряженном конденсаторе ситуация несколько отличается. Заряд не может измениться, т.к. ему некуда утекать и неоткуда притекать. В этом случае изменится другой параметр. Оказывается уменьшаются напряжение на конденсаторе и, соответственно, напряженность поля в конденсаторе.

Коэффициент ослабления поля тот же самый, как и в случае увеличения заряда при подключенном источнике, т.е. он равен ε.        Это второе определение диэлектрической проницаемости.

За счет чего это происходит? Рассмотрим этот вопрос подробнее. Здесь придется обратиться к понятию поляризации. Как известно, молекулы состоят из атомов, окруженных электронными оболочками. При этом электроны могут равномерно распределяться по молекуле, а могут и концентрироваться на каких-либо атомах. В первом случае говорят, что молекула неполярная. Пример - молекула водорода или атом гелия, или молекула бензола. Во втором случае в молекуле образуются области с положительным и отрицательным зарядом. Если в молекуле можно выделить направление, вдоль которого с одной стороны можно расположить положительные заряды, а с другой стороны - отрицательные, то такая молекула называется полярной или дипольной.

 Дипольный момент молекулы  является вектором, направленным от отрицательного к положительному заряду. Численно он равен произведению расстояния между зарядами на модуль заряда.

В неполярной молекуле под действием электрического поля происходит смещение электронных оболочек. Возникает индуцированный дипольный момент у молекулы, молекула поляризуется.

 П о л я р и з а ц и я з а с ч е т с м е щ е н и я э л е к т р о н о в называется электронной. Возникающий дипольный момент невелик. Диэлектрическая проницаемость неполярных жидкостей и твердых диэлектриков также невелика, она не превышает 3.

 Диэлектрики, состоящие из неполярных молекул называются неполярными диэлектриками.

В полярной молекуле под действием поля происходит поворот диполя в направлении  напряженности электрического поля. В этом случае, в зависимости от значения дипольного момента молекулы и концентрации молекул поляризация может быть значительной. Для жидкостей и твердых диэлектриков с дипольной поляризацией диэлектрическая проницаемость достигает примерно 100 и даже больше.

 Д иэле кт рики, с о с тоящ ие из полярны х моле кул называются полярными диэлектриками.

В некоторых твердых диэлектриках может существовать особый вид поляризации: спонтанная, или доменная поляризация. Она существует только в кристаллах, но далеко не во всех, в аморфных телах ее не бывает. Оказывается иногда в среде возникают самопроизвольно микроскопические области с поляризацией, которая получается при смещении положительно заряженных ионов решетки в одну сторону, а отрицательно заряженных ионов в другую сторону.

 М и к р о о б л а с т ь с о с п о н т а н н о й п о л я р и з а ц и е й называется доменом.  Обычно размер доменов составляет микроны и десятки микрон. Суммарный дипольный момент любого образца равен нулю, т.к. дипольные моменты доменов направлены в разные стороны.

 Если дипольные моменты доменов хаотически направлены в разные стороны, то такой диэлектрик называется сегнетоэлектриком.

  Если домены существуют парами, причем у каждой пары дипольные моменты направлены в противоположные стороны, такой диэлектрик называется антисегнетоэлектриком. П од д е й с т в и е м электрического поля домены в диэлектрике поворачиваются в направлении электрического поля, как гигантские диполи. Только в отличии от диполей, где молекулы физически поворачиваются, в доменах перестраивается структура, так, что результирующий вектор поляризации каждого домена чуть-чуть смещается в направлении поля. 

Диэлектрическая проницаемость с егнето элект риков и антисегнетоэлектриков велика, она может достигать десятков тысяч.

 Суммарный дипольный момент единицы объема называется поляризацией  .Вектор поляризации, появляющейся под действием электрического поля, направлен вдоль направления электрического поля. Его значение связано с напряженностью поля P.

Диэлектрическая проницаемость связана с восприимчивостью

В газообразном диэлектрике количество дипольных моментов мало вследствие низкой плотности газа, поэтому диэлектрическая проницаемость мало отличается от единицы, даже для полярных газов (Отличие в третьем, четвертом знаке после запятой).

Именно поляризация и вызывает увеличение плотности заряда на обкладках конденсатора при подключенном источнике. Значение плотности заряда на обкладках конденсатора. Естественно, что в случае вакуума поляризация равна нулю, диэлектрическая проницаемость в точности равна единице.

 В электродинамике вводят понятие вектора электрического смещения

                                                                            (1.4.5.)

который определяет заряд как в случае вакуума, так и в случае

диэлектрика. Другие названия этого термина - электрическая индукция или электростатическая индукция. Размерность индукции Кл/м². Кроме приведённых выражений полезно будет также вспомнить соотношения для электрического смещения D:

                                                                   ,                                                                        (1.4.6.)

                      

            Энергия электрического поля в среде связана с диэлектрической проницаемостью 

W = E²/2 или W = DE/2, или W = D²/2.

Для устройств, содержащих в себе электрические поля важно понимать как изменяется напряженность электрического поля при использовании комбинации двух диэлектриков с разной диэлектрической проницаемостью. Если расположить диэлектрики так, что электрическое поле перпендикулярно поверхности раздела, то значения напряжённости поля в каждом материале обратно пропорциональны диэлектрическим проницаемостям:

                                                          

=

                                                               (1.4.7)

  Рассмотрим простую задачку. В плоский конденсатор с зазором d и напряжением U вводят пластину диэлектрика, которая имеет толщину d₁, диэлектрическую проницаемость ε. Как изменится поле в оставшейся части зазора и какое поле будет в диэлектрике?

Несложно решить эту задачу воспользовавшись выражениями (1.4.6) и

(1.4.7), которые для нашего случая можно переписать как

Е_в(d-d₁) + E_дd₁= U                                                                            (1.4.8)

ЕвEв= EдEд

Решив систему уравнений получим:

 (1.4.9)

Анализируя эти выражения можно увидеть, что поле в газовой прослойке всегда увеличено, а в диэлектрической - уменьшено. Емкость конденсатора в этом случае увеличена, но незначительно по сравнению с емкостью конденсатора без диэлектрика.

В случае, когда электрическое поле параллельно поверхности раздела, напряженности поля в материалах одинаковы. Этот случай можно реализовать, вводя в конденсатор диэлектрик, толщины, равной величине межэлектродного зазора в конденсаторе. Емкость, при этом, увеличивается существенно, пропорционально объемной доле диэлектрика .

Для понимания процессов в диэлектриках важно знать значения полей в случае различных электродов. Наиболее часто используются модельные представления электродных систем, к которым с той или иной степенью приближения можно свести многие реальные системы электродов. Это три типа полей:

-   плоско- параллельное,

-   радиально-цилиндрическое, или аксиальное- радиально-сферическое.

Ниже приводятся описание этих полей и необходимые для расчета формулы.

Плоско-параллельное поле.  Здесь эквипотенциальные поверхности (поверхности уровня) представляют собой параллельные плоскости, а линии индукции, совпадающие с направлением вектора напряженности поля (которая во всех точках поля одинакова), - перпендикулярны этим плоскостям.

Значение ёмкости:         

                                                   (1.4.10)

 В плоско-параллельном  поле напряженность Е  одинакова во

всех точках. Поэтому:

                                              (1.4.11)

                Радиально-цилиндрическое поле. Эквипотенциальными  в этом поле являются коаксиальные (имеющие общую ось) цилиндрические поверхности, а линии поля располагаются в радиальном направлении.

Распределение напряженности электрического поля:

                                                                                Е( r )=         

Значение емкости:

                                                                            (1.4.12)

r₁ - радиус внутреннего цилиндра, r₂ - радиус внешнего цилиндра

Радиально-сферическое поле. В этом поле поверхности уровня - это сферы с общим центром, а линии индукции направлены по радиусам.

             Распределение напряженности электрического поля:

                                                                                Е( r )=         

 Значение емкости:

                                                                                               (1.4.13)

Причем емкость шара по отношению к сфере бесконечного радиуса

                                                                                                 (1.4.14)

Ёмкость полушария в два раза меньше емкости шара.

 

Магнитная проницаемость.

 

          Аналогично рассмотрению диэлектрической проницаемости, связывающей электрическую индукцию с напряженностью электрического поля, магнитная проницаемость связывает магнитную индукцию B с напряженностью магнитного поля H.

     B=_0                                                                             (1.4.15)

Здесь ₀- магнитная постоянная или магнитная проницаемость вакуума. ₀ = 410^-7 Гн/м. Можно ввести понятие намагниченности ₀M = B - ₀. Этот фактор вносит в магнитную индукцию именно среда, т.е. намагниченность является характеристикой среды. Аналогично поляризации среды в электрическом поле намагниченность складывается из намагниченностей отдельных атомов, которые называются магнитными моментами атомов M = m_i. Намагниченность обычно пропорциональна напряженности магнитного поля

        M = _м Н                                                                          (1.4.16)

                  где _м - м а г н и т н а я       в о с п р и и м ч и в о с т ь          в е щ е с т в а .

Значения  и _м связаны  = _м+1

Энергия магнитного поля W = B/2 = _0²/2 = B²/2_0

Магнитное поле имеет отличия от электрического поля. Электрическое поле создается зарядами, магнитное - токами. Силовые линии электрического поля начинаются на положительном заряде и, обязательно, заканчиваются на отрицательном заряде. Силовые линии магнитного поля замкнуты, они окружают линии тока. В электрическом поле заряд порождает индукцию поля.

      D = q/4₀r²                                                                        (1.4.17)

В магнитном поле ток порождает напряженность магнитного поля (закон Био-Савара).

   H= I2r.                                                                                        (1.4.18)

    Приведем еще выражение для напряженности поля и индукции в длинном соленоиде, которое специфично именно для магнитного поля.

   H=nI,B _0nI                                                                              (1.4.19)

где n- число витков катушки на единицу длины.

            В электрическом поле сила, действующая на заряд, пропорциональна напряженности поля (закон Кулона). В магнитном поле, сила действующая на заряд пропорциональна индукции. Еще одно принципиальное отличие состоит в том, что диэлектрическая проницаемость не может быть меньше 1, тогда как магнитная проницаемость может быть меньше 1 в некоторых материалах. Различные материалы по разному ведут себя в магнитном поле и, соответственно имеют различную магнитную проницаемость.

     Диамагнетики - в е щ е с т в а , и м е ю щ и е м а г н и т н у ю проницаемость меньше 1.

Подавляющее большинство веществ являются диамагнетиками. Диамагнетизм проявляется тогда, когда атомы и молекулы не имеют магнитного момента в отсутствии магнитного поля, а намагниченность создается только за счет действия магнитного поля на электроны молекул. При этом магнитная восприимчивость µ_м< 0. По порядку величины значение восприимчивости составляет (-10^-6).

     Парамагнетики - в е щ е с т в а , и м е ю щ и е м а г н и т н у ю проницаемость больше 1.

Эти вещества содержат атомы и электроны, имеющие собственный магнитный момент, который связан с орбитальным движением электронов или с собственным моментом импульса электрона, т.н. спином. Парамагнетиками являются кислород, магний, натрий (NaCl - диамагнетик), кальций, титан, палладий.

    Ферромагнетики - в е щ е с т в а , и м е ю щ и е м а г н и т н у ю проницаемость много больше чем 1, которая создается спонтанной намагниченностью доменов, хаотически ориентированных в пространстве.

Это железо, никель, кобальт и ряд более редких веществ. На основе этих элементов изготавливаются магнитные материалы.

     Ферримагнетики - веще ства, имеющие магнитную проницаемость много больше чем 1, которая создается спонтанной намагниченностью кристаллических решеток, попарно антипараллельно ориентированных в пространстве. При этом суммарный магнитный м о м е н т   н е     р а в е н      н у л ю .   

     Антиферромагнетики - в е щ е с т в а , и м е ю щ и е м а г н и т н у ю проницаемость немного больше чем 1, которая создается спонтанной намагниченностью кристаллических решеток, попарно антипараллельно ориентированных в пространстве и скомпенсировавших друг друга.

Примеры ферримагнетиков и антиферромагнетиков - ферриты, соединения типа Fe₂O₃ c MeO, где Ме - двухвалентный металл.

1.5. Физико-химические и механические свойства диэлектрических материалов.

1.5.1.Влажностные свойства диэлектриков

1.5.2.Механические свойства диэлектриков

1.5.3.Тепловые свойства диэлектриков

1.5.1.Влажностные свойства диэлектриков

Диэлектрические материалы в большей или меньшей степени способны поглощать влагу из окружающей среды, а также пропускать ее через себя, т.е. они в определенной мере гигроскопичны и влагопроницаемы. Количество поглощенной влаги из атмосферного воздуха зависит не только от природы самого диэлектрика, но также и от концентрации водяных паров в воздухе.

В атмосферном воздухе всегда присутствует то или иное количество водяных паров, содержание которых можно оценить по абсолютной влажности — по массе т водяных паров, находящихся в единице объема воздуха, или по относительной влажности Ψв, измеряемой в процентах (1):

 где m— абсолютная влажность воздуха, г/м³; m_н — абсолютная

влажность воздуха при насыщении (при тех же значениях температуры и давления, что и m), г/м³.

На практике содержание водяных паров в воздухе, т.е. влажность воздуха, обычно оценивают относительной влажностью Ψ_в, так как экспериментально определить ее проще, чем абсолютную влажность. Относительную влажность воздуха Ψ_в измеряют с помощью специальных приборов: гигрометров, психрометров и т.п. Абсолютная и относительная влажности зависят от температуры: с увеличением температуры они возрастают (рис.1).

Рис. 1. Абсолютная влажность воздуха т при нормальном атмосферном давлении и различных значениях относительной влажности \|/ в в

функции температуры Т

Следовательно, одному и тому же значению относительной влажности воздуха Ψ_в, измеренному при различной температуре, будут

соответствовать разные значения абсолютной влажности т, т.е. различное содержание водяных паров в единице объема воздуха. Зная относительную влажность воздуха Ψ_в, с помощью формулы (1) и табл.1 можно определить соответствующую ей абсолютную влажность т (при тех же значениях температуры и давления). Например, если относительная влажность воздуха Ψ_в = 70%, то абсолютная влажность при 10°С будет равна m = (9,4 • 70)/100 == 6,58 г/м3, при 20°С m = (17,3-70)/100 = 12,11 г/м3, при 30°С m = 20,23 г/м3. Это положение необходимо учитывать на практике.

Таблица 1.

   

Если в воздух с относительной влажностью Ψ_в поместить два образца одного и того же материала, один из которых сухой, а другой влажный, то первый образец начнет увлажняться, а второй подсыхать. Влажность обоих образцов в течение времени τ будет асимптотически приближаться к некоторой равновесной влажности Ψ_р, соответствующей данной Ψ_в (рис.2).

Рис.2. Изменение во времени τ влажности \|/ образцов материала влажного (1) и сухого (2) при  неизменяющихся значениях \|/ и Т окружающего воздуха в

Эта равновесная влажность Ψ_р, до которой материал стремится увлажниться или подсохнуть, при данной влажности воздуха Ψ_в и температуре у разных материалов различна. У полярных материалов при одной и той же относительной влажности воздуха, например, Ψв = 80% и одной и той же пористости равновесная влажность Ψ_р в 7—8 раз больше, чем у неполярных. Материалы анизотропного строения впитывают влагу в разных направлениях с различной скоростью. На степень увлажнения существенно влияют наличие и размер капиллярных пор. У сильнопористых материалов, особенно волокнистых, Ψ_р выше, чем у материалов плотного, сплошного строения. С увеличением температуры Ψ_р снижается.

Если поглощенная влага внутри материала образует сквозные нити или пленки, то даже небольшое ее количество приводит к резкому ухудшению электрических свойств изоляции. Если же влага распределена в виде отдельных, не соединенных между собой включений, то наличие влаги менее существенно влияет на электрические свойства.

Под гигроскопичностью материала (в узком смысле этого слова) понимают равновесную влажность Ψ_р при 20°С в воздухе с Ψ_в 100%. Если относительная влажность воздуха Ψ_в = 65% (Т=20°С), то это кондиционная влажность материала.

Если материал непосредственно соприкасается с водой, то в этом случае он характеризуется водопоглощаемостью.

Большое практическое значение для оценки качества защитных покрытий (лаковые покрытия изоляции электромашин, шланговая изоляция кабелей, компаундные заливки и т.п.) имеет влагопроницаемость материалов.

 

Рис.3. Схема установки для

определения влагопроницаемости материала

Влагопроницаемость характеризует способность материала пропускать через себя влагу. Благодаря наличию мельчайшей пористости большинство материалов влагопроницаемы. Только стекла, обожженная глазурированная керамика и металлы влагонепроницаемы.

Коэффициент влагопроницаемости П материала находится из основного уравнения влагопроницаемости

где М — количество влаги, кг, проходящее за время τ , с, сквозь участок

поверхности образца материала площадью S, м2, и толщиной h, м, под действием разности давлений Р₁ и Р₂, Па, с двух сторон слоя.

Величина М является разностью весов сосуда с влагопоглотителем до испытания и через время τ  (рис. 3). В единицах СИ  П измеряется в секундах.

Уравнение формально аналогично закону Ома, при этом разность давлений Р₁ — Р₂ подобна разности потенциалов, отношение М/ τ  — силе тока, Н/(ПS) — электрическому сопротивлению тела; коэффициент П аналогичен удельной объемной проводимости.

У различных материалов величина П изменяется в очень широких пределах:

Способность диэлектриков смачиваться водой (или другой жидкостью) характеризуется краевым углом смачивания θ капли воды, нанесенной на плоскую поверхность тела. Чем меньше θ , тем сильнее смачивание; для смачиваемых поверхностей θ < 90°, для несмачиваемых θ > 90° .

       Для уменьшения гигроскопичности и влагопроницаемости простых изоляционных материалов широко применяется их пропитка. Необходимо иметь в виду, что пропитка целлюлозных волокнистых материалов и других органических диэлектриков лишь замедляет увлажнение материала, не влияя на удельное объемное сопротивление после длительного воздействия влажности. Молекулы пропиточных веществ, имеющие весьма большие размеры, по сравнению с размерами молекул воды, не в состоянии создать полную непроницаемость пор материала для влаги, а в наиболее мелкие поры пропитываемого материала они вообще не могут проникнуть.

Появление плесени уменьшает удельное поверхностное сопротивление диэлектриков, приводит к росту потерь, может снизить механическую прочность изоляции и вызвать коррозию соприкасающихся с ней металлических частей. Наиболее стойкими к образованию плесени являются неорганические диэлектрики : керамика, стекло, кремнийорганические материалы и некоторые органические, например эпоксидные смолы, фторопласт – 4, полиэтилен, полистирол.

Испытания на тропикостойкость , электроизоляционные материалы и различные электротехнические изделия длительно выдерживают при температуре 40 - 50С в воздухе, насыщенном парами воды, и при воздействии культур плесневелых грибков (точные условия этих испытаний установлены Международной электротехнической комиссией), после чего определяется степень ухудшения электрических и других свойств исследуемых образцов и отмечается интенсивность роста плесени на них.

С целью улучшения плесенестойкости органической электрической изоляции в ее состав вводят добавки фунгицидов, т.е. веществ, ядовитых для плесневых грибков и задерживающих их развитие, или же покрывают изоляцию лаком, содержащим фунгициды ( соединения, содержащие азот, хлор, ртуть).

1.5.2.Механические свойства диэлектриков

Механические свойства характеризуют способность диэлектрика выдерживать внешние статические и динамические нагрузки без недопустимого изменения первоначальных размеров и формы. Параметры, характеризующие механические свойства, как правило, определяются по стандартным методикам.

Прочность при растяжении, сжатии и изгибе. Простейшие виды статических механических нагрузок – растягивающих, сжимающих и изгибающих – изучаются на основании закономерностей прикладной механики (сопротивления материалов).

Значения пределов прочности при растяжении σ_р, сжатии σ_с и изгибе σ_и В системе СИ выражаются в паскалях ( 1 Па = 1 Н/м² ≈ 10^-5 кгс/см²).

Для электроизоляционных материалов анизотропного строения (слоистых, волокнистых) значения механической прочности сильно зависят от направления приложения нагрузки. Для некоторых диэлектриков (стекло, керамические материалы, многие пластмассы) предел прочности при сжатии значительно больше, чем при растяжении и мзгибе ( в то время как у металлов σ_р, σ_с и σ_и имеют один и тот же порядок ).

Механическая прочность ряда диэлектриков сильно зависит от площади поперечного сечения образцов.

Механическая прочность электроизоляционных материалов сильно зависит от температуры, как правило, уменьшаясь с ее ростом .          

Прочность гигроскопичных материалов нередко существенно зависит от влажности.

Определение предела прочности и относительной деформации при разрушении дает некоторое представление о механической прочности материала и его способности деформироваться под нагрузкой (о пластических свойствах материала), но исчерпывающих сведений о поведении материала под действием механической нагрузки они не дают.

Некоторые материалы (в особенности термопластичные) способны деформироваться при длительном воздействии. Это так называемое пластическое, или холодное, течение материала. Пластическое течение весьма нежелательно, если изделие в эксплуатации должно длительно сохранять неизменными форму и размеры. При повышении температуры и приближении ее к температуре размягчения данного материала пластическое течение материала сильно увеличивается.

Хрупкость – способность разрушаться без заметной пластической деформации. Хрупкость зависит от структуры материала и условий испытания; увеличивается при увеличении скорости нагружения и при понижении температуры, при повышении степени концентрации напряжений. Хрупкость материала, наблюдающаяся только при ударных нагрузках, называется ударной хрупкостью. Многие материалы хрупки, т. Е. обладая сравнительно высокой прочностью по отношению к статическим нагрузкам, в то же время легко разрушаются динамическими (внезапно прилагаемыми) условиями.

У керамики предел упругости и предел прочности при статическом растяжении практически совпадают, а у металлов перед разрушением обнаруживается пластическое течение.

Распространенный прием для оценки способности материала выдерживать динамические нагрузки (хрупкости материала) – испытание на ударный изгиб (определение ударной вязкости). Ударная вязкость σ_уд материала – это затраченная на излом образца энергия W, отнесенная к площади поперечного сечения образца S. Ударная вязкость в системе СИ измеряется в Дж/м²≈10^-3 кгс  . см/см²).

Очень высокой ударной вязкостью обладает полиэтилен, у которого σ_уд превышает 100 кДж/м², для керамических материалов и микалекса σ_уд составляет всего 2-5 кДж/м².

Вязкость. Для жидких  и полужидких электроизоляционных материалов, масел, лаков, заливочных и пропиточных компаундов важной механической характеристикой является вязкость.

Вязкость (внутреннее трение) – свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Количественно вязкость характеризуется значением величины ή, называемой коэффициентом динамической вязкости, или коэффициентом внутреннего трения. Вязкость входит в законы гидродинамики, например закон Пуазейля – истечения вязких жидкостей через капиллярные трубки, закон Стокса – движение шарика в вязкой среде под действием небольшой постоянной силы.

Динамическая вязкость ή в системе СИ измеряется в паскалях, умноженных на секунды, а в системе СГС – в сантипуазах.

1   Па.с = 10 П = 1000 сП

Кинематическая вязкость ν равна отношению динамической вязкости жидкости к ее плотности ρ :

ν  = ή/ρ

В системе СИ кинематическая вязкость измеряется в м²/с, а в системе СГС в стоксах ( 1 м²/с = 10⁴Ст).

Вязкость всех веществ, не претерпевающих при нагреве химических изменений, сильно уменьшается с повышением температуры.

         

1.5.3.Тепловые свойства диэлектриков

Нагревостойкость. Способность диэлектрика выдерживать воздействие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств. В зависимости от значений допустимых в эксплуатации температур диэлектрики различают по классам нагревостойкости. Нагревостойкость неорганических диэлектриков определяют, как правило, по началу существенного изменения электрических свойств, например, по заметному росту tgδ или снижению удельного электрического сопротивления. Нагревостойкость оценивают соответствующими значениями температуры, при которой появились эти изменения. Нагревостойкость органических диэлектриков часто определяют по началу механических деформаций растяжения или изгиба, погружению иглы в материал под давлением при нагреве (метод Мартенса, способ кольца и шара и др.). Однако и для них возможно определение нагревостойкости по электрическим характеристикам.

Температура вспышки называют температуру жидкости, при нагреве до которой смесь паров ее с воздухом вспыхивает при поднесении к ней небольшого пламени. Температура воспламенения – еще более высокая температура, при которой при поднесении испытуемая жидкость загорается. Эти характеристики важны для оценки трансформаторного масла и растворителей, применяемых в производстве электроизоляционных лаков.

Наивысшая допустимая рабочая температура определяется на основании тщательного изучения кратковременной и длительной нагревостойкости материала с учетом коэффициента запаса, зависящего от условий эксплуатации, необходимой степени надежности и срока службы изоляции.

Необратимое ухудшение качества изоляции лишь при длительном воздействии повышенной температуры вследствие медленно протекающих химических процессов называется тепловым старением изоляции. Старение может проявляться, например, у лаковых пленок и целлюлозных материалов в виде повышения твердости и хрупкости, образования трещин и др.

Помимо температуры существенное влияние на скорость старения могут оказать изменение давления воздуха или концентрации кислорода, присутствие озона, являющегося более сильным окислителем, чем кислород, а также различных химических реагентов, ускоряющих или замедляющих старение. Тепловое старение ускоряется под действием ультрафиолетовых лучей, электрического поля, механических нагрузок и т.н..

Возможность повышения рабочей температуры изоляции для практики чрезвычайно важна. С вопросами о допустимой температуре тесно связаны меры пожарной безопасности и взрывобезопасности. В электрических печах и нагревательных приборах, в электросварочной аппаратуре, в осветительных устройствах, электронных и ионных приборах значительной мощности высокая рабочая температура электрической изоляции определяется особенностями работы всего устройства.

ГОСТ 8865 предусматривает разделение электроизоляционных материалов на класы нагревостойкости, для которых фиксируются наибольшие допустимые рабочие температуры при использовании этих материалов в электрооборудовании общего применения, длительно (в течение нескольких лет) работающего в нормальных для данного вида электрооборудования эксплуатационных условиях.

Классы нагревостойкости с (наибольшей допустимой рабочей

температурой С) : Y(90), A(105), E(120), B(130), F(155), H(180), C(>180)/

          При указанных температурах обеспечиваются техникоэкономические целесообразные сроки службы электрооборудования.

Нагревостойкость изоляционных материалов:

1                  - Y – Волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка, шелка, органических пластмасс, ПВХ, каучука.

2                  – А – Волокнистые материалы, пропитанные масляно-смоляными и др.лаками. Эмалированные провода и ПВАцетат. лаках.

3                  – Е – Синтетические волокна, слоистые пластики на термореактивномсвязующем.

4                  – В – На основе слюды, асбеста, стекловолокна в сочетании сорганическими связующими.

5                  – F – Те же материалы в сочетании с синтетическими связующими. 6 – Н – Кремнийорганические, эластомеры.

7 – С – Фторфлогопит, керамика, стекло, неорганические материалы.

Повышение нагревостойкости  чрезвычайно важно – дает возможность повысить мощность при меньших габаритах установки.

Холодостойкость – способность изоляции выдерживать воздействие низких температур (от – 60 до – 70 °С) без недопустимого ухудшения её свойств. При низких температурах электрические свойства изоляции улучшаются, но гибкие при нормальных температурах становятся хрупкими.

Теплопроводность – перенос теплоты от более нагретых к менее нагретым, приводящем к выравниванию температуры. Теплопроводность материалов характеризуется коэффициентом теплопроводности γ_т ( Вт/ м К°) из уравнения Фурье ( Н₂0 – 0,58 ; фарфор – 1,0; Аl₂0₃ – 30).

∆Р = γ_т dT / dl ∆S , где ∆Р – мощность теплового потока

Тепловое расширение - оценивают коэффициентом линейного расширения :

ТКl = dl = 1/l dl/dt K^-1 ( фарфор – 3,5*10⁶ К^-1, эпоксидная смола – 55*10⁶

К^-1).

Материалы с малым ТКЛ имеют большую нагревостойкость и наоборот.

Органические диэлектрики имеют ТКЛ намного более ТКЛ неорганических диэлектриков.

Физико-химические свойства диэлектрических материалов

Важной характеристикой диэлектрических материалов является их химическая, радиационная и световая стойкость, а для материалов, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности и температуры, — стойкость к плесени (тропикостойкость). При работе твердых диэлектриков в соприкосновении с жидкостями необходимо знать их взаимную растворимость и растворяемость. При эксплуатации электроизоляционных материалов в местности, загазованной химически агрессивными веществами, необходимо, чтобы эти материалы обладали достаточной химической стойкостью, не разрушались, а также не вызывали коррозию металлов, с которыми они соприкасаются. Например, трансформаторное масло с повышенным кислотным числом может вызывать коррозию металлических частей трансформатора.

Кислотное число характеризует содержание в масле свободных кислот; оно определяется количеством миллиграммов едкого калия КОН, которое необходимо для нейтрализации всех свободных кислот в одном грамме образца (мгКОН/1г).

Радиационная стойкость — это способность материалов работать, не ухудшая своих основных свойств в условиях интенсивного ионизирующего излучения (нейтронного и гамма-излучения) или после его воздействия. Обычно предельно допустимой дозой нейтронного и гамма-излучения считают такую, получив которую диэлектрический материал снижает хотя бы одну из своих основных электрических или механических характеристик на 25% и более. Часто радиационную стойкость выражают общим числом радиоактивных частиц, попадающих на единицу площади материала и вызывающих заметное ухудшение его основных характеристик, например нейтрон/м2.

Многие диэлектрики имеют высокую радиационную стойкость, выдерживая плотность облучения до 1023 нейтрон/м2, в то время как полупроводники заметно повреждаются при плотности в 108 нейтрон/м2. Из диэлектриков наибольшая радиационная стойкость отмечается у неорганических материалов: кварца, слюды и т.п., наименьшая — у органических полимеров.

Светостойкость — это стойкость электроизоляционных материалов к действию ультрафиолетовых лучей. Под действием светового облучения некоторые материалы (например, резины) утрачивают эластичность, необходимую механическую прочность, в них появляются трещины, лаковые покрытия отстают от подложек.

Тропикостойкость характеризует работоспособность диэлектрических материалов в районах с тропическим климатом (Ψв» 100%, и t=30—40°С). При длительной работе электроустановок во влажном воздухе (Ψ = 98—100%) электрические характеристики многих органических материалов существенно ухудшаются. Удельное объемное сопротивление р органической изоляции после нескольких суток пребывания в воде или в воздухе с Ψу в =100% снижается на порядок и более, возрастает в несколько раз, а Епр снижается в 1,5—2 раза и более (рис. 1—3).

Рис. 1. Зависимость ρ (а) и tgδ при f= 50 Гц (б) поликарбонатной пленки толщиной 0,1 мм от времени τ

Ухудшаются электрические свойства и у пластмасс с неорганическимувлажнения при 20°С:/ — в воде; 2 — в воздухе с ч/в наполнителем, но с органическимсвязующим — через несколько суток пребывания в воздухе с ув = 95—98%. Ухудшение электрических характеристик у органических диэлектриков во влажном воздухе происходит интенсивнее, чем за такое же время при непосредственном контакте материала с водой. Этот факт объясняется тем, что пары воды более активно проникают в микропоры и микротрещины с последующей конденсацией внутри материала. Вода же в жидком состоянии из-за наличия краевого угла смачивания проникает в микропоры с большим замедлением. Растворимость и коэффициент диффузии воды в полимерных материалах зависят от их природы, температуры и относительной влажности воздуха.

Рис. 3. Зависимость tg при частоте 50 Гц полиакрилатной пленки от времени т увлажнения при 20°С:

/ — в воздухе 2 — в воде

В тропическом климате на органических диэлектриках может развиваться плесень, что, в свою очередь, приводит к значительному уменьшению удельного поверхностного сопротивления, росту диэлектрических потерь, снижению электрической прочности, коррозии металлических частей. Наименее стойкие к образованию плесени — материалы на основе целлюлозы, в том числе пропитанной (гетинакс, текстолит). Наиболее стойкие — неорганические диэлектрики (стекла, керамика, слюда), кремнийорганические и некоторые органические материалы (эпоксидные смолы, политетрафторэтилен, полиэтилен, полистирол). Немаловажной характеристикой является растворимость. Это свойство необходимо учитывать при подборе растворителей для лаков, пластификаторов для полимеров и т.п., а также для оценки стойкости твердого диэлектрического материала к действию различных жидкостей, с которыми он может соприкасаться при изготовлении изоляции (например, при пропитке лаками) и в процессе эксплуатации (например, твердая изоляция маслонаполненных трансформаторов).

Как правило, твердые материалы лучше растворяются в жидкостях, близких по своей химической природе. Так, полярные вещества лучше растворяются в полярных жидкостях (например, канифоль в спирте, полиметилметакрилат в дихлорэтане); неполярные вещества — в неполярных растворителях (например, парафин и каучук в жидких углеводородах). Линейные полимеры растворяются лучше. С увеличением молекулярной массы растворимость полимера снижается, при нагревании — улучшается.

Химические свойства – это прежде всего растворимость материалов в различных растворителях ( растворимость веществ за единицу времени с единицы поверхности материала). Диэлектрики должны при работе не разлагаться с выделением побочных продуктов, не вызывать коррозию соприкасающихся с ними металлов.

Воздействие излучений высоких энергий – корпускулярной и волновой. Важно знать степень радиационной стойкости. К корпускулярной относятся – быстрые и медленные нейтроны, осколки ядер, α- частицы, β лучи (электроны различных скоростей). К волновым излучениям – γ лучи, чистые и мягкие рентгеновские излучения. Интенсивное излучение измеряется в Вт/ м². Для нейтронов – плотность потока энергии быстрых и медленных нейтронов сквозь поверхность м². Энергия излучения падая на поверхность, убывает по мере проникновения в глубину материала. Рассеяние энергии идет из-за ионизации возбуждения атомов ядерных преобразований, выбивания ионов, атомолв в междоузлие. Нарушение структуры вещества идет в поверхностном слое, образуется поток заряженных частиц. Органика – выделение газа, полимеризация, вулканизация, изменение физических свойств.

Материалы, стойкие к облучению должны обладать 2 свойствами: способностью поглощать энергию без ионизации, способностью в большей степени образовывать двойные связи, чем разрыв цепей. Возможен переход из одного структурного состояния в другое. На неорганические полимеры излучение оказывает меньшее влияние, после отжига неорганические диэлектрики могут восстанавливать первоначальные свойства. Органические полимеры после облучения приобретают следующие свойства: становятся хрупкими, рассыпчатыми; резиноподобные вещества – превращаются в вязкую жидкость; у ПЭ наблюдают наоборот повышение молекулярной массы, улучшения электрических свойств.

Защитные свойства оценивают по толщине слоя, ослабляющего излучение в 10 раз.

Термические свойства характеризуют поведение диэлектрика при нагревании (охлаждении) и в совокупности определяют его допустимую рабочую температуру. Коэффициент теплопроводности , Вт/(м∙К), или Вт/ (м∙°C) для газообразных диэлектриков имеет значение 2 - 5, для твердых - 0,02 - 3,00 Вт/(м∙К) и определяет отвод теплоты из толщи электрической изоляции, нагретой за счет диэлектрических потерь, или нагрев в ходе технологической переработки. Его можно определять по ГОСТ 236302-79. Время нагрева (охлаждения) электроизоляционных конструкций в периоды изготовления или эксплуатации определяется и теплоемкостью диэлектрических материалов ⁰С, Дж/(кг∙К). Значения теплоемкости определяют по ГОСТ 23630.3-79. Для электротехнического фарфора, стеатита, стекол С - 300 ÷ 1000, для органических полимеров 1200 - 2000, для нефтяного электроизоляционного масла 1800 - 2500, для воды 4200 Дж/(кг К). Твердые кристаллические диэлектрики при нагревании плавятся при температуре плавления Т_пл, аморфные становятся жидкими в интервале температур, который характеризуют условной температурой размягчения Т_разм; ее определяют по ГОСТ 11506-73 для битума, компаундов, по ГОСТ 15088-83, ГОСТ 21341-75 для пластмасс.

1 dl

 Температурный коэффициент длины. К^-1, ТКl - ^{1  l } dT для материалов высокой нагревостойкости определяют по ГОСТ 15173-70.

Способность электрической изоляции без повреждения и без недопустимого ухудшения практически важных для нее свойств (например, механической прочности, Е_пр, , tg, потери массы при нагреве, количества поглощенной влаги и других характеристик) выдерживать воздействие одного или нескольких старящих ее причин в течение времени, сравнимого со сроком эксплуатации, определяет ее стойкость к влиянию разрушающих факторов. Дуго- и трекингостойкость характеризуют способность диэлектрика соответственно терпеть в течение определенного времени без недопустимого ухудшения свойств поверхности воздействие на нее дуги переменного (ГОСТ 10345.1-78) или постоянного (ГОСТ 10345.2-78) тока, сохранять меньшее допустимого значение тока, протекающего по проводящим каналам - трекам загрязненной электролитом или синтетической пылью поверхности.

Нагревостойкость электроизоляционных материалов определяется их способностью выдерживать действие повышенных по сравнению с рабочей температур (ГОСТ 21515-76). Холодостойкость определяется путем сравнения механических характеристик (например, деформаций при растяжении) при отрицательной и нормальной температурах. Стойкость к термоударам определяется для хрупких материалов и изделий из них способностью сохранять нужные свойства после воздействия требуемого числа циклов термоударов (нагрева и резкого охлаждения). Влагостойкость, водостойкость и водопоглощение диэлектрика определяются (ГОСТ 10315-75) его способностью сорбировать влагу окружающей среды, соответственно влажного воздуха или в процессе выдержки в дистиллированной воде. Химостойкость характеризует стойкость материала к разрушению (коррозии) при контактировании с водой, кислотами, щелочами, солевыми растворами, топливом, газами и определяется по изменению внешнего вида, массы, электрических и других параметров. Тропикостойкость диэлектрика определяется по изменению , tg, Е_пр, механической прочности, а также других параметров под воздействием тропических климатических факторов. Радиационная стойкость определяется по изменению механических свойств, во многом определяющих изменения , tg, Е_пр, в процессе радиолиза материала под воздействием ионизирующих излучений. Определение воздействия внутренних ЧР производится по характеристикам возникающего в изоляции единичного ЧР согласно ГОСТ 22756-77 для изоляции силовых конденсаторов, трансформаторов, кабелей, электрических машин

Контрольные вопросы:

1.                 Строение твердых тел

2.                 Электрические и магнитные свойства материалов

3.                 Виды связи

4.                 Строение электротехнических материалов

5.                 Физико-химические параметры

6.                 Основные параметры

7.                 Классификация эл.тех.материалов

2. Диэлектрики

2.1. Диэлектрик в электрическом поле

Диэлектриками называют вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле, и в которых возможно существование электростатического поля, так как электрические заряды его атомов, молекул или ионов связаны. Используемые же на практике диэлектрики содержат и свободные заряды, которые, перемещаясь в электрическом поле, обусловливают электропроводность на постоянном напряжении. Однако количество таких свободных зарядов в диэлектрике невелико, а поэтому ток весьма мал, т. е. для диэлектрика характерным является большое сопротивление прохождению постоянного тока.

Согласно ГОСТ 21515-76 диэлектрическими материалами считают класс электротехнических материалов, предназначенных для использования их диэлектрических свойств, а именно большого сопротивления прохождению электрического тока и способности поляризоваться. Электроизоляционными материалами называют «диэлектрические материалы, предназначенные для электрической изоляции», являющейся неотъемлемой частый электрической цепи и необходимой для того, чтобы не пропускать ток по не предусмотренным электрической схемой путям.

По агрегатному состоянию диэлектрические материалы разделяются на газообразные, жидкие и твердые. По происхождению различают диэлектрические материалы природные, которые могут быть использованы без химической переработки, искусственные, изготовляемые химической переработкой природного сырья, и синтетические, получаемые в ходе химического синтеза. По химическому составу их разделяют на органические, представляющие собой соединения углерода с водородом, азотом, кислородом и другими элементами; элементоорганические, в молекулы которых входят атомы кремния, магния, алюминия, железа и других элементов; неорганические, не содержащие в своем составе углерода.

Из многообразия свойств диэлектрических материалов, определяющих их техническое применение, главными являются электрические свойства: электропроводность, поляризация и диэлектрические потери, электрический пробой и электрическое старение.

Электропроводность диэлектрических материалов обусловлена существованием в них весьма небольшого количества свободных зарядов: электронов (дырок), ионов, молионов. Молионы присущи жидким диэлектрикам и представляют собой частицы твердых диэлектриков коллоидных размеров (10-6 м), которые заряжаются, адсорбируя имеющиеся в жидкости ионы. Носители заряда образуются в результате термической генерации, фотогенерации, действия ионизирующих излучений, инжекции электронов (дырок) с металлических электродов, ударной ионизации в сильных электрических полях. Различают дрейфовый, прыжковый (носитель большую часть времени локализован, перемещения занимают меньшую часть) и диффузионный механизмы перемещения носителей заряда. Направленный поток носителей заряда в диэлектриках (электрический ток) может обусловливаться: электрическим полем; градиентом температур; сочетаниями электрического поля и градиента температур, электрического и магнитного полей, градиента температур и магнитного поля.

Электропроводность диэлектрика характеризуется удельными объемной и поверхностной проводимостями или удельными объемным и поверхностным сопротивлениями (для газообразных и жидких диэлектриков γ s и s не определяются). При нормальных температуре, влажности и напряженности электрического поля  составляет 10⁶ - 1 0⁸ для низкокачественных и 10¹⁴ - 10¹⁷ Ом∙м для высококачественных диэлектриков. С ростом температуры р жидких и твердых диэлектриков, как правило, уменьшается. Уменьшение р характеризуют температурным коэффициентом удельного объемного сопротивления. 

Измерения р_v   и  р_s ,  производят  при  постоянном напряжении согласно ГОСТ 6433.1-71.

В электрическом поле в диэлектрике происходят поляризации: за время 10^-16 — 10^-15 с электронная упругая у всех диэлектриков независимо от агрегатного состояния; в течение 10^-14 — 10^-13 с ионная упругая (в ионных кристаллах); за соизмеримое с полупериодом Т/2 приложенного напряжения время дипольная (в полярных диэлектриках) и миграционная — объемнозарядовая и тепловая ионная (в содержащих микро- и макронеоднородности диэлектриках); доменная (в сегнетоэлектриках), определяемая ориентацией векторов спонтанной поляризованности.

2.2. Диэлектрическая проницаемость и электрические поля в

диэлектриках

Определение диэлектрической проницаемости приводилось еще в школьной программе. Не вдаваясь в детали, ее проще определить через заряд плоского конденсатора. Если взять плоский конденсатор в вакууме, то заряд на каждой его пластине равен (по модулю):

                                                                                                (2.2.1)

где ε₀ - диэлектрическая постоянная, или диэлектрическая проницаемость вакуума, ε ₀ = 8.85 · 10^-12 Ф/м,  S- площадь каждой из пластин, d - зазор между пластинами,  U - напряжение между ними. Разделив на площадь и перейдя к плотности заряда на обкладке ε, получим  ε =  ε ₀·E.

Что произойдет если в межэлектродное пространство ввести диэлектрик? Все зависит от того, подключен заряженный конденсатор к источнику, или отключен. В подключенном конденсаторе напряжение между пластинами принудительно поддерживается, но заряд на каждой пластине увеличивается до нового значения Q_m.

Отношение Q_m/Q₀ = ε называется диэлектрической проницаемостью материала. Из самого определения видно, что диэлектрическая проницаемость материала является б е з р а з м е р н о й величиной.

Откуда притекает дополнительный заряд? Ясно, что заряд притекает из источника.

В отключенном от источника заряженном конденсаторе ситуация несколько отличается. Заряд не может измениться, т.к. ему некуда утекать и неоткуда притекать. В этом случае изменится другой параметр. Оказывается, уменьшаются напряжение на конденсаторе и, соответственно, напряженность поля в конденсаторе. Коэффициент о с л а б л е н и я поля тот же самый, как и в случае у в е л и ч е н и я заряда при подключенном источнике.

За счет чего это происходит? Рассмотрим этот вопрос подробнее. Здесь придется обратиться к понятию поляризации.

Как известно молекулы состоят из атомов, окруженных электронными оболочками. При этом электроны могут равномерно распределяться по молекуле, а могут и концентрироваться на каких-либо атомах. В первом случае говорят, что молекула неполярная. Пример - молекула водорода или атом гелия, или молекула бензола. Во втором случае в молекуле образуются области с положительным и отрицательным зарядом. Если в молекуле можно выделить направление, вдоль которого с одной стороны можно расположить положительные заряды, а с другой стороны - отрицательные, то такая молекула называется полярной или дипольной. Пример, молекула HCl, в которой электрон переходит с атома водорода на атом хлора, тем самым хлор з а р я ж а е т с я о т р и ц а т е л ь н о , а в о д о р о д - п о л о ж и т е л ь н о . Дипольный момент молекулы  является вектором, направленным от отрицательного заряда к положительному. Численно он равен произведению р а с с т о я н и я м е ж д у з а р я д а м и н а м о д у л ь з а р я д а .

В неполярной молекуле под действием электрического поля происходит смещение электронных оболочек. Возникает индуцированный дипольный момент у молекулы, молекула поляризуется. Поляризация за счет смещения электронов называется электронной. Возникающий дипольный момент невелик. Диэлектрическая проницаемость неполярных жидкостей и твердых диэлектриков также невелика, не превышает 3.Диэлектрики, состоящие из неполярных молекул, называются неполярными диэлектриками.

В полярной молекуле под действием поля происходит поворот диполя в направлении напряженности электрического поля. Диэлектрики, состоящие из полярных молекул, называются полярными диэлектриками. В этом случае, в зависимости от значения дипольного момента молекулы и концентрации молекул поляризация может быть значительной. Для жидкостей и твердых диэлектриков с дипольной поляризацией диэлектрическая проницаемость достигает примерно 100 и даже больше. В газообразном диэлектрике количество дипольных моментов мало вследствие низкой плотности газа, поэтому диэлектрическая проницаемость мало отличается от единицы, даже для полярных газов (Отличие в третьем, четвертом знаке после запятой).

В некоторых твердых диэлектриках может существовать особый вид поляризации: спонтанная, или доменная поляризация. Она существует только в кристаллах, но далеко не во всех, в аморфных телах ее не бывает. Оказывается, что иногда в среде возникают самопроизвольно поляризованные микроскопические области. Грубо можно представить, что при этом происходит смещение положительно заряженных ионов решетки в одну сторону, а отрицательно заряженных ионов в другую сторону. Микрообласть со спонтанной поляризацией называется доменом. Суммарный дипольный момент любого образца макроскопических размеров равен нулю, т.к. дипольные моменты доменов направлены в разные стороны. Если дипольные моменты доменов хаотически направлены в разные стороны, то такой диэлектрик называется сегнетоэлектриком.

В случае сложной ионной решетки, состоящей из нескольких подрешеток, возможна отдельная спонтанная поляризация каждой из подрешеток. При этом каждая из подрешеток образует свой домен, причем их дипольные моменты могут быть антипараллельны, т.е. взаимно компенсируют друг друга.

Если домены существуют парами, причем у каждой пары дипольные моменты направлены в противоположные стороны, такой диэлектрик называется антисегнетоэлектриком.

Под действием электрического поля размер доменов, направленных вдоль вектора поля увеличивается, а противоположно направленные домены уменьшают свой размер. Кроме того, домены в диэлектрике поворачиваются в направлении электрического поля, как гигантские диполи. Только в отличие от диполей, где молекулы физически поворачиваются, в доменах перестраивается структура, так, что результирующий вектор поляризации каждого домена чуть-чуть смещается в направлении поля. За счет этих механизмов диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков и антисегнетоэлектриков велика, она может достигать десятков тысяч.

Каким образом спонтанные и наведенные дипольные моменты влияют н а д и э л е к т р и ч е с к у ю п р о н и ц а е м о с т ь ?

С у м м а р н ы й д и п о л ь н ы й м о м е н т е д и н и ц ы о б ъ е м а называется поляризацией . Вектор поляризации направлен вдоль направления электрического поля. Его значение связано с напряженностью поля. Диэлектрическая проницаемость связана с восприимчивостью.

Именно поляризация и вызывает увеличение заряда на обкладках конденсатора при подключенном источнике. Значение плотности заряда на обкладках конденсатора  =P+₀E. Естественно, что в случае вакуума поляризация равна нулю, диэлектрическая проницаемость в точности равна единице.

В электродинамике вводят понятие вектора электрического смещения

                   = ε ₀ ε E                                                           (2.2.2.)

который определяет заряд как в случае вакуума, так и в случае

диэлектрика. Другие названия этого термина - электрическая индукция или электростатическая индукция. Размерность индукции - Кл/м². Кроме приведённых выражений полезно будет также вспомнить соотношения для электрического смещения D:

;                                                                                         (2.2.3.)

Энергия электрического поля в среде связана с диэлектрической проницаемостью

W=ε₀εE²/2   или     W=DE/2,   или   W=D²/2ε.

Для устройств с электрическим полем важно понимать, как изменяется электрическое поле при использовании комбинации двух диэлектриков с разной диэлектрической проницаемостью. Если расположить диэлектрики так, что электрическое поле перпендикулярно поверхности раздела, то значения напряжённости поля в каждом материале обратно пропорциональны диэлектрическим проницаемостям:

                                                                                                                            (2.2.4.)

Рассмотрим простую задачку. В плоский воздушный конденсатор с зазором d и напряжением U вводят пластину диэлектрика, которая имеет толщину d₁, диэлектрическую проницаемость ε . Как изменится поле в оставшейся части зазора, и какое поле будет в диэлектрике?

Несложно решить эту задачу, воспользовавшись выражениями (1.3) и

(1.7), которые для нашего случая можно переписать как

Е_в(d-d₁)+E_дd₁=U                                                     (2.2.5.) Решив систему уравнений, получим

                                                                       (2.2.6)

Анализируя эти выражения можно увидеть, что поле в газовой прослойке всегда увеличено, а в диэлектрической - уменьшено. Емкость конденсатора в этом случае увеличена, но незначительно по сравнению с емкостью конденсатора без диэлектрика.

В случае, когда электрическое поле параллельно поверхности раздела, напряженности поля в материалах одинаковы. Этот случай можно реализовать, вводя в конденсатор диэлектрик, толщины, равной зазору в конденсаторе. Емкость, при этом, увеличивается существенно, пропорционально объемной доле диэлектрика.

Для понимания процессов в диэлектриках важно знать типичные распределения и значения полей. Наиболее часто используются модельные представления электродных систем, к которым с той или иной степенью приближения можно свести многие реальные электродные системы. Это три типа полей: плоско- параллельное; радиально-цилиндрическое, или аксиальное; радиально-сферическое. Ниже приводятся описание этих полей и необходимые для расчета формулы.

Плоско-параллельное поле. Здесь эквипотенциальные поверхности

(поверхности уровня) представляют собой параллельные плоскости, а линии потока смещения, совпадающие с направлением вектора напряженности поля (которая во всех точках поля одинакова), - перпендикулярны этим плоскостям.

Значение ёмкости:

              (2.2.7.)

В плоско-параллельном поле напряженность Е

одинакова во всех точках.

                     Рис.1.1. Плоско-параллельное             Поэтому:

поле

U = E · d                   (2.2.8.)

Радиально-цилиндрическое поле. Эквипотенциальными в этом поле являются коаксиальные (имеющие общую ось) цилиндрические поверхности, а линии смещения располагаются в радиальном направлении. Распределение напряженности электрического поля

Значение ёмкости

                       (2.2.9.)

Рис.1.2   Поле коаксиальных - радиус внутреннего цилиндра, цилиндров

- радиус внешнего цилиндра.

Радиально-сферическое поле. В этом поле поверхности уровня - это сферы с общим центром, а линии индукции направлены по радиусам.

Распределение напряженности электрического поля

         

                 Значение ёмкости:,                                           (2.2.10.)

причем, ёмкость шара по отношению к сфере бесконечного радиуса равна :

                                                                                        (2.2.11.)

Ёмкость полушария в два раза меньше емкости шара

2.3. Основные виды поляризации диэлектриков.

В зависимости от видов связей различаются виды поляризации, перечисленные выше. Вспомним основные виды связей: ковалентная, ионная, металлическая , межмолекулярная за счет Ван-дер-Ваальсовых сил. Доля каждой связи присутствует в реальных материалах. Рассмотрим каждую связь на простейших примерах.

Ковалентная связь молекул: Н2, О2, СО, Сl2 , Н2О и др.

Центры молекул не смещены – неполярные молекулы.

Центры молекул смещены – полярные или дипольные молекулы.

Полярные молекулы характеризуются диапольным моментом.

Дипольный момент µ (дебайтах) равен пролизведению заряда q на расстояние между центрами поляризации (зарядами).

µ = q·l

Ковалентная связь может быть в молекулах и между атомами, образующими решотку кристаллов : алмаз, С-С , Si – Si и др.

Ионная связь – связь между заряженными частицами, например в ионном кристалле NаCI. Эти вещества отличаются повышенной механической прочностью и повышенной температурой плавления.

Металлическая связь – электростатическое взаимодействие между положительно заряженным ионным остовом кристалла и отрицательным электронным облаком.

Межмолекулярная связь (Ван-дер-Ваальсовое взаимодействие).

Например, в некоторых веществах между молекулами с ковалентными внутримолекулярными связями (органика).  Например, парафин – обладают низкой температурой плавления, что говорит о непрочности их кристаллической решетки.

 Ограниченное упругое смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул называется поляризацией. О явлениях, обусловленных поляризацией, можно судить по значению диэлектрической проницаемости, а также угла диэлектрических потерь, если поляризация диэлектрика сопровождается рассеянием энергии, вызывающей нагрев диэлектрика. Нагрев вызывается также движением свободных зарядов – малым сквозным током.

Сквозной ток объясняет электропроводность технического диэлектрика, численно характеризуется удельной объёмной (γ_v) электрической проводимостью и удельной поверхностной (γ_s) электрической проводимостью – это обратные величины удельного объёмного (ρ v ) и поверхностного (ρ_s ) сопротивления.

Любой диэлектрик может быть использован до определенного значения напряжения в определенных условиях. При U , более U пред наступает пробой диэлектрика – потеря диэлектрических свойств.

Величина напряжения, при котором происходит пробой называется пробивным напряжением.

Основные виды поляризации

Мгновенная поляризация – вполне упругая, без рассеяния энергии, без выделения теплоты. Может носить электронный и ионный характер.

Нарастающая поляризация – нарастающая и убывающая не мгновенная, сопровождается рассеянием энергии, нагреванием диэлектрика.

Разные виды поляризации наблюдаются у разных диэлектриков.

Эквивалентная схема диэлектрика с разными видами поляризации:

Виды поляризации:

Электронная поляризация - упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и ионов. Время установки 10^-15сек – очень мало. Смещение и деформация электронных орбит не зависит от температуры, но поляризация снижается с температурой, с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице обьема.

Электронная поляризация есть у всех видов диэлектриков и не связана с потерей энергии.

Ионная поляризация –( Сn, Qn – концентрация,заряд ) – характерна для твердых тел с ионным строением и связана со смещением упругих ионов.

С повышением температуры она усиливается в результате ослабления упругих сил между ионами из-за увеличения расстояния между ними. Время

10^-13 с.

Дипольно-релаксационная ( С д , Qд , rд –концентрация, заряд, сопротивление дип – релакс.) .

Дипольная поляризация связана с тепловым движением частиц. Дипольные молекулы в хаотическом движении ориентируются в поле, что и является поляризацией.

Дипольная поляризация возможна если молекулярные силы не препятствуют ориентации диполя. С увеличением температуры молекулярные силы ослабевают, увеличивается ориентация молекул, вязкость понижается, но увеличивается тепловое движение. Поэтому дипольная поляризация сначала возрастаетя, потом падает.

Дипольная поляризация связана с потерей энергии из-за преодоления вязкости – поэтому в схеме есть сопротивление r_д-р.

В вязких жидкостях сопротивление повороту диполя велико и при больших частотах приложенное напряжение может исчезнуть.

Время релаксации – время, в течение которого упорядоченно ориентированные полем диполи уменьшатся в 2,7 раза.

Дипольная поляризация для полярных газов и жидкостей в твердом полярном органическом веществе.

Пример – целлюлоза -  полярность ОН-групп.

В кристаллах со слабыми Ван – дер-Ваальсовыми сидами возможна поляризация больших частиц.

Ионно-релаксационная поляризация ( С_и-р, Q_и-р, r_и-р) – наблюдается в неорганических стеклах, ионных кристаллических неорганических веществах с неплотной упаковкой ионами. Ионы смещаются в сторону поля. Ионнорелаксационная поляризация после снятия напряжения U затухает, а при повышении температуры T °С – усиливается.

Электронно-релаксационная поляризация ( С_э-р, Q_э-р, r_э-р) – возникает вследствие возбуждения тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или дырок;

- характерна для диэлектриков с большой внутренним полем, электронной электропроводностью.

TiO₂, загрязненный примесями Nb⁵⁺, Cu²⁺, Ba²⁺/

TiO₂ при Ti³⁺ и анионными вакансиями оксидов металлов переменной валентности : Ti, Nb, W.

Диэлектрическая проницаемость Ti-содержащей керамики с электроннорелаксационной поляризацией уменьшается с возрастанием частоты электрического поля.

Миграционная поляризация (С_м, Q_м,r_v) – дополнительный механизм поляризации в твердых телах неоднородной структуры. Проявляется при низких частотах и связана с неоднородностями и примесями проводящими включениями, слоями разной проводимости.

В слоистых пластиках идет накопление зарядов в слоях, медленное движение ионов. Процесс может быть условно изображен на схеме.

Самопроизвольная (спонтанная )поляризация у сегнетоэлектриков В переменных электрических полях идет выделение теплоты.

Области (домены) обладают электрическим моментом в отсутствии поля. При наложении поля наблюдается ориентация доменов.

У веществ с самопроизвольной поляризацией есть области (домены), обладающие электрическим моментом в отсутствии поля.

Классификация диэлектриков по виду поляризации

1                  группа: с преимущественной электронной поляризацией, напримернеполярные и слабополярные твердые  вещества в кристаллическом и аморфном состоянии (парафин, сера, полистирол), а также неполярные и слабополярные жидкости и газы.

2                  группа: диэлектрики обладают электронной, дипольнорелаксационной поляризацией - это полярные (дипольные) органические полужидкие и твердые вещества ( масляно-канифольные компаунды, эпоксидные смолы, целлюлоза, хлорированные углеводороды, масла,смолы, компаунды.

3                  группа: твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной,ионно-электронно-релаксационной поляризацией:

3.1.        Диэлектрики с электронной и ионной поляризацией –кристаллические вещества плотноупакованные (кварц, слюда, каменная соль, корунд, рутил).

3.2.        Диэлектрики с электронной, ионной и релаксационнойполяризацией – стекла, фарфор и пр. – диэлектрики с неплотной упаковкой частиц.

4                  группа: сегнетоэлектрики – со спонтанной электронной, ионнойполяризацией (титанат бария, сегнетовая соль).

2.4. Электропроводность газообразных, жидких и твердых диэлектриков

Газообразные диэлектрики широко используются при изготовлении высоковольтных аппаратов (воздушные и элегазовые выключатели, разрядники и др.), кроме того, воздух окружает большое число электротехнических установок, а в ЛЭП является основной изолирующей средой. В ряде электро- и радиотехнических, радиоэлектронных устройств и приборов используются различные, газонаполненные элементы, где важны не только общефизические свойства газов, но и их электрические характеристики.

Наиболее важное свойство газов с точки зрения использования в электроаппаратуре - это способность их восстанавливать электрическую прочность. Другими важными свойствами являются малые плотность и диэлектрическая проницаемость, высокое значение удельного сопротивления, очень малый tg практически отсутствие старения, инертность ряда газов по отношению к твердым и жидким материалам, нетоксичность, способность их работать при низких температурах и высоком давлении, негорючесть.

Современная техника использует большое число жидкостей, которые обладают электроизоляционными свойствами. Конкретная область применения предъявляет к жидким диэлектрикам и иные требования: высокой теплопроводности, стойкости к окислению, совместимости с твердыми материалами, пожаробезопасности, экологической безопасности, вязкости, стабильности и т. п.

Ни одна жидкость не может удовлетворить всем предъявляемым требованиям одновременно, поэтому необходимо при использовании той или иной жидкости ориентироваться на важнейшие для каждого конкретного случая свойства.

Большинство из электроизоляционных свойств жидкостей зависит от температуры, давления, влажности, напряженности электрического поля и других внешних воздействии (рис.1).

Рис. 1. Зависимость напряжения пробоя трансформаторного масла от температуры:

1 - масло ТКП; 2 - масло Т-1500; электроды - диски диаметром 25 мм с закругленными краями, расстояние между дисками 2,5 мм.

Все электроизоляционные жидкости можно подразделять по химической природе на две большие группы:

1)  нефтяное масло (трансформаторное, конденсаторное и кабельное);

2)  синтетические жидкости (хлорированные и фторированныеуглеводороды, кремнийорганические, фторорганические и др.).

Однако возможно подразделение и по другим признакам: по применению, по верхнему пределу допустимой рабочей температуры, по степени горючести и т. п.

Твердые электроизоляционные материалы представляют собой очень большую группу материалов, включающую в себя органические, элементорганические и неорганические диэлектрики. К этой группе материалов условно, с точки зрения эксплуатации, можно отнести и твердеющие материалы (лаки, эмали, компаунды и клеи), которые в готовом изделии являются твердыми, хотя в технологическом процессе введения или нанесения их они могут быть жидкими или пластичными. К твердым материалам относятся большинство полимеров, бумага и картон, слоистые и пропитанные волокнистые материалы, намотанные изделия, все виды керамики, стекла, слюды и слюдосодержащие материалы, древесина и т. д.

Физико-химические свойства твердых электроизоляционных материалов зависят от внешних воздействий и условий окружающей среды (рис. 2), что позволяет иметь достаточно большой выбор для использования материалов в практических целях.

Рис. 2. Зависимость напряжения пробоя изоляции проводов диаметром 1,0 мм, эмалированных лаками ПЭ-955 (1) и ПЭ-943 (2), от продолжительности старения при 180 °С.

В соответствии с принятой в настоящее время классификацией группу керамических материалов составляют твердые вещества неорганического происхождения, основными классификационными признаками которых являются: способ получения (керамическая технология), структура (поликристаллические многофазные системы), особые характерные свойства: электрические (высокая электрическая прочность, стойкость к электрическому и тепловому старению), механические (высокая механическая прочность, твердость, отсутствие деформаций при длительном приложении нагрузки), тепловые (исключительно высокая нагревостойкость), физико-химические (стойкость к действию агрессивных сред и излучений высоких энергий, малая гигроскопичность и водопроницаемость, вакуумная плотность). Совокупность столь уникальных свойств обусловливает широкое применение керамических материалов в современной электротехнике, электроэнергетике и радиотехнике. Во многих видах электротехнической аппаратуры удельный вес керамических изделий составляет свыше 80 %.

В зависимости от назначения и области применения керамические материалы принято делить на подгруппы, включающие материалы с определенными электрофизическими параметрами и составом.

Изоляторные материалы используются для изготовления изоляторов различных типов: линейных (подвесные, подвесные стержневые, штыревые), опорных, проходных (вводы), телеграфных и телефонных, аппаратных (используются в конструкциях различных электрических аппаратов); установочных изделий (ролики, детали предохранителей, патронов, штепсельных соединений); для изготовления установочных изделий в радиотехнике и микроэлектронике: ламповых панелей, каркасов катушек индуктивности, осей, антенных изоляторов (опорных, проходных, подвесных), изоляционных оснований плат в микромодулях и толстопленочных микросхемах, деталей корпусов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Часто изоляторные керамические материалы помимо основной функции выполняют также функции конструкционных элементов аппаратуры, подвергаясь при эксплуатации воздействию значительных механических нагрузок. В связи с этим выбор изоляторного материала для конкретного применения следует производить с учетом его механических характеристик. Зависимости основных электрических характеристик от температуры приведены на рис.3.

Рис. 3. Зависимость удельного электрического сопротивления изоляторного фарфора (1) и радиофарфора (2) от температуры

                        2.5.    Диэлектрические потери, угол диэлектрических потерь

Диэлектрическими потерями Р (Вт) называют ту часть энергии приложенного электрического поля, которая рассеивается в диэлектрике за единицу времени. Эта энергия переходит в тепло, и диэлектрик нагревается.

При недопустимо высоких диэлект риче ских потерях электроизоляционная конструкция может нагреться до температуры теплового рушения, т.е. наступит электротепловой пробой.

Диэлектрические потери электроизоляционных материалов и конструкций часто характеризуют тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ δ — угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз между током и напряжением (угол φ) в емкостной цепи) (рис. 1):

Величина tgδ является важной характеристикой диэлектриков. Она определяет диэлектрические потери в материале: чем больше tgδ, тем более высокие (при прочих равных условиях) диэлектрические потери. Для наиболее широко применяемых диэлектриков tgδ имеет значение в пределах от 0,0001 до 0,03. О величине диэлектрических потерь участка изоляции и некоторых радиодеталей (конденсаторов, катушек индуктивности и т.п.) можно судить также по значению их добротности Q(2) :

(2.5.1)

Рис.1. Векторная диаграмма диэлектрика с потерями

 Диэлектрические потери могут быть как при постоянном, так и при переменном напряжении. При постоянном напряжении потери обусловлены только током сквозной проводимости, и величина диэлектрических потерь в данном случае зависит (обратно пропорционально) от значений удельных объемного и поверхностного сопротивлений. При переменном напряжении диэлектрические потери возникают под действием как тока сквозной проводимости, так и релаксационных видов поляризации. В сильных электрических полях (в постоянном и переменном) дополнительно возникают ионизационные потери.

Эквивалентная схема замещения диэлектрика с потерями.

Чтобы изучить диэлектрические потери какого-либо материала, необходимо рассмотреть конденсатор с этим материалом в цепи переменного напряжения. Конденсатор с исследуемым диэлектриком, имеющий емкость С, рассеиваемую мощность Р и угол сдвига фаз между током и напряжением ср, заменим эквивалентной схемой, в которой к идеальному конденсатору активное сопротивление подключено либо параллельно — параллельная эквивалентная схема, либо последовательно —  последовательная эквивалентная схема. Эти эквивалентные схемы замещения диэлектрика с потерями должны быть выбраны так, чтобы расходуемая в них активная мощность была равна мощности Р, которая рассеивается в конденсаторе с исследуемым диэлектриком, а ток опережал бы напряжение на тот же угол ср. Эквивалентные схемы вводятся условно и не объясняют механизма диэлектрических потерь. Величины емкости идеального конденсатора и активного сопротивления для параллельной и последовательной схем замещения обозначим соответственно Ср и R, С_S, и r.

Параллельная эквивалентная схема замещения диэлектрика с потерями и векторная диаграмма токов в ней представлены на рис.2, из которого видно, что активная составляющая тока I_a  совпадает по фазе с напряжением U, а реактивная составляющая тока Iг опережает напряжение на угол, равный 90°.

Значения соответствующих токов равны (3)

                                                       (2.5.2)

Из треугольника токов следует, что

                                                                                       (2.5.3)

Рис. 2. Параллельная эквивалентная схема замещения диэлектрика с потерями (а) и векторная диаграмма токов в ней (б)

Рис.3. Последовательная эквивалентная схема замещения диэлектрика с потерями (а), соответствующие ей векторная диаграмма напряжений (б) и треугольник сопротивлений (в)

Последовательная эквивалентная схема замещения диэлектрика с потерями и соответствующие ей векторная диаграмма напряжений и треугольник сопротивлений, представленные на рис.3, показывают, что активная составляющая напряжения совпадает по фазе с током I а реактивная составляющая напряжения U r отстает от тока на угол 90°.

Если треугольник напряжений (3, б) разделить на постоянную величину тока I, получим треугольник сопротивлений ( в), из которого имеем

                                                                                       (2.5.4)

Величину рассеиваемой мощности Р при постоянном напряжении можно определить с помощью закона Джоуля— Ленца:

      (2.5.5) При переменном напряжении эта величина в общем виде равна

(2.5.6) Для параллельной схемы замещения, используя выражение (2.5.6) и векторную диаграмму токов, изображенную на рис. 2, б, получим

                         (2.5.7)

Подставив в это выражение из (2.5.7) значение тока I получим

(2.5.8)

(2.5.9)

(2.5.10)

                                                                                           (2.5.11)

Приравняв, друг к другу правые части выражений (2.5.9) и (2.5.10), (2.5.3) и (2.5.4), определим соотношения между Ср и С_S, а также между R и r (10, 11):

       (2.5.12) Виды диэлектрических потерь.

Различают следующие основные виды диэлектрических потерь:

1) потери, обусловленные током сквозной проводимости; 2) потери, обусловленные релаксационными видами поляризации; 3) ионизационные потери.

Первые два вида потерь имеют место при любых напряженностях ноля, третий вид — только в сильных электрических полях. Диэлектрические потери, обусловленные током сквозной проводимости, наблюдаются во всех диэлектриках. В диэлектриках с молекулярной структурой неполярных ( воздух, нефтяные электроизоляционные масла, парафин и т.п.) или имеющих ионную кристаллическую структуру с плотной упаковкой решетки (кварц, слюда, корунд и т.п.) этот вид потерь является единственным. Диэлектрические потери в этом случае обусловлены направленным движением заряженных частиц. В зависимости от природы диэлектрика, его состояния и величины приложенного напряжения заряженными частицами могут быть ионы и электроны, ионы и -коллоидные частицы или одни ионы.

 (2.5.13)

Рис. 4. Общий вид зависимости тангенса угла диэлектрических потерь 1&5, обусловленных током проводимости, от частоты напряжения ω (а) и температуры Т (б):

I — составляющая, обусловленная током сквозной проводимости

Из выражения (2.5.13) следует, что tgδ уменьшается с увеличением частоты по  гиперболическому закону (рис. 4, а). Однако потери на электропроводность существенны лишь при низких частотах (до 10³ Гц), а при частотах выше 10⁴ Гц tgδ, обусловленный током сквозной проводимости, становится величиной незначительной — 10^-4 и менее. С увеличением частоты (в области низких частот) tgδ снижается, так как возрастает /, ( см. рис. 2, б). Величину tgδ при данной частоте можно определить в соответствии с (13), если известны значения Е и р при данной частоте f.

С увеличением температуры диэлектрические потери, обусловленные током сквозной проводимости, возрастают (см. рис.4, 6), так как возрастает удельная электропроводность у в результате увеличения концентрации п носителей заряда и их подвижности а. По такому же закону изменяется в зависимости от температуры и величина рассеиваемой мощности Р:

Диэлектрические потери, обусловленные релаксационными видами поляризации, наиболее часто встречаемыми и важными, являются: дипольнорелаксационные потери (в диэлектриках молекулярного строения полярных); ионно-релаксационные потери (в диэлектриках ионного строения аморфных или кристаллических с неплотной упаковкой решетки); потери, вызванные миграционной поляризацией, которая наблюдается при наличии проводящей и полупроводящей примеси в виде включений. При этих видах потерь tgδ диэлектриков имеет высокие значения (tgδ =10^~3—10^~2 и более) и сильно зависит от температуры и частоты приложенного напряжения.

Дипольно-релаксационные потери характеризуются наличием взаимосвязанных максимумов на температурной и частотной зависимостях tgδ, определяемых временем релаксации τ. Положение максимума tgδ, обусловленного дипольно-релаксационными потерями, на кривых tgδ (f) и tgδ (T) определяется из условия

Общий вид температурной зависимости тангенса утла диэлектрических потерь, обусловленных дипольно-релаксационной поляризацией, представленный на рис.5, а, показывает, что при нагревании tgδ возрастает, проходит через максимум и далее снижается. Такой характер изменения tgδ объясняется тем, что при нагревании в диэлектриках молекулярного строения полярных имеют место два конкурирующих процесса. Вначале (участок а—б) в результате ослабления межмолекулярных сил, вызванного повышением температуры, улучшаются условия ориентации диполей вдоль силовых линий поля, поэтому дипольно-релаксационная поляризация возрастает, возрастают и дипольно-релаксационные потери, так как вся энергия электрического поля, потребляемая на ориентацию диполей, расходуется на трение и переходит в тепло. При дальнейшем нагревании (участок б— в) в результате значительного роста энергии хаотического теплового движения полярных молекул дипольно-релаксационная поляризация уменьшается; уменьшаются и дипольно-релаксационные потери. С увеличением частоты  приложенного напряжения максимум tgδ, так же как и максимум  , смещается в область более высоких температур.

 

Рис.5. Схематическое изображение температурной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь, обусловленных дипольно-релаксационной (а) и ионно-релаксационной (б) поляризациями:

составляющие потерь, вызванные: 1 — дипольно-релаксационной

поляризацией; 2 — ионно-релаксационной поляризацией

В полимерных диэлектриках дипольно-релаксационные потери проявляются в виде двух основных разновидностей: дипольно-сегментальных и дипольно-групповых, имеющих зависимости tgδ от температуры и частоты, аналогичные соответственно  

Дипольно-сегментальные потери вызваны дипольно-сегментальной поляризацией, связанной с подвижностью сегментов (отрезков) молекулярных цепей. Этот вид поляризации и соответствующие ему потери отмечаются при Т > Тс в полярных и неполярных аморфных полимерах, а в кристаллизующихся — только в аморфных областях.

Дипольно-групповые потери вызваны дипольно-групповой поляризацией, которая имеет место благодаря подвижности главным образом

полярных групп  

Этот вид поляризации и соответствующие ему потери наблюдаются только в полярных (аморфных и кристаллизующихся) полимерах при   

В диэлектриках ионного строения аморфных и кристаллических, с неплотной упаковкой решетки ионами ионно-релаксационные потери при нагревании существенно возрастают (см. рис. 5, б), так как увеличивается ионно-релаксационная поляризация в результате ослабления ионных связей и облегчения перехода слабо связанных ионов в вакантные узлы решетки, а также в результате увеличения числа релаксаторов (слабо связанных ионов). Ионно-релаксационные потери, как и образующая их а|ф, обычно наблюдаются при частотах до 10⁶-10¹⁰ Гц. В диэлектриках, представляющих собой композиционные материалы (например, гетинакс, текстолит, полимер с порошкообразным или волокнистым наполнителем), а также содержащих частички проводящей и полупроводящей примеси (например, пор, заполненных влагой), будут возникать дополнительно диэлектрические потери, обусловленные миграционной поляризацией. Ионизационные потери — это та часть мощности приложенного электрического поля, которая расходуется на ионизацию молекул газа. Так как все твердые тела имеют газовые включения (поры и микротрещины), а в жидкостях могут присутствовать микропузырьки газа (воздуха), то ионизационные потери наблюдаются и в твердых, и в жидких диэлектриках в сильных полях.

При  (область слабых полей) газ во рключениях не ионизирует, и tgδ определяется только потерями самого твердого диэлектрика, поэтому величина tgδ от приложенного напряжения не зависит.

При  (область сильных полей) в газовых включениях изоляции возникают частичные электрические разряды, приводящие к увеличению рассеянной мощности приложенного электрического поля и соответственно к росту tgδ (рис.6). График зависимости tgδ изоляции от величины приложенного напряжения называют кривой ионизации, а  — порогом ионизации. Как видно из рис. 6, фактический порог ионизации наступает при более низком напряжении, чем он фиксируется на кривой в точке Uи. С дальнейшим увеличением напряжения tgδ растет, так как в этот процесс вовлекаются новые газовые включения. Вначале чр возникают в крупных газовых включениях, затем по мере роста напряжения чр образуются в более

мелких включениях. При  tgδ достигает максимума, в котором газ ионизирован во всех включениях и, следовательно, энергии на ионизацию новых включений не требуется, поэтому с дальнейшим ростом U tgδ уменьшается. Однако в сильных полях собственная электропроводность твердого диэлектрика начинает возрастать, и при

 наступает пробой (см. рис. 6, 2). Чем выше Uи и меньше

приращение tgδ (более пологий подъем tgδ,   тем лучше качество высоковольтной изоляции. Последнее достигается путем уменьшения пористости (количества, а главное —размера пор) высоковольтной изоляции.

Под действием частичных электрических разрядов, зажигаемых и газовых включениях твердой изоляции, идет постепенное ее разрушение. При этом чем больше диаметр газовых включений (особенно более 0,1 мм), тем ниже Uи.

 Рис.6. Зависимость tgδ от напряжения U для изоляции с воздушными включениями (схематически)

1.Диэлектрические потери в газообразных диэлектриках

Диэлектрические потери в газообразных диэлектриках в слабых электрических полях (рассмотрим на примере воздуха) являются следствием только тока сквозной проводимости. Так как у воздуха

Диэлектрические потери воздуха имеют самое низкое значение и практически не зависят ни от температуры, ни от частоты напряжения. Однако в сильных полях потери могут значительно (на несколько десятичных порядков) возрастать в результате поглощения энергии, идущей на ионизацию молекул воздуха.

2.Диэлектрические потери в жидких диэлектриках

В жидких неполярных диэлектриках (например, в нефтяных электроизоляционных маслах) диэлектрические потери обусловлены только током сквозной проводимости и имеют небольшие значения

 

 которые мало зависят от частоты и температуры, но существенно зависят от природы и концентрации примеси (рис1). Наличие ионогенной примеси (например, влаги, свободных органических кислот и т.п.) приводит к существенному увеличению электропроводности и, следовательно, диэлектрических потерь.

C увеличением температуры tgδ нефтяного трансформаторного масла чистого, сухого возрастает незначительно. Потери возрастают, так как увеличивается ток сквозной проводимости. У масла эксплуатационного с предельно допустимым значением кислотного числа (к.ч. = 0,25 мг КОН/1г;) очень высокое содержание ионогенной примеси – органических кислот и воды. С повышением температуры степень диссоциации молекул кислот, воды и другой ионогенной примеси возрастает, следовательно, возрастает ионная проводимость в трансформаторном масле и, как следствие, увеличиваются диэлектрические потери. В жидких полярных диэлектриках (в касторовом масле, полихлордифениле и т.п.) диэлектрические потери являются следствием как тока сквозной проводимости, так и дипольно-релаксационной поляризации. При этом дипольно-релаксационная поляризация существенно влияет на общий уровень диэлектрических потерь. Величина tgδ может иметь значения ~ 10^~3—10^~2 и более.

В случае дипольно-релаксационной поляризации tgδ при нагревании проходит через максимум и далее с увеличением температуры возрастает, так как возрастает ток проводимости (рис. 2, а ) . С увеличением частоты напряжения максимум tgδ, обусловленный дипольно-релаксационной поляризацией, смещается в сторону более высоких температур (см. рис. 2, б). Если диэлектрические потери измерять в частотном интервале, то с увеличением частоты напряжения 1§8 снижается, особенно резко вначале, так как уменьшаются потери, обусловленные током сквозной проводимости. Максимум потерь на кривой зависимости вызван дипольно-релаксационной поляризацией.

С ростом частоты напряжения tgδ в области максимума возрастает до тех пор, пока дипольно-релаксационная поляризация успевает следовать за изменением поля. Когда же частота становится настолько большой, что диполи уже не успевают ориентироваться в направлении поля и дипольнорелаксационная поляризация снижается, то снижается и 1§8, становясь минимальным. С увеличением температуры измерения максимум tgδ смещается в область более высоких частот.

Р и с . 7. Общий вид ( а ) зависимости tgδ жидких неполярных диэлектриков от температуры Т:

Рис. 8. Общий вид (а) зависимости tgδ жидких полярных диэлектриков от температуры

Рис. 3. Теоретическая зависимость tgδ полярных диэлектриков от частоты со напряжения: потери, обусловленные током проводимости (1), дипольно-релаксационной поляризацией (2)

Рис. 9. Кривые зависимости (^б от частоты напряжения ω (а) и температуры Т; (б) полярного жидкого диэлектрика различной степени чистоты:

На рис. 9 приведены кривые частотной и температурной зависимости tgδ полярного жидкого диэлектрика различной степени чистоты. С увеличением номера кривой содержание ионогенной примеси возрастает. При большом содержании примеси дипольно-релаксационный максимум потерь может быть полностью замаскирован потерями, обусловленными током проводимости (кривая 3).

3.Диэлектрические потери в твердых диэлектриках.

Твердые диэлектрики ионного строения

В кристаллических диэлектриках с плотной упаковкой решетки ионами (в кварце, слюде, корундовой керамике и т.п.) наблюдаются электронная и ионная поляризации, не вызывающие рассеивания мощности приложенного электрического поля, поэтому диэлектрические потери в этом случае обусловлены только током сквозной проводимости. Диэлектрические потери этих материалов имеют небольшие значения и при повышении температуры незначительно возрастают , так как возрастает ток сквозной проводимости. Наличие примеси, искажающей кристаллическую решетку, приводит к существенному увеличению t g δ . В диэлектриках аморфных и кристаллических с неплотной упаковкой решетки (в неорганических стеклах, асбесте, электротехнической керамике и т.п.), кроме  электронной и ионной поляризаций, имеется и ионно-релаксационная, вызывающая ионнорелаксационные потери. Диэлектрические потери в этом случае обусловлены током сквозной проводимости и ионно-релаксационной поляризацией. Диэлектрические потери в этих ди•мюктриках выше (1§8 я 10~2), чем в диэлектриках кристаллических с плотной упаковкой решетки ионами и сильно зависят от температуры: при нагревании tgδ существенно возрастает.

На значение t g δ сильно влияет термообработка. У отожженных стеклянных изоляторов tgδ = 0,0073, у закаленных — tgδ = 0,125.

Рис 10. Общий вид (а) зависимости tgδ  от температуры Г диэлектриков ионного строения аморфных или кристаллических с неплотной упаковкой решетки (1) и с плотной упаковкой решетки (II): потери, обусловленные током проводимости (1) и ионно-релаксационной поляризацией (2);

Твердые диэлектрики молекулярного строения. В неполярных диэлектриках (например, в парафине) потери обусловлены только током сквозной проводимости. У этих диэлектриков наблюдается электронная поляризация; релаксационные виды поляризации отсутствуют. Диэлектрические потери небольшие и при нагревании слегка возрастают (аналогично кривой  (7), Наличие ионогенной примеси (например, влаги) приводит к существенному возрастанию диэлектрических потерь. В полярных диэлектриках (например, в канифоли) на кривых  зависимости t g δ от температуры и частоты напряжения, подобно полярным жидким диэлектрикам, проявляется максимум тангенса угла диэлектрических потерь, обусловленный дипольно-релаксационной поляризацией. В этих диэлектриках, так же как в жидких полярных, диэлектрические потери складываются из потерь, обусловленных током сквозной проводимости и дипольно-релаксационной поляризацией.

Рис 11 Зависимость ε (1) и tgδ (2) канифоли от температуры Т при 50 Гц

Полимерные диэлектрики

В неполярных полимерах (в полистироле, полипропилене и др.) диэлектрические потери при температурах ниже температуры стеклования имеют небольшую величину tgδ (10^~4—10^~5) и практически не зависят от частоты приложенного напряжения и очень слабо зависят от температуры (рис. 12). При нагревании (при Т < Тс) tgδ незначительно возрастает, так как слегка возрастает ток сквозной проводимости (см. рис. 12, а, кривая 12). Кривая зависимости при температурах выше температуры стеклования (Т > Тс) возрастает и проходит через максимум, обусловленный дипольносегментальной поляризацией. С дальнейшим увеличением температуры tgδ растет вследствие увеличения тока проводимости.

Рис 12. Общий вид (а) зависимости (§6 неполярных полимеров от температуры Т

С увеличением частоты приложенного напряжения максимум дипольносегментальных потерь смещается в область более высоких температур Полярные полимеры (поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, полиамиды и др.) имеют значительно большие значения tgδ (10^"~3—10^~2 и выше), чем неполярные. С увеличением температуры tgδ проходит через два максимума, обусловленные соответственно дипольно-групповой (при Т< Тс) и дипольно-сегментальной (при Т > Тс) поляризациями и далее возрастает вследствие увеличения тока проводимости. С увеличением степени кристалличности к полиэтилентерефталата диэлектрические потери снижаются, особенно значительно в области дипольно-сегментальной поляризации. Эти результаты еще раз показывают, что дипольносегментальная поляризация имеет место в аморфных полимерах, а в кристаллизующихся полимерах, каковым является полиэтилентерефталат, — в аморфных областях. Поэтому с увеличением степени кристалличности полиэтилентерефталата максимум , обусловленный дипольно-сегментальной поляризацией, уменьшается.

С увеличением частоты напряжения оба максимума диэлектрических потерь на кривой смещаются в сторону более высоких температур. Поэтому в области высоких температур и СВЧ оба максимума потерь сближаются вплотную, вызывая один релаксационный максимум диэлектрических потерь.

На величину диэлектрических потерь полимеров существенно влияют полярность и пористость материала и относительная влажность воздуха. В результате накопления влаги в порах изоляции возникает миграционная поляризация, которая приводит к существенному  увеличению диэлектрических потерь, особенно при низких частотах. Поэтому у полимеров полярных с увеличением относительной влажности воздуха tgδ значительно возрастает.

                                                                      2.6.    Пробой диэлектриков

2.6.1. Общая характеристика явление пробоя диэлектриков.

                         2.6.2.     Пробой газов

                         2.6.3.     Пробой жидких диэлектриков

                         2.6.4.     Пробой твердых диэлектриков

2.6.1. Общая характеристика явление пробоя

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а соответствующее значение напряженности поля – электрической прочностью диэлектрика.

      E_пр = U_пр/h , где E_{п р} – электрическая прочность диэлектрика, U_{п р} пробивное напряжение, h – толщина диэлектрика.

Явление электрического пробоя связано с электронными процессами в диэлектрике, возникающими в сильном электрическом поле и приводящими к внезапному резкому местному возрастанию плотности электрического тока к моменту пробоя.

Электрический пробой (электронный пробой), протекающий за 10^-8 — 10⁵ с, обусловлен ударной ионизацией ускоренными в электрическом поле электронами. Электрическая прочность при электрическом пробое воздушных промежутков при нормальных условиях составляет 3∙10⁶ В/м, тщательно очищенных жидкостей достигает 10⁸ В/м, твердых диэлектриков

(монокристаллов) -10⁹ В/м.

Электротепловой пробой (тепловой пробой) обусловлен прогрессивно нарастающим выделением теплоты в диэлектрике под действием диэлектрических потерь в местах наихудшего теплоотвода образца (изделия). Такой пробой развивается за 10^-3 — 10² с, E_пр здесь достигает 10⁷ В/м.

Электрохимический пробой (электрическое старение) обусловлен медленными изменениями химического состава и структуры диэлектрика, которые развиваются под воздействием электрического поля и (или) разрядов в окружающей среде. Время развития электрохимического пробоя составляет 10³ — 10⁸ с и называется временем жизни диэлектрика _ж. С увеличением температуры и напряженности электрического поля т_ж, как правило, уменьшается. Такой пробой развивается в полях, значительно меньших, чем Е_пр диэлектрика. Основной причиной электрического старения полимеров являются частичные разряды (ЧР).

Развитие той или иной формы пробоя зависит от природы диэлектрика и условий определения Е_пр или эксплуатации. При испытаниях на импульсах длительностью 10^{- 8} — 10^-5 с в условиях отсутствия разрядов у краев электродов происходит электрический пробой. Если  такого диэлектрика велика и резко зависит от температуры, то при выдержке этого же образца под напряжением в течение 10^-3 — 10^-2 с в нем развивается тепловой пробой. При воздействии на образец в течение длительного времени меньшими напряжениями, при которых в диэлектрике происходят ЧР или другие процессы, обусловливающие старение, наблюдается электрохимический пробой.

Значения напряжений пробоя и Е определяют согласно ГОСТ 6433.3-71

Механические свойства характеризуют способность диэлектрика выдерживать внешние статические и динамические нагрузки без недопустимого изменения первоначальных размеров и формы. Параметры, характеризующие механические свойства, как правило, определяются по стандартным методикам.

2.6.2.Пробой газов

Внешней изоляцией во многих видах электротехнических конструкций: в трансформаторах, конденсаторах, на линиях электропередачи – служит воздух. Электрическая прочность воздуха в нормальных условиях невелика по сравнению с Е_пр большинства жидких и твердых диэлектриков.

Положительные и отрицательные ионы и электроны, находящиеся, как и нейтральные молекулы газа, в беспорядочном тепловом движении, при изложении поля получает некоторую добавочную скорость и начинает перемещаться в накправлении поля или в противоположном в зависимости от знака заряда. При этом заряженная частица газа приобретает дополнительную энергию

W = q U_, где q– заряд, U_  - падение напряжения на длине свободного пробега . Если поле достаточно однородно, то можно принять U_ - E, где E – напряженность поля. Отсюда W = Eq .

Добавочная энергия заряженных частиц сообщается молекулам, в которвми они сталкиваются. Если эта энергия достаточно велика, происходит возбуждение атомов и молекул, связанное с переходом электрона на более удаленную от ядра орбиту, или даже ионизация молекул, т.е. их расщепление на электроны и положительные ионы.

При заданных значениях давления газа и температуры ударная ионизация начинается при определенной напряженности поля, поскольку q и  постоянны для каждого газа. Эта напряженность поля E_п называется начальной напряженностью.

Присоединение, "прилипание" электрона к нейтральной молекуле приводит в подобных случаях к такой перестройке ее электронной оболочки, что в итоге энергия молекулы, захватившей лишний электрон, оказывается меньше энергии нейтральной молекулы на некоторую величину, которую называют энергией сродства к электрону.

Ионизация при соударении ионов с частицами газа зависит от химической природы столкнувшихся частиц, ибо соударения являются элементарным актом химической реакции.

В некоторых случаях электрон, разогнанный полем, может не ионизировать молекулу, а привести ее в возбужденное состояние. В следующий момент эта возбужденная молекула отдает свою избыточную энергию в форме излучения – испускает фотон. Фотон поглощается какойлибо другой молекулой, которая при этом может ионизироваться. Электропроводящий канал называют стримером, а фотонная ионизация создает в разрядном промежутке каналов с повышенной проводимостью газа.

Рост электропроводящего канала – стримера – происходит быстрее, чем продвижение электронной лавины.

Положительный стример представляет собой канал газоразрядной плазмы:

1.               обнаруживается интенсивная фотонная ионизация, электроны,освобождаемые частицами газа, поглотившими фотоны,

2.               вследствие ионизации концентрация положительных ионов на путистримера увеличивается. Насыщенное электронами пространство заполненного положительными зарядами, превращает эту область в проводящую газообразную плазму.

Однородное поле можно получить между плоскими электродами с закругленными краями, а также между сферами при расстоянии между ними, соизмеримом с диаметром сферы. В таком поле пробой наступает практически мгновенно при достижении строго определенного напряжения, зависящего от температуры и давления газа. Между электродами возникает искра, которая затем переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность.

При малых расстояниях между электродами наблюдается значительное увеличение электрической прочности воздуха.

Это явление можно объяснить трудностью формирования разряда при малом расстоянии между электродами. Электрическая прочность газа в сильной степени зависит от его плотности (т.е. от давления, если температура постоянна). При малых изменениях температуры и давления газа пробивное напряжение пропорционально плотности газа.

При больших давлениях, повышенной плотности газа для получения пробоя необходимо увеличение напряженности поля.

При высоком вакууме пробой можно объяснить явлением вырывания электронов из поверхности электрода (холодная эмиссия). Электрическая прочность  велика.

Закономерности, которым подчиняется пробой газов в неоднородном поле, заметно отличаются от описанных выше закономерностей, наблюдаемых при пробое в однородном поле. Неоднородное поле возникает между двумя остриями, острием и плоскостью, между проводами линий электропередачи, между сферическими поверхностями при расстоянии между ними, превышающим диаметр сферы и т.д.

Особенностью пробоя газа в неоднородном поле является

возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.

Между электродами игла-плоскость при положительной полярности иглы пробой происходит при меньшем напряжении, чем при обратной полярности. Это объясняется тем, что поляризация газа при любой полярности на электродах происходит около иглы, т.е. там, где существуют наибольшие значения напряженности электрического поля, и, следовательно, около нее образуется "облако" из положительно заряженных ионов – молекул. Поэтому пробой и наступает при меньшем напряжении, чем при противоположной полярности электродов.

Разряд в воздухе у поверхности твердого диэлектрика, называемый в технике поверхностным разрядом (перекрытием), возникает обычно при более низких напряжениях, чем в том случае, когда между электродами имеется только воздух. На разрядное напряжение влияют форма электрического поля, обусловленная конфигурацией электродов и диэлектрика, частота поля, состояние поверхности диэлектрика, давление воздуха.

 2.6.3.Пробой жидких диэлектриков

Жидкие диэлектрики отличаются более высокой электрической прочностью, чем газы в нормальных условиях.

Предельно чистые жидкости получить чрезвычайно трудно. Постоянными примесями в жидких диэлектриках являются вода, газы и твердые частицы. Наличие  примесей и определяет в основном явление пробоя жидких диэлектриков и вызывает большие затруднения для создания точной теории пробоя этих веществ.

Повышенная электрическая прочность жидкого диэлектрика по сравнению с газообразным обусловлена значительно меньшей длиной свободного пробега электронов. Под влиянием электрического поля сферические капельки воды – сильно дипольной жидкости – поляризуются, приобретают форму эллипсоидов и, притягиваясь между собой равномерными концами, создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и проходит электрический пробой.

Наличие воды снижает электрическую прочность масла при нормальной температуре. Подъем Е_пр при повышении температуры обусловлен переходом воды из состояния эмульсии в состояние молекулярного раствора.

2.6.4. Пробой твердых диэлектриков.

Различают четыре вида пробоя твердых диэлектриков:

1.   электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков;

2.   электрический пробой неоднородных диэлектриков;3. тепловой (электротепловой) пробой;

4. электрохимический пробой.

Каждый из указанных видов пробоя может иметь место для одного и того же материала в зависимости от характера электрического поля (постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты), наличия в диэлектрике дефектов, в частности закрытых пор, от условий охлаждения, время воздействия напряжения.

Электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков характеризуется весьма быстрым развитием, он протекает за время,

меньше 10-7 – 10-8с, и не обусловлен тепловой энергией, хотя электрическая прочность при электрическом пробое в некоторой степени зависит от температуры.

Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твкрдом теле создается электронная лавина – возникает ударная ионизация.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обуславливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений. Для однородного поля и полной однородности структуры материала напряженность поля при электрическом пробое может служить мерой электрической прочности вещества.

Для однородных материалов наблюдается заметная разница между значениями пробивного напряжения в однородном и неоднородном полях.

Электрический пробой неоднородных диэлектриков – характерен для технических диэлектриков, содержащих газовые включения, и так же, как и электрический пробой однородного диэлектрика, весьма быстро развивается.

Пробивные напряжения для неоднородных диэлектриков, находящихся во внешнем однородном или неоднородном поле, как правило, невысоки и мало отличаются друг от друга.

С увеличением толщины образца усиливается неоднородность структуры, возрастает число газовых включений и снижаются электрические прочности как в однородном, так и в неоднородном поле.

Чем меньше площадь электродов, тем выше может быть значение электрической прочности керамических материалов вследствие уменьшения числа инородных включений, попадающих в пределы поля. Снижение электрической прочности твердых диэлектриков при увеличении площади электродов наблюдается не только у керамики, но и у других материалов: бумаги, картона, лакотканей.

Электрическая прочность твердых диэлектриков практически не зависит от температуры до некоторого ее значения, что говорит о появлении механизма теплового пробоя.

Низкой электрической прочностью отличаются диэлектрики с открытой пористостью (непропитанная бумага, дерево, пористая керамика).

Высокой электрической прочностью характеризуются диэлектрики, имеющие плотную структуру и не содержащие газовых включений.

 Тепловой и электрохимический пробой твердых диэлектриков

Тепловой пробой. Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество теплоты, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, повышает количество теплоты, которое может рассеиваться в данных условиях; при этом нарушается тепловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный характер.

Электрическая прочность при тепловом пробое является

характеристикой не только материала, но и изделия из него, тогда как электрическая прочность при электрическом пробое служит характеристикой самого материала. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды.

Механизм теплового пробоя наиболее вероятен при повышенных температурах, когда можно ожидать, что преобладающими будут потери сквозной электропроводности.

Температура по всему объёму материала, находящемуся в электрическом поле между электродами (краевым эффектом пренебрегаем), одинакова, если толщина диэлектрика не очень велика и теплопроводность его не слишком плохая (достаточно справедливое допущение).

В общем случае тепловой пробой – более сложное явление, чем было рассмотрено, важную роль играет теплопроводность материала электродов.

Электрохимический пробой.

Электрохимический пробой электротехнических материалов имеет существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжениях низкой частоты, когда в материале развиваются процессы, обуславливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции (электрохимическое старение). Электрохимический пробой может иметь место при высоких частотах, если в закрытых порах материала происходит ионизация газа, сопровождающаяся тепловым эффектом и восстановлением, например в керамике, оксидов металлов переменной валентности.

Для развития электрохимического пробоя требуется длительное время, поскольку он связан с явлением электропроводности. В керамике, содержащей оксиды металлов переменной валентности (например, ТiО2), электрохимический пробой встречается значительно чаще, чем в керамике, состоящей из оксидов алюминия, кремния, магния, бария. Электрохимический пробой наблюдается и у многих органических материалов.

Электрохимический пробой во многом зависит от материала электродов.

Таким образом, электрический пробой (электронный пробой), протекающий за 10^-8 - 10^-5с, обусловлен ударной ионизацией ускоренными в электрическом поле электронами. Электрическая прочность при электрическом пробое воздушных промежутков при нормальных условиях составляет 3∙10⁶ В/м, тщательно очищенных жидкостей достигает 10⁸ В/м, твердых диэлектриков (монокристаллов) -10⁹ В/м.

Электротепловой пробой (тепловой пробой) обусловлен прогрессивно нарастающим выделением теплоты в диэлектрике под действием диэлектрических потерь в местах наихудшего теплоотвода образца (изделия). Такой пробой развивается за 10^-3 - 10² с, Eпр здесь достигает 10⁷ В/м.

Электрохимический пробой (электрическое старение) обусловлен медленными изменениями химического состава и структуры диэлектрика, которые развиваются под воздействием электрического поля и (или) разрядов в окружающей среде. Время развития электрохимического пробоя составляет 10³ — 10⁸ с и называется временем жизни диэлектрика _ж. С увеличением температуры и напряженности электрического поля _ж, как правило, уменьшается. Такой пробой развивается в полях, значительно меньших, чем Е_пр диэлектрика. Основной причиной электрического старения полимеров являются частичные разряды (ЧР).

Развитие той или иной формы пробоя зависит от природы диэлектрика и условий определения Е_пр или эксплуатации. При испытаниях на импульсах длительностью 10^-8 — 10^-5 с в условиях отсутствия разрядов у краев электродов происходит электрический пробой. Если  такого диэлектрика велика и резко зависит от температуры, то при выдержке этого же образца под напряжением в течение 10^-3 — 10^-2 с в нем развивается тепловой пробой. При воздействии на образец в течение длительного времени меньшими напряжениями, при которых в диэлектрике происходят ЧР или другие процессы, обусловливающие старение, наблюдается электрохимический пробой.

Старение керамических материалов

П о д старением керамических материалов и стекол обычно подразумевается снижение их электрофизических характеристик, главным образом электрической прочности, при воздействии электрических полей. Величина снижения электрической прочности связывается с количеством прошедшего через образец электричества. Увеличения тока через образец можно достигнуть либо повышением температуры, либо повышением приложенного к образцу напряжения. Однако, увеличение этих параметров должно производиться в таких пределах, чтобы характер проводимости не изменился, т.е. механизм ускоренного старения остался таким же, как и в эксплуатационных условиях.

В фарфоре электропроводность в широком интервале не зависит от температуры и осуществляется за счет ионов щелочных металлов, главным образом натрия.

Величина напряжения при старении выбирается таким образом, чтобы к диэлектрику был применен закон Ома. Выход за область действия закона Ома сопряжен с изменением характера проводимости.

Важное значение при обосновании методики старения керамики имеет правильный выбор электродов.

Старение (фарфора) заключается в длительном пропускании через образцы постоянного тока, величина которого фиксировалась через определенные промежутки времени. При длительном действии постоянного электрического поля происходит уменьшение электрической прочности фарфора.

Снижение электрической прочности фарфоровых материалов можно объяснить тем, что при длительном прохождении электрического тока через фарфоровые материалы, обладающие электрической проводимостью, в процессе воздействия на них высокого постоянного напряжения один из приэлектродных слоев объединяется носителями тока и его сопротивление возрастает. Все напряжение оказывается приложенным к тонкому приэлектродному слою, объединенному ионами проводимости, что приводит его к пробою. Это вызывает в свою очередь уменьшение общей активной толщины диэлектрика и, следовательно, общее снижение его электрической прочности.

При совпадении направлений полей «старения» и пробоя э.д.с. высоковольтной поляризации частично компенсирует внешнее напряжение и для пробоя образца потребуется приложить большее напряжение. Более правильное представление о процессах, протекающих при старении фарфора можно получить при учете диффузии. Длительное прохождение тока через образец фарфора, обладающий в основном ионной проводимостью, приводит к образованию концентрации окислов элементов, за счет которых осуществляется проводимость. Так как в фарфоре это ионы щелочных металлов, как правило в основном натрия, то электролиз приводит к обесщелачиванию приэлектродных частей образца с одной стороны и выделению окислов на другом электроде.

Главное отличие исследуемых на  «старение» материалов заключается в химическом составе их стекловидной фазы, ей принадлежит решающая роль.

При обеднении прианодного слоя в процессе старения ионами натрия градиент концентрации служащий основной движущей силой диффузии хотя диффузионные явления не должны существенно сказываться на электрической прочности диэлектрика. Высокое сопротивление фарфора, в котором окись натрия замещена в эквимолекулярных количествах окисью кальция, объясняется тем, что двухвалентный ион кальция в отличие от одновалентных не создает разрывов в сетке стекла. Таким образом, эта замена создает упрочнение стеклофазы фарфора и приводит к повышению его электрофизических свойств. Вместе с тем уход иона кальция при электролизе создает разрывы в сетке стеклофазы и снижение электрической прочности. При сошлифовывании отформованного прианодного слоя разница в электрической прочности при пробое напряжениями разных направлений в фарфлое, что говорит за то, что диффузионная э.д.с. возникает на границе отформованного слоя.

При изучении старения керамики при переменном напряжении высокой частоты была установлена важная роль ионизации в порах,  Нейтрализация оседающих на стенках пор заряженных частиц может проходить с помощью тока объёмной проводимости и тока поверхностной проводимости – по стенкам пор. Ионизационные процессы в порах керамических образцов при постоянном напряжении, как правило, происходит быстро и поэтому мало заметны. Роль ионизационных процессов возрастает, если проводимость стенок пор заметно увеличивается, происходит разогрев стенок, нагревание заметно усиливается, вызывая увеличение проводимости.

Конденсаторные материалы на основе соединений титана в полях постоянного тока имеют тенденцию к старению. В процессе старения рутиловой керамики при определенных  постоянных температуре и напряжении величина тока проводимости непрерывно растет, и в конечном итоге наступает пробой. При периодической смене полярности постоянного тока свойства рутиловой керамики восстанавливаются и старение не наблюдается. Восстановление свойств конденсаторных материалов при перемене полярности поля старения сопровождается уменьшением электропроводности.

Рутиловая керамика обладает электронной проводимостью, и ее старение описывается как результат образования под действием внешнего поля парных дефектов. Парный дефект : ион в междоузлии – анионная вакансия. При отсутствии поля или в поле обратной полярности происходит рекомбинация дефектов и регенерация электроизоляционных свойств.

Таким образом, если электропроводность керамики носит электролитический характер, то старение объясняется электрофизическими процессами и является необратимым. При электронной проводимости старение носит обратимый характер и возможно восстановление исходных свойств путем перемены полярности или отжига.

Важное значение имеют электролитические процессы в старении глазури, которая является непременной составляющей частью электроизоляторов. Наличие электродных потенциалов между окисламия. Входящими в состав глазури, может вызвать ее коррозию даже при отсутствии внешнего поля. При приложении переменного поля коррозия ускоряется и особенно интенсивно идет в увлажненной атмосфере в поле постоянного напряжения.

Контрольные вопросы:

1.              диэлектрические потери, угол диэлектрических потерь

2.              Электропроводность материалов.

3.              Диэлектрическая проницаемость

4.              Основные виды поляризации

5.              Диэлектрик в электрическом поле

6.              Пробой диэлектриков

3. Проводниковые материалы.

3.1. Классификация и основные свойства.

Проводники

Проводниками называются вещества, внутри которых в случае электростатического равновесия электрическое поле равно нулю, т. е. некомпенсированные заряды проводников локализуются в бесконечно тонком поверхностном слое, а если электрическое поле отлично от нуля, то в проводнике возникает электрический ток.

Проводниковые свойства проявляют как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы.

В электротехнике из твердых проводников наиболее широко используются металлы и их сплавы, различные модификации проводящего углерода и композиции на их основе.

Металлические проводниковые материалы подразделяются на материалы высокой проводимости и сплавы высокого сопротивления. Металлы высокой проводимости используются в тех случаях, когда необходимо обеспечить минимальные потери передаваемой по ним электрической энергии, а сплавы высокого сопротивления, наоборот, в тех случаях, когда необходима трансформация электрической энергии в тепловую.

К жидким проводникам относятся расплавы и электролиты. Если при прохождении тока через жидкие проводники на электродах не происходит выделение продуктов электролиза, то они относятся к проводникам первого рода. Расплавы ионных кристаллов и электролиты относятся к проводникам второго рода, так как при прохождении через них тока происходит перенос вещества, а на электродах выделяются продукты электролиза.

Газы и парообразные вещества становятся проводниками лишь в определенных диапазонах значений давления, температуры и напряженности электрического поля. Близка к газам по своему агрегатному состоянию особая проводящая среда - плазма.

К особой группе проводящих материалов относятся сверхпроводники.

Современная теория проводников основывается на постулатах квантовой механики. В рамках этой теории предполагается, что при отсутствии внешних воздействий (электрические и магнитные поля, градиент температуры) система подвижных электрических зарядов в проводниках описывается равновесной функцией распределения. Реакция на любое внешнее воздействие, нарушающее равновесное состояние подвижных зарядов, может быть описана с помощью неравновесной функции распределения, конкретный вид которой зависит oт типа воздействия и определяется на основе решения кинетического уравнения Больцмана.

Количественная связь между внешним воздействием и реакцией на него подвижных носителей заряда описывается с помощью кинетических коэффициентов, из которых наиболее важную практическую роль играют коэффициент электрической проводимости (выражает связь между напряженностью электрического поля в проводнике и плотностью тока) и коэффициент тепловой проводимости (выражает связь между разностью температур на единичной длине проводника и тепловым потоком).

Математически эти явления описываются законами Ома и Фурье, где Е

 - напряженность электрического поля, В/м; I - плотность тока, А/м;  плотность теплового потока, Вт/м; Т - разница температур на единичном участке длины проводника, К/м;  - коэффициент электрической проводимости (удельная электрическая проводимость), Ом/м,  коэффициент теплопроводности, Вт/(мК). J = у Е  =  T

При наличии градиентов температуры и потенциала в одном или нескольких соединенных проводниках возникает ряд термоэлектрических эффектов. Если градиент температуры вдоль проводника не равен нулю, то на его концах появляется разность потенциалов, называемая термоэлектрической разностью потенциалов, или термоэлектродвижущей силой. При разности температур в 1К эта разность потенциалов называется удельной (дифференциальной) термоэлектродвижущей силой.

 В разомкнутой цепи из нескольких разнородных проводников, находящихся при одинаковой температуре, появляется контактная разность потенциалов, равная алгебраической сумме разностей работ выхода электронов из проводников. При замыкании такой цепи ток не возникает, так как контактные разности потенциалов компенсируют друг друга. Если же поддерживать контакты при разных температурах, возникает отличная от нуля термоэлектродвижущая сила, называемая (при разности температур в 1 К) относительной удельной термоэлектродвижущей силой. По имени физика, изучавшего это явление, оно получило название эффекта Зеебека. Этот эффект, положенный в основу работы промышленных термопар, наиболее изучен. Эффект Пельтье состоит в выделении обратимого тепла на контакте двух различных проводников, когда через контакт проходит ток. Эффект Томсона состоит в выделении обратимой теплоты, когда в проводнике протекает ток при наличии градиента температуры.

При одновременном воздействии на проводник электрического и магнитного полей возникают гальваномагнитные эффекты.

Наиболее полно к настоящему времени развита теория металлических проводников. Еще на рубеже XIX - XX вв. теоретически и экспериментально было показано, что если металл находится в твердом или жидком состоянии, то часть электронов делокализуется, а возникающие в результате этого положительно заряженные ионы образуют (если металл находится в твердом состоянии) кристаллическую решетку. Взаимодействие положительно заряженного остова кристаллической решетки с делокализованными электронами обеспечивает стабильность и устойчивость структуры металлов, а наличие электронов, принадлежащих не отдельным атомам, а всей их совокупности, обеспечивает высокую электрическую проводимость металлов. Однако наиболее точные расчеты кинетических коэффициентов получены на основе современной теории металлов, в которой совокупность делокализованных электронов рассматривается как «Ферми-жидкость», подчиняющаяся статистике Ферми. Наибольшую практическую ценность представляют результаты теоретического исследования электрической проводимости металлов.

В современной теории электропроводности показано, что в идеальной кристаллической решетке электрический или тепловой поток, однажды возникнув, поддерживался бы бесконечно долго, т. е. делокализованные электроны создавали бы бесконечную проводимость, а время релаксации (среднее время свободного пробега электронов) оказалось бы бесконечным. Тот факт, что удельная электрическая проводимость конечна, обусловлен нерегулярностями решетки. Эти нерегулярности делятся на две основные категории. Одни связаны с тепловыми колебаниями, другие являются статистическими. Тепловые колебания решетки нарушают идеальную периодичность кристаллов. Искажения решетки рассеивают электроны, ограничивая длину свободного пробега конечным значением. С уменьшением температуры интенсивность рассеивания уменьшается, и так как ограничения, налагаемые статистикой Ферми, препятствуют рассеянию на нулевых колебаниях, то в области температур, близких к абсолютному нулю, проводимость ограничивается статическими дефектами. Обычно существует целый ряд статических дефектов. Вакансии, междуузельные атомы и примеси замещения составляют группу точечных дефектов. Дислокации являются линейными дефектами. Существуют и двумерные нерегулярности, такие как дефекты упаковки и границы двойников и кристаллитов.

В итоге теория предсказывает, а эксперимент подтверждает, что в области низких температур (меньших температуры Дебая ) удельная электропроводность  пропорциональна T^-5, a при Т >    Т^-1, где Т температура перехода.

В практике проведения электротехнических расчетов часто используется не удельная проводимость, а величина, ей обратная,  (Ом·м). Учитывая это,   Т при Т > . Для большинства металлов температура Дебая лежит в области от 100 до 400 К.

В технических расчетах влияние температуры на сопротивление характеризуют температурным коэффициентом удельного сопротивления 

Наиболее широко в электротехнике используются медь и алюминий. Являясь материалами высокой проводимости, эти металлы допускают все виды механической обработки, что позволяет изготовлять токопроводящие элементы практически любой формы и протяженности. Их несомненным достоинством является достаточно высокая прочность и стойкость по отношению к нагрузкам. Преимущества этих металлов настолько велики, что выбор материалов для токопроводящих элементов обычно ограничивается или ими самими, или их модификациями. Конкретный же выбор между медью и алюминием осуществляется на основе технической необходимости и экономической эффективности.

При выборе проводящих материалов для токопроводящих цепей, работающих в переменных электромагнитных полях, необходимо учитывать поверхностный эффект.

Для изготовления различных токопроводящих деталей электрооборудования, стержней короткозамкнутых роторов асинхронных электродвигателей, прижимных контактов электрических аппаратов широко используются простая латунь или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основной легирующей добавкой является цинк- Медно-цинковые сплавы по сравнению с медью обладают более высокой механической прочностью и повышенным значением удельного электрического сопротивления. Латунь подразделяется на обрабатываемую давлением и литьем.

В электротехнике более широкое применение находит латунь, обрабатываемая давлением.

Для изготовления троллейных проводов, коллекторных пластин, контактных ножей, скользящих контактов, токоведущих пружин, упругих контактов и т. п. широко используется бронза.

Бронза представляет собой медный сплав и по сравнению с медью отличается высокой механической прочностью, твердостью, упругостью и стойкостью к истиранию.

Бронза подразделяется на группы: оловянная, обрабатываемая давлением; литейная; безоловянная литейная.

Для изготовления токопроводящих шин, фольги, роторов асинхронных электродвигателей и других подобных изделий широко используются сплавы на основе алюминия, причем их электрические, механические и технологические свойства легко регулируются легирующими добавками. По способу изготовления изделий алюминиевые сплавы делятся на деформированные и литейные.

Токопроводящие шины и электротехническая проволока изготовляются из алюминиевых сплавов с примесями магния и кремния АД0 и АД31.

Короткозамкнутые роторы асинхронных электродвигателей общего назначения обычно изготовляются из алюминия марок А5 или А7. Высокими литейными свойствами обладают сплавы марок АК-10, АКМ10-2, АКМ12-4 и АКЦ11-12. Ограниченными литейными свойствами обладают чистый алюминий и сплавы марок АК3, АКМ2-1 и АКМ4. Сплавы АМ7 и АКМ1-9 имеют невысокие литейные свойства и применяются лишь в специальных случаях.

3.2. Материалы высокой проводимости и высокого сопротивления.

Проводники с большим сопротивлением

Для р е зи с то р о в с б ольшо й мо щн о с т ью р а с с е я н и я и

электронагревательных элементов применяются нагревостойкие сплавы высокого сопротивления с рабочими температурами, превышающими 1000 °С Из предназначения сплавов следует, что их ингредиенты подобраны таким образом, чтобы обеспечить высокое значение объемного коэффициента оксидации, означающего, что при нагреве на воздухе поверхность сплавов покрывается сплошной оксидной пленкой. Такими ингредиентами являются хром, никель и алюминий, однако в целях снижения стоимости сплавов в их состав часто вводят железо. С малым содержанием железа сплавы Fe-Ni-Cr называют нихромами, а с повышенным - ферронихромами. Сплавы Fе-Cr-Al называют соответственно фехралями и хромалями.

Карбиды и силициды широко используются для изготовления электронагревательных элементов высокотемпературных нагревателей. Из этих материалов наибольшее распространение получили силит и глобар. Эти материалы изготовляются на основе карбида кремния, и их максимальная рабочая температура 1450 °С. При эксплуатации силитовых и глобаровых электронагревательных элементов необходимо учитывать критичность срока службы по отношению к температуре перегрева: даже при небольшом превышении температуры над максимально допустимой срок службы элементов резко уменьшается. До температуры 900 °С ТКС нагревателей отрицателен, и при достижении этой температуры сопротивление элементов уменьшается приблизительно в 5 раз. Однако при температуре 1400 °С их сопротивление уже на 20 % превышает максимальное.

Более высокие рабочие температуры имеют нагревательные элементы на основе дисилицида молибдена, стержни из которого допускают нагрев до 1700

Сверхпроводники

Некоторые металлы обладают замечательными свойствами: при охлаждении их электросопротивление понижается обычным образом, но при достижении некоторой температуры это сопротивление исчезает полностью. Тогда говорят, что произошел переход в сверхпроводящее состояние. Температура, при которой сверхпроводник теряет сопротивление, называется его критической температурой.

Применение сверхпроводников открывает пути улучшения технических и экономических параметров современных приборов и устройств или дает принципиально новые решения проблем, которые не могут быть реализованы с помощью обычной техники.

Одна из первых и наиболее освоенных областей применении сверхпроводников - создание высоких магнитных полей, вплоть до 20 кА/м. Такие поля используются в физике плазмы, физике высоких энергий, ядерной физике (ускорители), в накопителях энергии, при создании скоростного транспорта на магнитной подушке.

Использование сверхпроводников в энергетике и электротехнике позволит резко сократить потери электроэнергии. Явление сверхпроводимости было открыто Камерлинг Опессом. Первый сверхпроводник - ртуть терял свое сопротивление при охлаждении его до 4 К (-269 °С). Сверхпроводящими свойствами могут обладать металлы, сплавы и металлические соединения, а также неметаллические химические вещества в металлическом состоянии, органические соединения и ионные кристаллы.

Чистые элементы, обладающие сверхпроводимостью, можно

классифицировать по следующим группам;

1) непереходные металлы Si, Ge, As, Sb, Bi, Se, Те, которые обладают сверхпроводимостью при высоком давлении;

1)              переходные металлы групп 3d, 4d и 5d, у которых с увеличением порядкового номера происходит заполнение внутренних уровней;

2)              тонкопленочные структуры на основе Li, Cs, Gr, Pr, Nd, Eu. Критическая температура чистых элементов не превышает 10 К.

При сплавлении чистых элементов возможно образование твердых растворов и упорядоченных сплавов типа интерметаллических соединений. Наиболее высокая температура сверхпроводящего перехода для этой группы материалов была обнаружена в интерметаллическом соединении Nb₃Ge (23,3 К).

Сверхпроводящее состояние может разрушаться не только при повышении температуры материала до Т_с, но и при определенных (критических) значениях плотности электрического тока I_с и напряженности магнитного поля H_{с .} Выпускаемый промышленностью ниобий в виде проволоки, прутков и полос с примесью Та(0,2 %), С(0,01 %), N₂(0,01 %), W и Мо(0,02 %) обладает критической плотностью тока J_c - 8 10⁸ А/м² при воздействии магнитного поля индукцией 0,5 Тл.

Молибден-рениевые сплавы, изготовленные в виде тонкой проволоки диаметром 0,01 мм позволили получить плотность тока J_c = 10⁸ А/м² в магнитном поле индукции 1,5 Тл. Ниобий-титановые сплавы по сравнению с Mo-Re обладают более высокими значениями плотности тока в аналогичных условиях- Сплавы Nb₃Sn в виде сверхпроподников применяются путем осаждения олова слоем толщиной 20 - 50 мкм на провод из ниобия или ленты из нержавеющей стали толщиной 20 - 50 мкм и шунтирующего слоя 25 - 50 мкм из меди. В 1986 г. Беднорцем и Мюллером была открыта высокотемпературная сверхпроводимость в системе Ва - La - Сu - О при температуре 30 - 35 К.

В системе YBa₂Cu₃O_7- была достигнута критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние Т_с = 92 К. Таким образом был преодолен азотный барьер, что позволило использовать для охлаждения керамического образца жидкий азот (Т_кип = 77 К) вместо дорогостоящего гелия.

В одном случае при достижении критического значения напряженности внешнего магнитного поля Н_с сверхпроводящее состояние разрушается. В другом случае при достижении напряженности магнитного поля Н_с1 магнитный поток проникает в сверхпроводник, но нормальное состояние его полностью не восстанавливается до тех пор, пока напряженность не достигнет Н_с2.

Область между Н_с1 и Н_с2 называется смешанным состоянием. Сверхпроводники, на кривых намагничивания которых имеется область смешанного состояния, называют сверхпроводниками II рода (рис. 16.2).

 Рис.1Зависимость намагничивания образца от напряженности внешнего магнитного поля

Для сверхпроводников II рода, которые неоднородны уже потому, что содержат включения другой фазы, кривые намагничивание насыщения необратимы.

Многие из новых высокотемпературных сверхпроводников относятся к классу керамических материалов, называемых перовскитами. Их структура легко поддается изменениям, что позволяет получить материалы, обладающие широким разнообразием электрических свойств.

Идеальная структура перовскитов, которые описываются общей формулой АВХ - кубическая. Каждый куб состоит из трех различных химических элементов (А, В и X) в отношении 1:1:3. А и В - это металлические катионы (ионы с положительным зарядом), X - неметаллические анионы (ионы с отрицательным зарядом); Можно предположить, что такой перовскит (разновидность титана кальция СаТiO₃, образующаяся при высоких температурах) имеет идеальную структуру. Такой кристалл часто имеет форму куба или октаэдра, отражающую симметрию атомной структуры.

Рис.2 Кристаллическая структура перовскита

Множество химических элементов может соединяться и образовывать сотни идеальных и модифицированных перовскитов, хорошо известных в настоящее время. Барий, калий и редкоземельные элементы - наиболее типичные из 24 элементов, которые могут занимать положение А Среди десятков соединений, соответствующих идеальной структуре перовскита, существуют такие, как фторид серебра и цинка AgZnF₃, бромид цезия и кадмия CsCdBr₃, фторид лития и бария LiBaF₃.

На сегодняшний день известно множество перовскитов с развернутыми октаэдрами.

3.3. Контактные материалы

По условиям работы контакты подразделяются на два типа: коммутирующие, скользящие.

Коммутирующие контакты служат для управляемого замыкания и размыкания электрической цепи. К скользящим относятся контакты, поверхности которых скользят одна относительно другой, щетка-коллектор, щетка-контактное кольцо и щетка-резистивный элемент.

Материалы для коммутирующих и скользящих контактов должны быть стойкими к коррозии, электрической эрозии и износу, не свариваться, иметь высокую механическую прочность и износостойкость, особенно на истирание, и, естественно, обладать высокой проводимостью и теплопроводностью.

Слаботочные контакты изготовляются преимущественно из серебра, платины, палладия, золота, вольфрама и сплавов на их основе.

Лучшими из этих материалов являются металлы и сплавы платиновой группы. Контакты из платины не покрываются диэлектрическими пленками, что обеспечивает стабильное переходное сопротивление. Чаще всего платина используется в качестве основы для контактных сплавов. Причем, если Ni, Ag, Ir, Os, Ru и W сильно повышают твердость и удельное электрическое сопротивление сплавов, то в меньшей степени это относится к радию и палладию. Из сплавов платина-никель наиболее известен сплав ПлН-4,5. Иридий и радий образуют с платиной непрерывный ряд растворов. В нашей стране наиболее распространены Pt-Ir контактные сплавы ПлИ-10 и ПлИ-25. По своим свойствам палладий уступает платине, но имеет меньшую стоимость и его сплавы широко применяются.

Золото и серебро отличаются невысокой прочностью и твердостью. Основным достоинством этих материалов являются их высокая электрическая проводимость и теплопроводность, что обеспечивает минимальный разогрев контактной зоны. Оксиды серебра электропроводны, однако в атмосфере сероводорода и влаги на контактах образуются непроводящие пленки сульфида серебра. Золото применяется для изготовления прецизионных контактов, работающих при малом сдавливающем усилии и низком напряжении. Распространены контактные сплавы золота с серебром, никелем и платиной. Достоинствами вольфрамовых и молибденовых контактов являются стойкость к появлению дуговых разрядов, электрической эрозии и свариванию. Для работы в вакууме и среде инертных газов применяются контакты из сплава W-Mo.

Сильноточные коммутирующие контакты изготовляются чаще всего из металлокерамических композиций, получаемых методом порошковой металлургии. Композиционный материал представляет собой смесь ингредиентов, один из которых обладает значительно большей тугоплавкостью, чем другие. Поэтому при переходе одного из ингредиентов в жидкое состояние он удерживается силами поверхностного натяжения в порах тугоплавкой матрицы. В условиях высоких токовых и механических нагрузок, когда материал контактов из чистых металлов расплавляется, композиционные материалы незаменимы. Контакты из композиций на основе серебра Ag-CdO наиболее широко используются в низковольтных аппаратах. Они надежны в работе при повышенных токовых нагрузках, обладают повышенной износостойкостью.

Композиция Ag-Ni также используются при изготовлении контактов для низковольтных аппаратов. Контакты из композиций серебро-графит стойки к свариванию и механическому износу. Композиции серебро-никель-графит применяются в контактах низковольтных аппаратов со значительными токовыми нагрузками и перегрузками. Надежность контактов повышается, если матрицу композиции выполнять с мелкодисперсной структурой. Для контактов, отключающих токи 30 - 100 кА, используются композиции медьграфит, медь-вольфрам. Чистая медь из-за склонности к атмосферной коррозии с образованием оксидных и сульфидных пленок непригодна для слаботочных контактов, однако применяется в сильноточных аппаратах.

В электродвигателях и генераторах коллектор и токосъемные кольца изготовляют из меди и ее сплавов, хромоникелевую нержавеющую сталь (Х18Н9Т) или серый чугун (СЧ18-36).

Типичным сплавом для изготовления эталонных резисторов является манганин, состоящий из Сu (85 %), Мn (12 %) и Ni (3 %). Этот сплав выпускается двух марок: МНМцЗ-12 и МНМцАЖЗЗ-12-0,3-0,3. Свое название манганин получил от латинского слова manganum (марганец). Вследствие присутствия в сплаве марганца зависимость электрического сопротивления манганина от температуры имеет максимум вблизи комнатных температур и его удельное сопротивление в диапазоне температур от -100 до 100 °С меняется очень мало.

При изготовлении реостатов и электронагревательных элементов, работающих при температурах, не превышающих 450 °С, используется сплав, содержащий около 60 % меди и 40 % никеля. В рабочем диапазоне температур он отличается чрезвычайно высокой стабильностью удельного сопротивления, с чем и связано его название - константан. Характерной особенностью этого сплава является высокая термоэлектродвижущая сила в контакте с медью.

Для изготовления контактных пружин находит применение нейзильбер. Это медно-никелевый сплав, отличающийся большим содержанием свинца, придающего нейзильберу (после холодной деформации) достаточно высокую упругость.

                      Контрольные вопросы:

1.                 Проводниковые материалы, область применения, виды

2.                 Материалы высокой проводимости и высокого

сопротивления

3.                 Контактные материалы

4. Полупроводниковые материалы.

4.1. Основные параметры.

Строение и свойства полупроводниковых материалов

Интенсивно расширяется круг полупроводниковых материалов, различающихся не только природой химических связей, химическим и фазовым состояниями, но и структурным состоянием. Если раньше это были монокристаллические полупроводниковые материалы, то позднее наряду с монокристаллами различной степени совершенства стали применяться поликристаллические материалы, а затем и аморфные. Вызванный вначале чисто экономическими соображениями (низкой стоимостью) интерес к аморфным полупроводникам все усиливается благодаря ряду их других достоинств.

 Большинство важнейших полупроводников имеют кристаллическую структуру типа алмаза или цинковой обманки, которые относятся к тетраэдрическим фазам, где каждый атом окружен четырьмя эквидистантными ближайшими соседями, расположенными в вершинах соответствующего тетраэдра. Связь между двумя ближайшими соседями обусловлена парой электронов с противоположными спинами. Решетки алмаза и цинковой обманки можно представить как две гранецентрированные кубические решетки, сдвинутые одна относительно другой на четверть объемной диагонали элементарной ячейки. В алмазоподобных полупроводниках (таких, как кремний) в узлах той и другой подрешетки находятся ядра кремния. В решетках типа цинковой обманки (например, в арсениде галлия) одну подрешетку составляют ядра галлия, а другую мышьяка. Арсенид галлия является соединением типа A^IIIB^V, поскольку образован элементами III и V групп периодической системы Менделеева. Многие полупроводники кристаллизуются в решетке типа вюрцита либо каменной соли.

Зонная структура полупроводников, т. е. связь энергии с волновым числом, обычно определяется из уравнения Шредингера в одноэлектронном приближении. Одной из наиболее важных теорем, на которой основана зонная теория, является теорема Блоха. Из теоремы Блоха следует, что энергия W является периодичной в пространстве обратной решетки.

Таким образом, для однозначного определения энергии достаточно использовать значения волнового вектора в элементарной ячейке пространства обратной решетки. Такая ячейка называется зоной Бриллюэна.

 Основные элементарные ячейки прямых решеток и кристаллическая структура ряда элементарных полупроводников и полупроводниковых соединений (а – постоянная решетки)

Рис.6 Элементарные ячейки решеток полупроводниковых соединений:

а - ячейка решетки вюрцита CdS, ZnS и т.д.); б - ячейка решетки каменной соли (PbS, PbТе и т.д.)

Форма и размеры зон Бриллюэна определяются симметрией кристалла и его межатомными расстояниями (рис. 7).

Рис.7  Зоны Бриллюэна для решетки алмаза. Показаны главные точки и линии симметрии

В спектрах каждого из полупроводников имеется зона запрещенных энергий, в которой не существует электронных состояний. Эти состояния образуют разрешенные зоны с энергиями выше и ниже этой энергетической щели. Верхнюю разрешенную энергетическую область называют зоной проводимости, а нижнюю - валентной. Расстояние между дном области проводимости и потолком валентной называют шириной запрещенной зоны.

Рис.8 Форма и расположение изоэнергетических поверхностей в Ge, Si и GaAs

К элементарным полупроводникам относятся вещества, расположенные в IV - VII подгруппах таблицы Менделеева - углерод (алмаз), кремний, германий, олово. Валентные оболочки свободных атомов этих элементов состоят из (ns)²(nр)² электронов. Связи sр³ - гибридные тетраэдрические с углом 109°28'.

Кремний является вторым по распространенности элементом земной коры - его содержание в ней по массе составляет 27,6 %. Из-за своей химической активности в свободном состоянии не встречается. Содержание германия в земной коре составляет 7 10^-4 %. При этом он является рассеянным в природе элементом и в виде рудных месторождений почти не встречается. В настоящее время одним из основных источников получения германия является каменный уголь, из которого германий извлекают как отход при сгорании.

Олово обладает полиморфным превращением. Низкотемпературная полупроводниковая модификация (-Sn) со структурой алмаза при нагреве переходит в высокотемпературную металлическую модификацию (-Sn) со структурой тетрагональной решетки.

Кремний и германий являются самыми распространенными материалами полупроводниковой электроники и микроэлектроники. Из этих веществ, особенно кремния, изготовляют различные электронные полупроводниковые приборы: диоды, транзисторы, тиристоры, фотоприемники, солнечные батареи, а также интегральные схемы - основу микроэлектронных и микропроцессорных устройств. Однако отсутствие прямых оптических переходов в кремнии и германии исключает возможность изготовления на их основе светодиодов и оптических квантовых генераторов.

Элементы V подгруппы - фосфор, мышьяк, сурьма и висмут. У этих элементов реализуются химические связи за счет образования р³-орбит, которые приводят к структурам с координационным числом Z_k = 3, относящимся к ромбоэдрической сингонии.

Эл е ме н т ы V подгруппы находят широкое применение в полупроводниковой электронике, с одной стороны, в качестве донорных примесей в кремнии и германии, а с другой - как основные компоненты полупроводниковых соединений A^IIIB^V и ряда других.

Элементы VI подгруппы - сера, селен, теллур. Химические связи этих элементов реализуются за счет образования р²-орбит, Z_k = 2. Кристаллы этих элементов состоят из спиральных цепочек или колец, в которых каждый атом имеет ковалентные связи с атомами той же цепочки. Между собой цепочки связаны силами Ван-дер-Ваальса. Связи в этих кристаллах гораздо слабее, чем в кристаллах элементов IV и V подгрупп. Элементы VI подгруппы входят в качестве основных компонентов в многочисленные полупроводниковые соединения A^IIB^VI, A^V2 B3^VI и др. Кроме того, они используются в качестве донорных примесей в соединениях A^IIIB^V.

Элементом VII подгруппы, относящимся к полупроводникам, является йод. В твердом состоянии он обладает полупроводниковыми свойствами, в нем реализуются р-связи. Йод находит применение в качестве легирующей донорной примеси в полупроводниковых соединениях, а также входит в качестве компонента в состав соединений A^IB^VII.

Наибольшее распространение получила классификация полупроводниковых соединений, основанная на объединении в один класс материалов, имеющих одинаковую стехиометрическую формулу и образованных из элементов, расположенных в одних группах периодической системы элементов.

Химические связи в полупроводниковых соединениях смешанные, с преобладанием ковалентной составляющей

Химические связи и структуры кристаллической и обратной решеток определяют строение валентной зоны и зоны проводимости соединений типа

AIIIBV.

Полупроводниковые соединения используют для создания приборов и устройств различного назначения. Широкий спектр применения полупроводниковых соединений обусловлен удачным сочетанием комплекса физико-химических и электрофизических свойств данных материалов.

Концентрация носителей заряда в полупроводниках обычно на 5 - 7 порядков меньше, чем в металлах, и примерно на столько же больше, чем в диэлектриках. Следовательно, именно ее значение определяет принадлежность материала к классу полупроводников. Собственная концентрация n_i является фундаментальным параметром и рассчитывается исходя из эффективных масс электронов и дырок, ширины запрещенной зоны и температуры.

Собственная концентрация тем ниже, чем больше ширина запрещенной зоны. Измерение концентрации носителей заряда чаще всего выполняется по схеме Холла.

Сущность метода Холла состоит в том, что если поместить однородный прямоугольный образец полупроводника в магнитное поле, то на его боковых гранях А и В возникает поперечная разность потенциалов, называемая ЭДС Холла (рис. 9) и вычисляемая по формулам, из которых определяется коэффициент Холла, где U_a – U_b – ЭДС Холла, В; I – ток через образец, А; В – магнитная индукция, Тл или Гаусс; d – толщина пластинки в направлении магнитного поля, мм.

U_a U_b  R  I  B d

U_a U_b   I  B d

R  (U_a U_b) d I  B

 Рис.9 Поперечное поле, обусловленное эффектом Холла

Метод Холла позволяет определить тип проводимости полупроводника, концентрацию и подвижность носителей заряда.

Проводимость полупроводников, как и других материалов, зависит от концентрации свободных носителей заряда (электронов и дырок) при данной температуре и их подвижности.

В настоящее время имеется много методов измерения удельного сопротивления полупроводника: двухзондовый, трехзондовый, четырехзондовый, бесконтактный и др. Наибольшее распространение получили двухзондовый и четырехзондовые методы..

При расчете и конструировании полупроводниковых приборов и интегральных схем используется параметр время жизни неосновных носителей заряда. Время жизни связано с диффузионной длиной образца.

Наиболее распространенный метод измерения времени жизни связан с изменением фотопроводимости кристалла во время прекращения действия света на полупроводник.

                             

   Аморфные полупроводники

Аморфные полупроводники - это вещества, обладающие в твердом аморфном состоянии свойствами полупроводников. Под аморфным телом принято понимать такое вещество, в котором отсутствует трехмерная периодичность в расположении атомов. Благодаря такому определению термины «неупорядоченный», «некристаллический», «аморфный», «стеклообразный» являются синонимами.

Материал считается аморфным, если на его электронограммах и рентгенограммах наблюдаются диффузные кольца, а не резкие брегговские кольца или отдельные пятна, характерные для поликристаллических или монокристаллических твердых тел.

Некристаллические материалы, получаемые охлаждением расплава, называются стеклами. Большинство стекол являются широкозонными полупроводниками, в которых ширина запрещенной зоны превосходит 1 эВ. Примерами могут служить селен Se, триселенид мышьяка As₂Se₃ и сходные с ними халькогенидные полупроводники и многокомпонентные системы, а также боросиликатные стекла.

Такие вещества, как теллур Те, германий Ge, кремний Si, бор В и антимонид индия InSb, которые нельзя получить обычной закалкой расплава, могут быть получены в аморфном состоянии путем напыления. Ширина запрещенной зоны в них обычно меньше, чем в стабильных стеклах.

Ковалентные аморфные полупроводники в дальнейшем делятся еще на два класса. К первому классу относятся материалы с тетраэдрической направленностью связей, такие как элементы Si , Ge и соединения А^IIIВ^V. Эти материалы могут быть приготовлены в аморфной фазе лишь вакуумным напылением тонких пленок. Второй класс состоит из халькогенидных стекол на основе элементов S, Se и Те, к которым могут добавляться другие элементы, такие как Si, Ge и As .

Практическое использование некристаллических полупроводников определяется особенностями их структуры, свойств, химической стойкостью и механической прочностью, а также технологичностью их обработки и возможностью получения материалов с заданными свойствами. Некоторые устройства регистрации оптических изображений удалось создать только благодаря использованию некристаллических полупроводников. К таким устройствам относятся, например, телевизионные трубки типа «видикон», электрофотографические приборы и регистрирующие среды типа «халькогенидный стеклообразный полупроводник (ХСП) - термопластик».

Полупроводниковые материалы, используемые для указанных целей, должны обладать одновременно высоким удельным темновым сопротивлением (_Т > 10¹¹ Ом·см) и высокой фоточувствительностью (изменять свое удельное сопротивление при освещении на несколько порядков). Указанные требования противоречивы и могут быть удовлетворены одновременно лишь при низких значениях подвижности носителей заряда, что характерно для аморфных полупроводников.

Некоторые виды применения некристаллических полупроводников

При создании элементов оптической и электрической памяти и приборов на основе аморфных полупроводников используются также такие их свойства, как фотостимулированное изменение оптического поглощения и коэффициента преломления, фотокристаллизация и высокая радиационная стойкость (например, термисторы на основе ХСП в управляющих схемах ядерных реакторов не претерпевают заметных изменений проводимости даже при дозах облучения 10²⁰ нейтрон/см²).

Синтез стеклообразных полупроводников проводится в вакуумированных ( 10^-3 – 10^-4 мм рт. ст.) кварцевых ампулах из элементарных материалов.

Аморфные кремний и германий получают путем их испарения и конденсации в глубоком вакууме или катодного распыления в аргоновой плазме. Аморфные слои в системах Si - С, Si - Ge и Ge - Sn можно получить теми же методами, что и для  и Si и Gе.

Разность между энергиями краев подвижности в зоне проводимости и валентной зоне называют «запрещенной зоной по подвижности» («щелью по подвижности»). Край зоны подвижности определяется как энергия, отделяющая состояния, являющиеся локализованными от состояний, являющихся нелокализованными. В стеклообразных полупроводниках примеси не оказывают такого влияния на проводимость, как это имеет место в кристаллах. Однако экспериментально показано, что некоторые примеси способны сильно изменять электрические свойства стеклообразных полупроводников.

Температурная зависимость фотопроводимости большинства аморфных полупроводников изменяется так, как  показано на рис. 10. В области высоких температур (режим I) фотопроводимость экспоненциально растет с 1/T, обнаруживая хорошо определенную энергию активации. Кроме того, имеется линейная зависимость от интенсивности возбуждающего света. При более низких температурах (режим II) фотопроводимость уменьшается с 1/Т и пропорциональна квадратному корню из интенсивности света. При еще более низких температурах (режим III) кривые фотопроводимости достигают насыщения. Максимум температурной зависимости обычно имеет место вблизи температуры, при которой «темнотой» ток превышает фототок.

Рис. 10 Температурная зависимость фототока в халькогенидных полупроводниках (штриховой линией показана зависимость для «темнового» тока)

4.2. Простые полупроводники

Германий. Один из наиболее хорошо изученных полупроводников. Упрощенная технологическая схема производства германия показана ниже

                германийсодержащая руда                    концентрированная HCl

тетрахлорид германия

г л у б о к а я       о ч и с т к а  ( э к с т р а к ц и я и ректификация)

                очищенный GeCl4                                  гидролиз водой

                дихлорид германия GeO2                      просушка

GeO2	восстановление в токе Н2 при 650оС

Ge	металлическое травление в смеси кислот

                 сплавление в слитки                              очистка зонной плавкой

выращивание монокристаллов

по Чохральскому

При зонной очистке вдоль горизонтально расположенного образца создается 4-5 узких расплавленных зон, перемещающихся вдоль слитка. Примеси оттесняются к концу слитка. Процесс повторяют много раз. Монокристаллы германия можно создавать диаметром до 300-500мм. Ге р м а н и й п р и м е н я е т с я д л я и з г о т о в л е н и я диодов различных типов, транзисторов, датчиков Холла, тензодатчиков, детекторов ядерных излучений и в ИК-оптике. Рабочий диапазон германиевых приборов от 60 до +70^оС.

Кремний полупроводниковой чистоты получается по следующей примерной технологической схеме:

превращение технического кремния в легколетучее

очистка соединения физическими и химическими методами

восстановление соединения

выделение чистого кремния

очистка кремния бестигельной зонной плавкой

выращивание монокристаллов

Метод бестигельной зонной плавки позволяет получать кристаллы кремния до 100 мм. Схема этого метода показана на рисунке. Кремнивые приборы благодаря большей, чем у германия ширине запрещенной зоны, могут работать при более высоких температурах, чем германиевые. Верхний предел рабочей температуры достигает у кремниевых приборов 180-200^оС.

К р е м н и й я в л я е т с я п о к а е д и н с т в е н н ы м м ат е р и а л о м д л я изготовления БИС и микропроцессоров. Кремний удается наращивать на монокристаллы или на инородные подложки при толщине слоя 5-10 мкм. Этот процесс производится при температуре, меньшей температуры плавления и называется эпитаксией, при наращивании на инородных подложках, нпример, на сапфире - гетероэпитаксией. Такие структуры используются как основа ИС наиболее быстродействующих, энергоемких и радиационно стойких.

Селен - элемент группы таблицы Менделеева, обладающий рядом интересных электрических свойств. Применяется для изготовления выпрямителей переменного тока, фотоэлементов, а также в технологии красок, пластмасс, керамики, как легирующая добавка при производстве стали, в электрофотографии.

Теллур - элемент группы Менделееева с шириной запрещенной зоны 0.35 эВ. Применяется в виде сплавов с сурьмой и свинцом для изготовления термоэлектрических генераторов. Некоторые характеристики германия, кремния, селена приведены в таблице.

Подвижность дырок, м²/(В ^. с)              0.19                     0.05                     0.2 ^. 10²

Карбид кремния - бинарное соединение с большой шириной запрещенной зоны 2.8-3.1 эВ в зависимости от модификации. Карбид кремния одно из наиболее твердых веществ, полупроводниковые приборы из которого могут работать при высоких температурах вплоть до 700^оС. Карбид кремния устойчив против окисления до температуры свыше 1400^оС. При комнатной температуре он не взаимодействует ни с какими кислотами.

                  К а р б и д              к р е м н и я               п р и м е н я е т с я                д л я

изготовления варисторов (нелинейныхрезисторов), светодиодов, высокотемпе ратурных диодов,  транзисторов, тензорезисторов, счетчиков частиц высоких энергий, способных работать в химически агрессивных средах. В электротехнике карбид кремния применяется для изготовления вентильных разрядников, предназначенных для защиты от перенапряжений аппаратуры и линий передачи высокого напряжения. Карбид кремния применяется для изготовления силитовых стержней для электрических печей на максимальную температуру до 1500^оС. Силитовые стержни изготовляются на основе карбида кремния, кристаллического кремния и углерода.

Бинарные соединения - с о е д и н е н и я А₃В₅ классифицируют по металлоидному элементу. Различают нитриды, фосфиды и антимониды. Особое место среди них занимает арсенид галлия, отличающийся большой шириной запрещенной зоны (1.4 эВ) и высокой подвижностью электронов (0.85 м²/(в ^. с)). Он используется для изготовления приборов, работающих при высоких температурах и высоких частотах, для инжекционных лазеров, светодиодов, т у н н е л ь н ы х д и о д о в, диодов Ганна, транзисторов, солнечных батарей и других приборов. Широко применяются антимонид индия, фосфид галлия, антимонид галлия.

Соединения А₂В₆, к к о т о р ы м о т н о с я т с я халькогениды цинка, кадмия, ртути, сульфиды, селениды, теллуриды применяются д л я изготовления фоторезисторов, высоковольтных датчиков Холла, в инфракрасной технике, для создания промышленных люминофоров и другие.

Полупроводниковые свойства проявляют 12 химических элементов, находящихся в средней части Периодической системы Д. И. Менделеева. К ним относятся: элементы IVА подгруппы — углерод (алмаз), кремний, германий, олово; элементы VА подгруппы — фосфор, мышьяк, сурьма и висмут; элементы VIА подгруппы — сера, селен, теллур; элементы VIIА подгруппы — иод. Все они являются p-элементами, в атомах которых постепенно заполняются электронами p-орбитали. В простых веществах с валентными s- и p-электронами выполняется правило Юм-Розери (правило октета), согласно которому координационное число К = (8 - N) , где N — номер группы в Периодической системе. В полупроводниках группы IVА координационное число равно четырем (тетраэдр). У полупроводниковых модификаций простых веществ группы VА — фосфор, мышьяк, сурьма — координационное число равно трем, что способствует формированию слоистых структур. S, Se, Te (группа VIА) в полупроводниковом состоянии имеют координационное число 2 и образуют линейные и цепочечные структуры, связанные в трехмерную решетку силами Ван-дер-Ваальса. У полупроводниковой модификации йода (группа VIIА) координационное число равно единице. Из 12 элементарных полупроводниковых элементов приборное применение имеют только три — кремний, германий и селен.

Элементы VII А подгруппы

Из элементов этой группы к полупроводникам относится только йод. В твердом состоянии он обладает полупроводниковыми свойствами, в нем реализуются р-связи.

Элементы VI А подгруппы

Полупроводниковыми свойствами обладают сера, селен и теллур. Кристаллы этих элементов состоят из спиральных цепочек или колец, в которых каждый атом имеет две ковалентные связи с атомами той же цепочки.

Между собой цепочки связаны силами Ван-дер-Ваа льс а.

Ширина запрещенной зоны убывает с увеличением порядкового номера и составляет у серы — 2,4 эВ, у селена 1,7 эВ, у теллура 0,35 эВ. Элементы этой подгруппы входят в качестве основных компонентов в полупроводниковые соединения, а также используются в качестве донорных примесей в соединениях A^IIIB^V.

В качестве полупроводникового материала в микроэлектронике из элементов VIА подгруппы используется гексагональная модификация селена. Это полупроводник p-типа проводимости, полупроводниковые свойства которого проявляются и используются и в поликристаллических структурах. Ширина запрещенной зоны 1,8 эВ. Монокристаллы гексагонального селена получают выращиванием из расплава или осаждением из газовой фазы. Испарением Se в вакууме на подложку можно получать пленки толщиной 50100 мкм, которые применяют для производства полупроводниковых приборов. Гексагональный селен используется для изготовления полупроводниковых выпрямителей фотоэлементов, солнечных батарей.

Для селена характерен внутренний фотоэффект: под действием света растет число дырок и увеличивается собственная электропроводность. На этом свойстве основано действие селеновых фотоэлементов и многих других приборов. Влияние света на электрические свойства селена двояко. Первое — это уменьшение его сопротивления на свету. Второе, не менее важное — фотогальванический эффект, т. е. непосредственное преобразование энергии света в электроэнергию в селеновом приборе. Для осуществления фотогальванического эффекта необходимо, чтобы энергия фотонов была больше некоей пороговой, минимальной для данного фотоэлемента, величины. Простейший прибор, в котором используется именно этот эффект, — экспонометр. Более сложные устройства — солнечные батареи, работающие на Земле и в космосе.

Элементы VА подгруппы

У полупроводниковых элементов VА подгруппы — фосфора, сурьмы, мышьяка и висмута — химические связи реализуются за счет образования р³орбит, они имеют структуры с координационным числом =3, относящимся к ромбоэдрической сингонии. Такие кристаллы можно представить состоящими из двухслойных пластин. Каждый атом имеет в соседнем слое той же пластины трех ближайших соседей, с которыми он связан ковалентными связями. Соседние пластины связаны между собой слабыми силами Ван-дерВаальса. Элементы этой подгруппы входят в качестве основных компонентов в полупроводниковые соединения, а также используются в качестве донорных примесей в соединениях A^IIIB^V.

Элементы IVА подгруппы

К полупроводниковым элементам IVА подгруппы относятся основные полупроводниковые материалы германий и кремний, а также углерод (алмаз) и полиморфная -модификация олова. Эти элементы имеют кристаллическую решетку типа алмаза. Связи между атомами sp3-гибридные, тетраэдрические.

Недостатком германия и кремния как полупроводниковых материалов, являются малая ширина запрещенной зоны, поэтому рабочая температура германиевых приборов не превышает 60-80 ^оC. Германий относится к числу редких и очень рассеянных химических элементов. Кремний не имеет указанных недостатков, а по распространенности занимает второе место после кислорода. Ширина запрещенной зоны кремния значительно больше, чем у германия, поэтому кремниевые приборы могут функционировать при более высокой температуре (200-220 ^оC), однако подвижности носителей тока у кремния меньше, чем у германия. Поэтому частотный предел кремниевых полупроводниковых приборов ниже германиевых. Технологически кремний труднее получить в чистом состоянии, чем германий. Поэтому один из самых распространенных элементов в виде простого вещества нужной чистоты становится дороже редкого и рассеянного германия.

Германий полупроводниковый. Кристаллизуется в решетке типа алмаза. Связь между атомами в решетке германия — ковалентная. Число атомов Ge в единице объема — 4,45^.10²²атом/см³. Ширина запрещенной зоны небольшая и равна 0,72эВ. Германий прозрачен в ИК-области спектра, начиная с длины волны 1,8 мкм.

Одно из преимуществ технологии германия — относительно невысокая температура плавления (936 ^оС) и ничтожно малое давление насыщенного пара при этой температуре, что существенно упрощает процесс кристаллизационной очистки и выращивания монокристаллов. Для некоторых приборов (например, для счетчиков ядерных излучений) требуются монокристаллы германия с пониженным содержанием кислорода.

Для получения необходимых электрофизических свойств германий легируют различными примесями. В качестве доноров и акцепторов в германии используют соответственно элементы V и III групп Периодической системы. Эти примеси создают мелкие уровни в запрещенной зоне с энергией ионизации порядка 0,01 эВ. Большинство примесей других групп проявляют свойства многозарядовых центров (создают несколько уровней в запрещенной зоне). Мелкие доноры и акцепторы при температуре выше 90 К полностью ионизованы, поэтому в нормальных условиях концентрация носителей заряда в германии определяется концентрацией примеси. В слаболегированном германии в достаточно широком диапазоне температур наблюдается положительный температурный коэффициент удельного сопротивления. Температура, при которой начинает проявляться собственная электропроводность, зависит от концентрации легирующей примеси.

Германий — один из первых полупроводниковых материалов, который широко использовался для изготовления большого количества приборов. На его основе можно изготавливать выпрямительные плоскостные диоды, низкои высокочастотные, мощные и маломощные транзисторы, лавинно-пролетные и туннельные диоды, варикапы, точечные высокочастотные импульсные и СВЧ-диоды. В импульсных диодах для достижения высокой скорости переключения требуется материал с малым временем жизни неравновесных носителей заряда. Этому требованию удовлетворяет германий, легированный золотом. Благодаря относительно высокой подвижности носителей заряда германий применяют для изготовления датчиков Холла и других магниточувствительных приборов.

В последние годы основное применение германий находит в производстве оптических приборов. Оптические свойства германия позволяют использовать его для изготовления фототранзисторов и фотодиодов, оптических линз и фильтров инфракрасной техники, модуляторов света и коротковолнового радиоизлучения. Он не имеет конкуренции в счетчиках ядерных частиц. Недостаточно высокое значение ширины запрещенной зоны позволяет изготовленным из германия приборам работать при относительно невысоких температурах (до 60-70 ^оС). Это явилось основной причиной вытеснения его из многих приборов более широкозонным кремнием и арсенидом галлия.

Кремний полупроводниковый, монокристаллический — основной материал для твердотельной электроники. Ежегодно в мире производится около 9000 тонн высокосовершенных бездислокационных монокристаллов кремния. Кремний находит широкое применение в микроэлектронике, силовой электронике, солнечной энергетике, кремниевой оптоэлектронике.

Кремний, как и германий, кристаллизуется в решетке типа алмаза. Связь между атомами в решетке германия — ковалентная. Число атомов Si в единице объема — 5,0^.10²²атом/см³. Ширина запрещенной зоны равна 1,12 эВ.

4.3. Устройство полупроводниковых приборов

Полупроводник без примесей называют собственным полупроводником или полупроводником і- типа. Он обладает собственной электропроводностью, которая, как было показано, складывается из электронной и дырочной электропроводности.

Если в полупроводнике имеются примеси других веществ, то дополнительно к собственной электропроводности появляется еще примесная электропроводность, которая в зависимости от рода примеси может быть электронной или дырочной.

Для получения полупроводника с электронной электропроводностью в чистый полупроводник – германий или кремний – вводят небольшое количество элемента пятой группы периодической системы элементов: сурьмы (Sb), мышьяка (As), фосфора (P). Их атомы взаимодействуют с атомами германия только четырьмя своими электронами (рис. 2) образуя прочные парноэлектронные связи с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон, например атома мышьяка, в образовании парноэлектронной связи не участвует. Поэтому он оказывается слабо связанным со своим атомом и может быть легко оторван от него. В результате он превращается в свободный электрон, который может свободно перемещаться в объеме полупроводника, создавая электронную проводимость. Атом мышьяка, потерявший один электрон, превращается в положительный ион, который оказывается неподвижным, так как он прочно удерживается в узле кристаллической решетки парноэлектронными связями.

Подвижные носители зарядов, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называются основными носителями зарядов.

Элементы, атомы которых отдают свои электроны, создавая в полупроводнике избыток свободных электронов, называются донорами. Обычно донорами для германия являются мышьяк и сурьма, а для кремния – фосфор и сурьма. В полупроводнике с донорными примесями электроны являются основными носителями зарядов, а дырки – не основными.

Проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике избыточных свободных электронов, называется электронной проводимостью.

Полупроводник, в котором основными носителями зарядов являются электроны, называется электронным полупроводником или полупроводником n- типа.

Для получения полупроводника с дырочной электропроводностью в кристалл чистого германия вводят примеси трехвалентных элементов: индий (In) и галлий (Ga) для германия; бор (В) и алюминий (Al) для кремния. При этом три валентных электрона, например индия, образуют три парноэлектронные связи с соседними атомами германия. В результате теплового движения электрон одного из соседних атомов германия может перейти в незаполненную связь атома индия. В атоме германия появится одна незаполненная связь – дырка (рис. 3). Захваченный атомом индия, четвертый электрон образует парноэлектронную связь и прочно удерживается атомом индия. Атом индия становится при этом неподвижным отрицательным ионом.

Примеси, атомы которых захватывают и прочно удерживают электроны атомов полупроводника, называются акцепторными или акцепторами.

Проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике избытка подвижных дырок, т. е. превышением их концентрации над концентрацией электронов, называется дырочной проводимостью или проводимостью ртипа.

Основными носителями зарядов в полупроводнике с акцепторной примесью являются дырки, а не основными – электроны.

Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются дырки, называются дырочными полупроводниками или полупроводниками ртипа.

                              Рисунок 2

Рисунок1  

Электрический ток в полупроводнике может быть вызван двумя причинами:

-       действием внешнего электрического поля;

-       неравномерным распределением концентрации носителей зарядов пообъему полупроводника.

Направленное движение подвижных носителей зарядов под воздействием электрического поля называют дрейфом (дрейфовое движение), а под воздействием разности концентраций носителей зарядов – диффузией (диффузионное движение). Неравномерность концентрации зарядов в какойлибо части полупроводника может возникнуть под действием света, тепла электрического поля и др.

В зависимости от характера движения носителей зарядов различают соответственно дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках.

Электронно-дырочный переход (p - n - переход)

Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным переходом или p-nпереходом.

Пусть внешнее напряжение на переходе отсутствует. Так как носители зарядов в каждом полупроводнике совершают беспорядочное тепловое движение, то происходит их диффузия из одного полупроводника в другой. Из полупроводника n- типа в полупроводник р- типа диффундируют электроны, а в обратном направлении из полупроводника р- типа в полупроводник n- типа диффундируют дырки (рис.3). В результате диффузии носителей зарядов по обе стороны границы раздела двух полупроводников с различным типом электропроводности создаются объемные заряды различных знаков. В области n возникает положительный объемный заряд, который образован положительно заряженными атомами донорной примеси. Подобно этому в области р возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси.

        электроны       ионы       дырки                                                            Е_К

                 Рис. 3                                                   

Между образовавшимися объемными зарядами возникают так называемая контактная разность потенциалов: u_K = φ_n – φ_p и электрическое поле, направленное от n- области к p- области.

Как видно, в p-n- переходе возникает потенциальный барьер, который препятствует диффузии основных носителей зарядов.

Высота потенциального барьера равна контактной разнице потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. Высота потенциального барьера возрастает при увеличении концентрации примесей в соответствующих областях, при этом толщина p-n- перехода d уменьшается. Для германия, например, при средней концентрации примесей u_K = 0,3 – 0,4 В и d = 10^-4 – 10^-5 см, а при больших концентрациях – u_К ≈ 0,7 В и d = 10^-6 см. С увеличением температуры высота потенциального барьера уменьшается.

Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов. Такое перемещение не основных носителей зарядов называется дрейфовым.

При отсутствии внешнего электрического поля через p-n- переход протекают два тока: ток диффузии и ток дрейфа. Ток диффузии и ток дрейфа ч е р е з p-n- переход протекают навстречу друг другу и взаимно компенсируются. Суммарный ток через p-n- переход равен нулю.

При образовании контактной разности потенциалов по обе стороны границы раздела полупроводников образуется слой с пониженной концентрацией основных носителей зарядов. Он обладает повышенным сопротивлением и называется запирающим слоем. Толщина его несколько микрон.

Внешнее напряжение U, приложенное плюсом к p- области p-nперехода, а минусом к n- области, называется прямым напряжением U_пр. Если к p-n- переходу приложено внешнее прямое напряжение U_пр, то создаваемое им внешнее электрическое поле E_пр оказывается направленным навстречу электрическому полю p-n- перехода –E_к. В результате этого высота потенциального барьера понижается на величину внешнего напряжения. Одновременно уменьшается толщина запирающего слоя (d_{п р} < d) и его сопротивление в прямом направлении становится малым. Так как высота потенциального барьера понижается, возрастает диффузионный ток, так как большее число носителей зарядов может преодолеть пониженный барьер. Ток дрейфа при этом почти не изменяется, так как он зависит главным образом от числа не основных носителей, попадающих за счет своих тепловых скоростей на p-n- переход из p- и n- областей.

Рис.4

При прямом напряжении I_диф > I_др и поэтому полный ток через переход

т.е. прямой ток, уже не равен нулю:

I_пр = I_диф − I_др > 0.

Ток, протекающий через p-n- переход под действием приложенного к нему прямого внешнего напряжения, называется прямым током. Протекающий через p-n- переход прямой ток направлен из p- области в nобласть.

Введение носителей зарядов через p-n- переход при действии прямого внешнего напряжения в область полупроводника, где эти носители являются не основными, называется инжекцией.

 Внешнее напряжение, приложенное “плюсом“ источника питания к nобласти p-n- перехода, а “минусом“ к p- области называется обратным.

Рис.5

Под действием обратного напряжения U_обр через переход протекает очень небольшой обратный ток I_обр, что объясняется следующим образом. Поле, создаваемое обратным напряжением E_обр, складывается с полем контактной разности потенциалов E_к. В результате этого потенциальный барьер повышается, а толщина самого запирающего слоя увеличивается (d_обр > d). Этот слой еще сильнее обедняется носителями, и его сопротивление значительно возрастает, т. е. R_обр >> R_пр.

Внешнее поле оттягивает основные носители зарядов от p-n- перехода. Перемещение свободных носителей зарядов через p-n-переход уменьшается, и при обратном напряжении, равном U_обр = 0,2В, ток диффузии через переход прекращается, т.е. I_диф = 0, так как собственные скорости носителей недостаточны для преодоления потенциального барьера. Однако не основные носители будут перемещаться через p-n- переход, создавая ток, протекающий из n-области в p- область (обратный ток I_обр). Он является дрейфовым током (током проводимости) не основных носителей через p-n- переход. Значительное электрическое поле, создаваемое обратным напряжением, перебрасывает через p-n- переход любой не основной носитель заряда, появившийся в этом поле.

Выведение не основных носителей через p-n- переход электрическим полем, созданным обратным напряжением, называют экстракцией носителей зарядов.

Таким образом, p-n- переход пропускает ток в одном направлении – прямом, и не пропускает ток в другом направлении – обратном, что определяет вентильные свойства p-n- перехода.

Вольтамперной характеристикой (ВАХ) p-n- перехода называется зависимость тока, протекающего через p-n- переход от приложенного внешнего напряжения I = f(U) (рис.6).

Рис. 6 – Вольтамперная характеристика p-n- перехода: 1 – прямая ветвь; 2 – обратная ветвь при лавинном пробое; 3 – обратная ветвь при тепловом пробое

Прямую 1 и обратную 2 ветви ВАХ изображают в различном масштабе, поскольку в нормальном режиме работы p-n- перехода обратный ток на несколько порядков меньше прямого.

При достижении обратным напряжением некоторой критической величины U_проб происходит резкое уменьшение сопротивления p-n- перехода. Это явление называется пробоем p-n- перехода, а соответствующее ему напряжение – напряжением пробоя. Различают электрический и тепловой пробой. Электрический пробой (участок АБВ характеристики) является обратимым, т. е. при этом пробое в переходе не происходит необратимых изменений (разрушения структуры вещества). Могут существовать два вида электрического пробоя: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для p-n- переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки или сотни вольт.

Явление ударной ионизации состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны, которые, в свою очередь, разгоняются полем и также выбивают из атомов электроны.

Такой процесс усиливается с повышением напряжения.

Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта.

Сущность последнего состоит в том, что при поле напряженностью более 10⁵В/см, действующем в p-n- переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей. Напряжение, соответствующее туннельному пробою, обычно не превышает единиц вольт.

Области теплового пробоя соответствует на рис. 6 участок ВГ. Тепловой пробой необратим, т.к. он сопровождается разрушением структуры вещества в месте p-n- перехода. Причиной теплового пробоя является нарушение устойчивости теплового режима p-n- перехода. Это означает, что количество теплоты, выделяющейся в переходе от нагрева его обратным током, превышает количества теплоты, отводимой от перехода. В результате температура перехода возрастает, сопротивление его уменьшается и ток увеличивается, что приводит к перегреву перехода и его тепловому разрушению.

Рис. 7  Вольтамперная характеристика p-n-перехода: 1 – при 20°С; 2 – при 50°С.

На электропроводность полупроводников значительное влияние оказывает температура. При повышении температуры усиливается генерация пар носителей зарядов, т. е. увеличивается концентрация носителей и проводимость растет. При повышении температуры прямой и обратный ток растут. Для p-n- переходов на основе германия обратный ток возрастает примерно в 2 раза при повышении температуры на каждые 10°C; на основе кремния – при нагреве на каждые 10°C обратный ток увеличивается примерно в 2,5 раза. Прямой ток при нагреве p-n- перехода растет не так сильно, как обратный. Это объясняется тем, что прямой ток возникает главным образом за счет примесной проводимости, а концентрация примесей не зависит от температуры.

Полупроводниковые приборы

Полупроводниковые диоды

Диод - полупроводниковый прибор, пропускающий электрический ток только одного направления и имеющий два вывода для включения в электрическую цепь. Электрод диода, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом.

На рисунке изображён внешний вид некоторых полупроводниковых диодов: а- маломощный германиевый диод Д226Б, б- маломощный кремниевый диод Д-302, в- мощный кремниевый диод с воздушным охлаждением ВКД-200 и г- мощный кремниевый диод с водяным охлаждением ВКДВ-350.

Ламповые диоды. Ламповые диоды представляют собой радиолампу с двумя рабочими электродами, один из которых подогревается нитью накала. Благодаря этому, часть электронов покидает поверхность разогретого электрода (катода) и под действием электрического поля движется к другому электроду — аноду. Если же поле направлено в противоположную сторону, электрическое поле препятствует этим электронам и тока (практически) нет.

Специальные типы диодов:

•             Стабилитроны (диод Зенера). Используют обратную ветвь характеристики диода с обратимым пробоем для стабилизации напряжения.

•             Туннельные диоды (диоды Лео Эсаки). Диоды, существенно использующие квантовомеханические эффекты. Имеют область т. н.

«отрицательного сопротивления» на вольт-амперной характеристике. Применяются как усилители, генераторы.

•             Варикапы. Используется то, что запертый p-n-переход обладает большой ёмкостью, причём ёмкость зависит от выставленного обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов переменной ёмкости.

•             Светодиоды (диоды Генри Раунда). В отличие от обычных диодов, при рекомбинации электронов и дырок в переходе излучают свет в видимом диапазоне, а не в инфракрасном. Однако, выпускаются светодиоды и с излучением в ИК диапазоне, а с недавних пор - и в УФ.

•             Полупроводниковые лазеры. По устройству близки к светодиодам, однако имеют лазерный резонатор, излучают когерентный свет.

•             Фотодиоды. Запертый фотодиод открывается под действием света.

•             Солнечный элемент Подобен фотодиоду, но работает без смещения. Падающий на p-n-переход свет вызывает движение электронов и генерацию тока.

•             Диоды Ганна. Используются для генерации и преобразования частоты в СВЧ диапазоне.

•             Диод Шоттки. Диод с малым падением напряжения при прямом включении.

•             Лавинно-пролётный диод. Диод, работающий за счёт лавинного пробоя.

•             Магнитодиод. Диод, вольт-амперная характеристика которого существенно зависит от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода.

•             Стабисторы. При работе используется участок ветви вольтамперной характеристики, соответствующий «прямому напряжению» на диоде.

•             Смесительный диод — предназначен для перемножения 2-ух высокочастотных сигналов.

•             pin диод — содержит область собственной проводимости между сильнолегированными областями. Используется в СВЧ-технике, силовой электронике, как фотодетектор.

Применение диодов

Диодные выпрямители

Трёхфазный выпрямитель Ларионова А. Н. на трёх полумостах

Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диодный выпрямитель или диодный мост (то есть 4 диода для однофазной схемы (6 для трёхфазной полумостовой схемы или 12 для трёхфазной полномостовой схемы), соединённых между собой по схеме) — основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств. Диодный трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова А. Н. на трёх параллельных полумостах применяется в автомобильных генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток бортовой сети автомобиля. Применение генератора переменного тока в сочетании с диодным выпрямителем вместо генератора постоянного тока с щёточно-коллекторным узлом позволило значительно уменьшить размеры автомобильного генератора и повысить его надёжность. В некоторых выпрямительных устройствах до сих пор применяются селеновые выпрямители. Это вызвано той особенностью данных выпрямителей, что при превышении предельно допустимого тока, происходит выгорание селена (участками), не приводящее (до определенной степени) ни к потере выпрямительных свойств, ни к короткому замыканию пробою. В высоковольтных выпрямителях применяются селеновые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых селеновых выпрямителей и кремниевые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых кремниевых диодов.

Диодные детекторы. Диоды в сочет ании с конденсаторами применяются для выделения низкочастотной модуляции из амплитудномодулированного радиосигнала или других модулированных сигналов. Диодные детекторы применяются почти во всех радиоприёмных устройствах: радиоприёмниках, телевизорах и т. п. Используется квадратичный участок вольтамперной характеристики диода.

Диодная защита. Диоды применяются также для защиты разных устройств от неправильной полярности включения и т. п. Известна схема диодной защиты схем постоянного тока с индуктивностями от скачков при выключении питания. Диод включается параллельно катушке так, что в «рабочем» состоянии диод закрыт. В таком случае, если резко выключить сборку, возникнет ток через диод и сила тока будет уменьшаться медленно (ЭДС индукции будет равна падению напряжения на диоде), и не возникнет мощного скачка напряжения, приводящего к искрящим контактам и выгорающим полупроводникам.

Диодные переключатели. Применяются для коммутации

высокочастотных сигналов. Управление осуществляется постоянным током, разделение ВЧ и управляющего сигнала с помощью конденсаторов и индуктивностей.

Диодная искрозащита. Этим не исчерпывается применение диодов в электронике, однако другие схемы, как правило, весьма узкоспециальны. Совершенно другую область применимости имеют специальные диоды, поэтому они будут рассмотрены в отдельных статьях.

Полупроводниковые транзисторы

Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов. В полупроводниковом триоде две pобласти кристалла разделяются узкой n-областью. Такой триод условно обозначают p-n-p. Можно делать и n-p-n триод, т.е. разделять две n-области кристалла узкой p-областью. Транзисторы подразделяются на биполярные и полевые. Каждый из этих типов имеет свой принцип работы и конструктивное исполнение, однако, общим для них является наличие полупроводниковых p-n структур.

Контрольные вопросы:

1.                 Полупроводниковые материалы, виды, область применения

2.                 Основные параметры полупроводниковых материалов

3.                 Простые полупроводники

 5. Магнитные материалы

Магнитные материалы имеют в технике широкое применение. В основном они и фа ют роль концентраторов, проводников и источников магнитного потока. Магнитные материалы являются основой для производства современных генераторов и двигателей, трансформаторов, различных типов аппаратов и приборов автоматики, вычислительной и измерительной техники, электромагнитов и дросселей, постоянных магнитов и т.д.

В общем случае все магнитные материалы принято делить на две большие группы: магнитомягкие, используемые в основном как проводники магнитного потока; магнитотвердые, используемые как источники магнитного поля

5.1. Магнитомягкие материалы.

МАГНИТОМЯ́ ГКИЕ МАТЕРИА́ ЛЫ, магнитные материалы с малой коэрцитивной силой (Н_с 8 0 0 А / м ) и в ы с о к о й магнитной проницаемостью. При температурах ниже точки Кюри магнитомягкие материалы спонтанно намагничены и состоят из хаотически ориентированных намагниченных до насыщения доменов.

Промышленные магнитомягкие материалы имеют значение H_c порядка 0,4 А/м. Поэтому они намагничиваются до индукции технического насыщения при невысоких напряженностях поля. Намагничивание происходит в основном за счет смещения доменных границ. Для таких материалов необходимо максимально облегчить движение доменных стенок при перемагничивании, уменьшить влияние магнитной анизотропии и магнитострикции. Низкие значения энергии магнитной анизотропии, а у ряда ферритов и низкие значения констант магнитострикции приводят к тому, что намагничивание материала, включающее процессы смещения границ доменов и вращение их вектора намагниченности, не требует значительных полей и энергий. Чтобы облегчить процесс намагничивания, необходимо уменьшить количество дефектов в сплаве (примесей внедрения, дислокаций и др.), мешающих свободному движению доменных стенок.

В случае использования магнитомягких материалов в переменных магнитных полях желательно иметь большое значение электросопротивления магнетика. Диапазон рабочих частот для различных магнитомягких материалов определяется в значительной степени величиной их удельного сопротивления. Чем больше удельное сопротивление материала, тем при более высоких частотах его можно применять.

Магнитомягкие материалы по области применения делят на: - материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей - магнитомягкие высокочастотные материалы.

К магнитомягким материалам специального назначения относятся магнитострикционные материалы, с помощью которых электромагнитная энергия преобразуется в механическую энергию и термомагнитные сплавы, служащие для компенсации температурных изменений магнитных потоков в магнитных системах приборов.

Магнитомягкие материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей.

Помимо высокой магнитной проницаемости и малой коэрцитивной силы эти магнитомягкие материалы должны обладать большой индукцией насыщения, т.е. пропускать максимальный магнитный поток через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. В магнитном материале, используемом в переменных полях, должны быть возможно меньшие потери на перемагничивание, которые складываются в основном из потерь на гистерезис и на вихревые токи.

Для уменьшения потерь на вихревые токи для трансформаторов выбирают магнитомягкие материалы с повышенным удельным сопротивлением или собирают магнитопроводы из отдельных изолированных друг от друга тонких листов. В этом случае магнитные потери будут зависеть от толщины листа (ленты). К листовым и ленточным материалам предъявляется требование высокой пластичности. Магнитные свойства материалов зависят также от частоты магнитного поля. Важным требованием к магнитомягким материалам является обеспечение стабильности их свойств во времени, и по отношению к внешним воздействиям, таким, как температура и механические напряжения. Из всех магнитных характеристик наибольшим изменениям в процессе эксплуатации материала подвержены магнитная проницаемость и коэрцитивная сила.

К низкочастотным магнитомягким материалам относятся железо (армкожелезо), электротехнические стали, в том числе кремнистая электротехническая сталь, низкокоэрцитивные сплавы, такие как пермаллой и альсифер.

Магнитомягкие высокочастотные материалы

Высокочастотные магнитомягкие материалы должны выполнять функции магнетиков при частотах свыше нескольких сотен или тысяч герц. По частотному диапазону их можно подразделить на материалы для звуковых, ультразвуковых и низких радиочастот, для высоких радиочастот и для СВЧ.

По физической природе и строению высокочастотные магнитомягкие материалы подразделяют на магнитодиэлектрики и ферриты. При звуковых, ультразвуковых и низких радиочастотах можно использовать тонколистовые рулонные холоднокатаные электротехнические стали и пермаллои.

Широко применяются в технике слабых токов смешанные ферриты (например, соединение из цинкового и никелевого ферритов), а также феррогранаты. Для них характерно исключительно высокое электрическое сопротивление и практическое отсутствие скин-эффекта.

Феррогранаты применяются при очень высоких частотах (если невелики диэлектрические потери).

Свойствами магнитомягких материалов обладают также некоторые аморфные магнетики и аморфные металлы.

В электро- и радиотехнике магнитомягкие материалы применяют для изготовления датчиков магнитного поля, считывающих головок для чтения магнитной записи, сердечников трансформаторов, дросселей, магнитопроводов, полюсных наконечников, телефонных мембран, магнитных экранов и т.д. В микроэлектронике их используют как элементы интегральных схем.

5.2. Магнитотвёрдые материалы

Магнитотвёрдые материа́лы (магнитожёсткие материалы), намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сравнительно сильных магнитных полях напряжённостью в тысячи и десятки тысяч А/м. Характеризуются высокими значениями коэрцитивной силы, остаточной магнитной индукции, магнитной энергии на участке размагничивания («спинка» петли гистерезиса). В качестве магнитотвердые материалы используются, например, сплавы типа магнико, ални, викаллой, некоторые ферриты, соединения редкоземельных элементов с кобальтом. Из магнитотвердых материалов изготовляют постоянные магниты.

Качество магнитотвердых материалов характеризуют также значения остаточной магнитной индукции B_r, максимальной магнитной энергии, отдаваемой материалом в пространство W_m и коэффициента выпуклости. Материалы также должны иметь высокую временную и температурную стабильность перечисленных параметров и удовлетворительные прочность и пластичность. В различных магнитотвердых материалах природа высоких значений коэрцитивной силы определяется одним из трех механизмов задержки процессов перемагничивания  в ферромагнетиках: необратимым вращением намагниченности магнитных доменов, задержкой образования и (или) роста зародышей перемагничивания и закреплением доменных стенок на различных неоднородностях и структурных несовершенствах кристалла. Для получения высокой коэрцитивной силы в магнитных материалах кроме выбора химического состава используют технологии, оптимизирующие кристаллическую структуру и затрудняющие процесс перемагничивания. Это закалка сталей на мартенсит, дисперсионное твердение сплавов, создание высоких внутренних механических напряжений и др. В результате затрудняются процессы смещения доменных границ. У высококоэрцитивных сплавов магнитная текстура создается путем их охлаждения в сильном магнитном поле.

Предотвратить процесс перемагничивания за счет движения доменных стенок можно, например, создав структуру, в которой мелкие однодоменные частицы ферромагнитного вещества окружены прослойками парамагнитного вещества. В таком случае перемагничивание может быть осуществлено за счет вращения вектора домена, что осуществимо только в сравнительно больших полях. Такая структура, состоящая из однодоменных частиц, образуется либо при мелком размоле ферромагнетика, с последующими смешиванием его с парамагнитным связующим веществом и спеканием, или же при использовании разделения однородного твердого раствора на две фазы (парамагнитную и ферромагнитную). Для затруднения вращения вектора домена используют вещества с очень сильной магнитной анизотропией (некоторые типы ферритов) или обеспечивают вытянутую форму доменов (в сплавах). Все параметры увеличиваются при одинаковой ориентации осей легкого намагничивания (или в ряде случаев длинных осей доменов) вдоль одного направления. Магнитотвердые материалы намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сравнительно сильных магнитных полях.

Применяют магнитотвердые материалы для производства постоянных магнитов. Они являются источниками постоянных магнитных полей, используемых в различной аппаратуре в электро- и радиотехнике, автоматике, приборостроении, электронике, в устройствах электромагнитной записи, фокусирующих устройствах для телевизоров, микрофонах,

электроизмерительных приборах, микроэлектронике, СВЧ-приборах и т.д. Их используют в электрических машинах малой мощности, для записи и хранения цифровой, звуковой и видеоинформации и др. Преимущества постоянных магнитов по сравнению с электромагнитами постоянного тока — повышенная работоспособность; экономия материалов и потребления энергии; экономическая и техническая выгода применения. Важнейшее требование к постоянному магниту — получение максимальной магнитной энергии в рабочем зазоре, поэтому удельная магнитная энергия Wm (энергия, отнесенная к единице объема магнита) — одна из важнейших характеристик магнитотвердых материалов. Она пропорциональна произведению:

W_m = (B^.H)_max/2,

Где B и H — максимальные значения остаточной индукции внутри магнита и размагничивающей напряженности, соответственно. Иногда магнитотвердые вещества характеризую произведением (B^.H)_max, к о т о р о е н а з ы в а е т с я э н е р г е т и ч е с к и м п р о и з в е д е н и е м .

Максимальная удельная магнитная энергия W_m изменяется в широком диапазоне для различных материалов и составляет 1кДж/м³ для хромистых сталей, закаленных на мартенсит, и 80 кДж/м³ для сплавов кобальта р е д к о з е м е л ь н ы м и э л е м е н т а м и .

Коэффициент выпуклости характеризует форму кривой размагничивания и равен (B^.H)_max/(B_rH_c)

С усилением прямоугольности петли гистерезиса коэффициент в ы п у к л о с т и с п р и б л и ж а е т с я к е д и н и ц е .

Чем больше остаточная индукция, коэрцитивная сила и коэффициент выпуклости, тем больше максимальная энергия магнита. Магнитотвердые материалы намагничиваются с трудом, но зато длительное время сохраняют сообщенную энергию. Намагничивание происходит в основном за счет в р а щ е н и я в е к т о р а н а м а г н и ч е н н о с т и .

По составу и способу получения магнитотвердые материалы подразделяются на легированные стали, закаленные на мартенсит, литые высококоэрцитивные сплавы, порошковые магнитотвердые материалы, магнитотвердые ферриты, пластически деформируемые сплавы, сплавы для магнитных носителей информации.

Легированные стали, закаленные на мартенсит

По составу это высокоуглеродистые стали, легированные W, Mo, Cr или Co. Эти стали сравнительно дешевы и допускают обработку на металлорежущих станках. Но применение мартенситных сталей вследствие низких магнитных свойств ограничено. Высокая коэрцитивная сила у этих материалов достигается в результате максимального деформирования кристаллической решетки.

Литые высококоэрцитивные сплавы

К этой группе относятся сплавы систем Fe—Ni—Al (ални) и Fe—Ni— Co—Al, модифицированные различными добавками. Литые высококоэрцитивные сплавы являются основными промышленными материалами для изготовления постоянных магнитов. Они являются активными элементами многих приборов и характеризуются благоприятным соотношением между магнитными свойствами и стоимостью производства. Их магнитные характеристики: H_c 30—110 кА/м, W_m 3—30 кДж/м³. Магнитная текстура высококоэрцитивных сплавов создается путем их охлаждения в сильном магнитном поле. При этом достигается упорядоченное расположение пластинчатых выделений сильномагнитной фазы, которые своими осями легкого намагничивания ориентируются в направлении поля. Такое магнитное текстурирование эффективно лишь для сплавов с высоким содержанием кобальта. Текстурированный материал магнитно анизотропен, наилучшие свойства у него обнаруживаются в том направлении, в котором при охлаждении на него действовало магнитное поле. Кристаллическую текстуру создают методом направленной кристаллизации сплава, залитого в форму, используя особые условия теплоотвода. Сплавы, полученные направленной кристаллизацией, имеют специфическую столбчатую структуру. Сочетание кристаллической и магнитной текстур позволяет улучшать все параметры м а г н и т о т в е р д о г о м а т е р и а л а .

Бескобальтовые сплавы наиболее дешевые. Сплавы, содержащие кобальт, применяются в тех случаях, когда требуются повышенные магнитные свойства и нужен изотропный магнитный материал. Сплавы с 24% кобальта (магнико), обладающие высокими магнитными свойствами в направлении магнитной текстуры, используют при направленном магнитном потоке. Сплавы с направленной кристаллизацией обладают наибольшим запасом м а г н и т н о й      э н е р г и и .

Порошковые магнитотвердые материалы

Получают путем прессования порошков с последующей термообработкой. В зависимости от особенностей производства и природы высококоэрцитивного состояния материалы этой группы подразделяются на металлокерамические магниты и металлопласты, в том числе металлопластические магниты. Сложность получения особенно мелких и зд е л и й с о с т р о го в ы д е р ж а н н ы м и р а з м е р а м и и з л и т ы х

железоникельалюминиевых сплавов обусловила использование методов порошковой металлургии для производства постоянных магнитов. Эти магниты дешевы, обладают высокой коэрцитивной силой, но малой остаточной индукцией. К недостаткам также относятся плохие механические свойства и невысокая термостабильность. Высококоэрцитивное состояние обусловлено трудностью зародышеобразования или вращения намагниченности в мелких частицах феррита, обладающих высокой кристаллической анизотропией. В результате ряда технологических операций частицы оказываются изолированными друг от друга и перемагничиваются в з н а ч и т е л ь н о й с т е п е н и и н д и в и д у а л ь н о .

Магнитотвердые ферриты

Магнитотвердые ферриты (оксидные магниты) — это ферримагнетики с большой кристаллографической анизотропией. Применяются главным образом феррит бария BaO^.6Fe2O3, феррит кобальта CoO^.6Fe2O3 и феррит стронция SrO^.6Fe2O3. Ферриты бария и стронция имеют гексагональную кристаллическую решетку с одноосной анизотропией. Высокая коэрцитивная сила у этих материалов обусловлена малым размером кристаллических зерен и сильной магнитной кристаллографической анизотропией. Технология их получения аналогична технологии приготовления керамики. Для получения мелкокристаллической структуры осуществляют тонкий помол, а спекание проводят при относительно невысоких температурах, чтобы исключить процесс рекристаллизации. Для придания анизотропии магнитных свойств материал текстурируют. Текстура создается путем формования массы в сильном магнитном поле.

В зависимости от технологии изготовления магниты на основе феррита бария могут быть изотропными и анизотропными. Ферриты кобальта имеют кубическую структуру и получают их по той же технологии, что и ферриты бария. Основное отличие заключается в термомагнитной обработке спеченных магнитов.

Магнитные свойства магнитотвердых ферритов: Hc — 120—240 кА/м, Wm — 3—18 кДж/м³. Магниты из ферритов можно использовать при высоких частотах, что связано с высоким удельным сопротивлением. У бариевых ферритов, например, ρ=10⁴-10⁷ Ом.м. Недостатки магнитотвердых ферритов — низкая механическая прочность большая хрупкость и твердость, сильная з а в и с и м о с т ь м а г н и т н ы х с в о й с т в о т т е м п е р а т у р ы .

Пластически деформируемые сплавы

К пластически деформируемым сплавам относятся сплавы систем:

F e — С о — M o — ( 7 2 % F e , 1 2 % С о , 1 6 % M o — ком ол ) ;

F e — С о — V — ( 3 7 % F e , 5 2 % С о , 11 % V — в и ка л л о и ) ;

F e — N i — C u — ( 2 0 % F e , 2 0 % N i , 6 0 % C u — ку н и ф е ) ; C o — N i — C u — ( 4 5 % C o , 2 5 % N i , 3 0 % C u — ку н и ко ) .

Эти сплавы более пластичны и значительно легче поддаются механической обработке. Благодаря мелкодисперсной структуре, магнитные свойства этих сталей лучше, чем у легированных мартенситных сталей. Дисперсионнотвердеющие сплавы типа Fe — Со — Mo (комолы) приобретают высококоэрцитивное состояние (магнитную твердость) в результате отпуска после закалки, при котором происходит распад твердого раствора и выделяется фаза, богатая молибденом. Сплавы типа Fe — Со — V (викаллои) для придания им свойств магнитотвердых материалов подвергают холодной пластической деформации с большим обжатием и последующему отпуску. Высококоэрцитивное состояние сплавов типа Pt — Со возникает за счет появления упорядоченной тетрагональной фазы. К этой группе материалов относятся сплавы систем Fe — Ni — Cu и Co — Ni — Cu. Магнитные свойства этих сплавов высокие: Hc (12—55) кА/м, Wm (3—19)кДж/м³. Магнитотвердые ферриты применяются для работы в условиях рассеянных

магнитных полей и в СВЧ-диапазоне. Основной недостаток этих сплавов — в ы с о к а я       с т о и м о с т ь .

Сплавы на основе редкоземельных элементов

Редкоземельные элементы (РЗЭ) образуют большое число бинарных соединений с металлами переходной группы, обладающих высокими магнитными свойствами. Наибольший интерес представляют соединения RCo5 и R2Co17, где R — редкоземельный металл (самарий, празеодим, церий); кобальт может быть частично замещен медью или железом. Эти соединения имеют гексагональную структуру и им присуща сильная магнитная анизотропия и высокая температура Кюри. Наиболее высокая намагниченность насыщения наблюдается у соединений кобальта с элементами первой половины ряда лантаноидов, что обусловлено ферримагнитным упорядочением спинов атомов РЗЭ и атомов кобальта в этих соединениях. При температуре ниже некоторого критического значения соединения RСо5 метастабильны и распадаются на две фазы. Нарушение фазовой однородности является одной из причин проявления высокой коэрцитивной силы в материале. У материалов на основе РЗЭ Hc = (560—800) кА/м, Wm = (56—80) кДж/м³.

Магниты из этих сплавов получают наиболее часто жидкофазным спеканием из порошков. Например, магниты на основе SmCo5 спекаются после прессования при температуре 1100 ^оС в течение 30 мин в атмосфере чистого аргона. Магниты из этих соединений должны быть защищены от окисления покрытиями из металла или оксидных пленок. Основные их недостатки — высокая хрупкость и высокая стоимость.

С п л а в ы д л я м а г н и т н ы х н о с и т е л е й и н ф о р м а ц и и

Материалы этой группы должны иметь высокие значения остаточной магнитной индукции Br и коэффициента выпуклости в, а также высокую остаточную индукцию для повышения уровня считываемого сигнала. Для записи и воспроизведения информации используют тонкие металлические ленты и проволоку из специальной нержавеющей стали и викаллоя. В качестве магнитного носителя информации используют магнитотвердые порошковые покрытия, нанесенные на различные основания. Намагниченность магнетика после «отключения» поля будет зависеть от величины этого поля. Именно этот эффект используется для магнитной записи информации. Для этого различные участки ферромагнетика в виде тонкого магнитного слоя, нанесенного на диамагнитный диск или ленту, намагничивают полем, создаваемым миниатюрным источником магнитного поля — записывающей головкой. В результате такой записи различные участки ферромагнетика будут иметь различную остаточную намагниченность, несущую в себе информацию о поле, создаваемом записывающей головкой. Записанная информация может долго храниться. С помощью различных устройств, называемых считывающими головками, записанная информация может быть считана и превращена в записанный ранее электрический сигнал. В настоящее время достигнута очень высокая п л о т н о с т ь з а п и с и — с в ы ш е 1 0 0 м е г а б и т н а с м².

В качестве магнитного порошка используют оксиды железа, магнитотвердые ферриты, сплавы типа ални. Магнитные свойства лент, дисков и других устройств существенно зависят от размера частиц порошка, их ориентации и объемной плотности в рабочем слое. Качество поверхности влияет на ее частотные показатели.

Контрольные вопросы:

1.                 Магнитные материалы, классификация, область применения

2.                 Магнитомягкие материалы

3.                 магнитотвердые материалы

Тесты

1.   Основы материаловедения

1.               Для кристаллического состояния вещества характерны:

а) высокая электропроводность;

б) анизотропия свойств;

в) высокая пластичность;

г) коррозионная устойчивость.

2.               Твердое тело, представляющее собой совокупность неориентированных  относительно друг друга зерен-кристаллитов, представляет собой:

а) текстуру;

б) поликристалл;

в) монокристалл;

г) композицию.

3.               Кристалл формируется путем правильного повторения микрочастиц (атомов, ионов, молекул) только по одной координате:

а) верно;

б) верно только для монокристаллов;

в) неверно;

г) верно только для поликристаллов.

4.               Для аморфных материалов характерно:

а) наличие фиксированной точки плавления;

б) наличие температурного интервала плавления;

в) отсутствие способности к расплавлению.

5.               Вещество, состоящее из атомов одного химического элемента, называется:

а) химически чистым;

б) химически простым;

в) химическим соединением.

6.               Вещество, состоящее из однородных атомов или молекул, и содержащее некоторое количество другого вещества, не превышающее заданного значения, называется:

а) химически чистым;

б) химически простым;

в) химическим соединением.

7.               Укажите виды точечных статических дефектов кристаллической структуры:

а) дислокации;

б) вакансии;

в) фононы;

г) междоузлия.

8.               Укажите основные характеристики структуры материала:

а) концентрация носителей заряда;

б) степень упорядоченности расположения микрочастиц;

в) наличие и концентрация дефектов;

г) электропроводность.

9.               Способность некоторых твердых веществ образовывать несколько типов кристаллических структур, устойчивых при различных температурах и давлениях, называется:

а) полиморфизмом;

б) поляризацией;

в) анизотопией;

г) изотропией.

10.           Укажите тип химической связи, который обеспечивает максимальную концентрацию носителей заряда без приложения внешних энергетических воздействий:

а) ионная;

б) ковалентная;

в) металлическая;

г) водородная.

2.   Свойства материалов

1.               Способностью сопротивляться внедрению в поверхностный слой другого более твердого тела обладают:

а) хрупкие материалы;

б) твердые материалы;

в) пластичные материалы;

г) упругие материалы.

2.               Свойства материалов, характеризующие их поведение при обработке, называются:

а) эксплуатационными;

б) технологическими;

в) потребительскими;

г) механическими.

3.               К теплофизическим свойствам материалов ЭС относятся:

а) теплопроводность;

б) электропроводность;

в) тепловое расширение;

г) светопропускание.

4.               Проявлением какого вида свойств материалов является стойкость к термоударам:

а) механических;

б) химических;

в) теплофизических;

г) химических.

5.               К электрическим параметрам материалов ЭС относятся:

а) концентрация носителей заряда;

б) теплопроводность;

в) подвижность носителей заряда;

г) электропроводность.

6.               Деформируемость является одним из:

а) эксплуатационных свойств;

б) технологических свойств;

в) потребительских свойств.

7.               Потребительскими называют свойства материалов:

а) определяющие их пригодность для создания изделий  заданного качества;

б) характеризующие их поведение при обработке;

в) характеризующие их применимость в данной эксплуатационной области.

8.               Укажите стадии реакции хрупких материалов на нагружение:

а) упругая деформация;

б) пластическая деформация;

в) разрушение.

9.Нагревостойкость – это:

а) способность хрупких материалов выдерживать без разрушения резкие смены температуры;

б) способность материалов сохранять без изменения химический состав и структуру молекул при повышении температуры;

в) способность материалов отводить тепло, выделяющееся при работе электронного компонента.

10. Магнитные свойства материалов обусловлены:

а) вращением электронов вокруг собственной оси;

б) взаимным притяжением ядра атома и электронов;

в) орбитальным вращением электронов.

3.   Устойчивость материалов к воздействию внешней рабочей среды

1.               Для повышения устойчивости материалов к воздействию окружающей среды могут использоваться следующие покрытия:

а) резистивные;

б) магнитодиэлектрические;

в) полимерные;

г) лакокрасочные.

2.               Самопроизвольное разрушение твердых материалов, вызванное химическими или электрохимическими процессами, развивающимися на их поверхности при взаимодействии с внешней средой, называется:

а) коррозией;

б) диффузией;

в) эрозией;

г) адгезией.

3.               Наибольшей коррозионной устойчивостью обладают следующие металлы:

а) медь;

б) хром;

в) никель;

г) железо.

4.               Химические свойства материалов определяются:

а) элементарным химическим составом;

б) типом химической связи;

в) концентрацией носителей заряда.

 

5.               Какое из утверждений является верным:

а) скорость коррозии повышается при повышении температуры окружающей среды;

б) скорость коррозии повышается при понижении температуры окружающей среды;

в) скорость коррозии не зависит от температуры окружающей среды.

4.   Принципы классификации материалов ЭС

1.               Какие группы материалов выделяют в соответствии со степенью упорядоченности микрочастиц:

а) кристаллические;

б) аморфные;

в) конструкционные;

г) твердые растворы.

2.               Основная классификация материалов ЭС базируется на следующих свойствах:

а) механические;

б) оптические;

в) электрические;

г) химические.

3.               Указать параметр материала, в соответствии со значением которого, материал может быть отнесен к группе электротехнических:

а) твердость;

б) пластичность;

в) электропроводность;

г) светопоглощение.

4.               Для каких видов материалов возможно наличие доменной структуры: а) проводниковые;

б) полупроводниковые;

в) диэлектрические;

г) магнитные.

5.               В соответствии со значением коэрцитивной силы материалы ЭС классифицируют на:

а) активные и пассивные диэлектрики;

б) высокопроводные и резистивные  материалы;

в) магнитомягкие и магнитотвердые материалы;

г) аморфные и кристаллические полупроводники.

6.               В соответствии с зависимостью диэлектрической проницаемости от напряженности внешнего поля диэлектрические материалы классифицируют на:

а) полярные и неполярные материалы;

б) линейные и нелинейные материалы;

в) термопластичные и термореактивные материалы.

7.               Классификация конструкционных материалов электронных средств осуществляется по:

а) теплопроводности;

б) электропроводности;

в) химическому составу;

г) светоотражению.

 

8.               Значение удельного объемного сопротивления лежит в основе классификации:

а) сильномагнитных материалов;

б) слабомагнитных материалов;

в) не используется при классификации материалов.

9.               Основным параметром при классификации материалов по коррозионной устойчивости является:

а) количество оставшегося после коррозии материала;

б) толщина разрушающегося за год слоя;

в) толщина необходимого антикоррозионного покрытия;

г) химический состав.

10.           Классификация дефектов кристаллических структур осуществляется по:

а) времени существования дефектов;

б) размерности дефектов;

в) вероятности возникновения;

г) дефекты не классифицируются.

5. Проводниковые материалы

1.                 К основным параметрам проводниковых материалов относятся:

а) контактная разность потенциалов, предел прочности, твердость;

б) сила тока, напряжение, сопротивление, термо-ЭДС;

в) пластичность, магнитная проницаемость, свариваемость;

г) удельная электропроводность, температурный коэффициент удельного сопротивления, предел прочности при растяжении.

2.                 Удельное сопротивление проводниковых материалов определяется следующими факторами:

а) геометрические размеры образца;

б) внутренние кристаллические напряжения;

в) освещенность;

г) химический состав.

3.                 Какая из групп проводниковых материалов является композиционной: а) припои;

б) проводящие модификации углерода;

в) керметы;

г) материалы высокой проводимости.

4.                 Для чего используются сплавы тугоплавких и благородных металлов:

а) для изготовления шин питания;

б) для изготовления электровакуумных приборов;

в) для изготовления магнитопроводов;

г) для изготовления обмоточных проводов.

5.                 Удельное поверхностное сопротивление пленочного проводника представляет собой:

а) удельное объемное сопротивление, умноженное на толщину пленки;

б) удельное объемное сопротивление, деленное на толщину пленки;

в) равно удельному объемному сопротивлению;

г) не зависит от удельного объемного сопротивления.

6.                 Какие материалы относятся к группе материалов высокой проводимости:

а) тантал и рений;

б) медь и алюминий;

в) графит и пиролитический углерод;

г) цинк и хром.

7.                 Какие вещества относят к проводникам второго рода:

а) металлические расплавы;

б) электролиты;

в) твердые металлы;

г) естественножидкие металлы.

8.                 Какое из утверждений является верным:

а) в качестве проводниковых материалов могут использоваться только чистые металлы;

б) в качестве проводниковых материалов могут использоваться только металлические сплавы;

в) в качестве проводниковых материалов могут использоваться композиционные материалы.

9.                 Какое из утверждений является верным:

а) при введении примесей удельное сопротивление сплава падает;

б) при введении примесей удельное сопротивление сплава возрастает;

в) удельное сопротивление сплава не зависит от его состава.

10.             Контактное сопротивление тем ниже:

а) чем больше разность между энергией Ферми сопрягаемых проводников;

б) чем меньше разность между энергией Ферми сопрягаемых проводников;

в) контактное сопротивление не зависит от энергии Ферми сопрягаемых проводников.

11.             Термоэлектродвижущая сила чистых металлов существенно меньше,чем термоэлектродвижущая сила сплавов:

а) верно;

б) неверно;

в) верно в отдельных случаях.

12.             Какое из утверждений является верным:

а) в естественных условиях любой газ является проводником электрического тока;

б) газ никогда не может стать проводником электрического тока;

в) при превышении предела ионизации газ становится равновесной проводящей средой.

13.             Какое значение удельного объемного сопротивления характерно для проводниковых материалов ЭС:

а) ρ<10-5 Ом·м;

б) ρ<10-10 Ом·м;

в) ρ>10-5 Ом·м;

г) ρ=0.

14.             Возрастание внутренних кристаллических напряжений в проводниковом материале:

а) приводит к уменьшению удельного объемного сопротивления;

б) приводит к увеличению удельного объемного сопротивления;

в) не влияет на удельное объемное сопротивление.

15.             Какие из утверждений являются верными:

а) различие удельного сопротивления пленочного и крупногабаритного

образцов, изготовленных из одного проводникового материала, связаны с различиями способов их получения;

б) различие удельного сопротивления пленочного и крупногабаритного

образцов, изготовленных из одного проводникового материала,  обусловлено размерным эффектом;

в) пленочный и крупногабаритный образцы, изготовленные из одного

проводникового материала, обладают равным удельным сопротивлением.

6. Сплавы высокого сопротивления, резистивные материалы

1.               Основу сплавов высокого сопротивления составляют следующие металлы:

а) медь и алюминий;

б) хром и никель;

в) олово и свинец;

г) золото и платина.

2.               Резистивные материалы на основе кремния (силициды) используют для изготовления:

а) пленочных сопротивлений;

б) проволочных сопротивлений;

в) нагревательных элементов;

г) термопар.

3.               Сплавы высокого сопротивления используются для изготовления:

а) технических сопротивлений;

б) прецизионных сопротивлений;

в) пленочных проводников;

г) пленочных сопротивлений.

4.               Температурный коэффициент удельного сопротивления резистивного материала, использующегося для изготовления прецизионного сопротивления:

а) должен быть минимальным;

б) должен быть максимальным;

в) не учитывается при выборе материала.

5.               Какое из утверждений является верным:

а) в качестве резистивных материалов могут использоваться только сплавы;

б) в качестве резистивных материалов не могут использоваться химически простые (элементарные) материалы;

в) наиболее технологичными резистивными материалами являются керметы. 7. Полупроводниковые материалы и их свойства

1.               К простым полупроводникам относятся:

а) PbS и GaP;

б) SiC и Te;

в) Ge и Si;

г) P и GaAs.

2.               Какое из утверждений является верным:

а) повышение температуры не влияет на электропроводность собственного полупроводника;

б) чем выше температура, тем ниже электропроводность собственного полупроводника;

в) чем выше температура, тем выше электропроводность собственного полупроводника.

3.               Цель легирования полупроводников:

а) регулирование электропроводности;

б) уменьшение ширины запрещенной зоны;

в) увеличение теплопроводности;

г) уменьшение твердости.

4.               Основными носителями заряда в полупроводниках n-типа являются: а) нейтроны;

б) электроны;

в) протоны;

г) дырки.

5.               Для полупроводниковых материалов характерно значение удельного сопротивления:

а) ρ<10-10 Ом·м;

б) ρ=10 -5¸ 10 8 Ом·м;

в) ρ>105 Ом·м;

г) ρ=10 -2¸ 10 4 Ом·м.

6.               Какое из утверждений является верным:

а) повышение температуры приводит к повышению подвижности носителей заряда примесного полупроводника;

б) повышение температуры приводит к уменьшению подвижности носителей заряда примесного полупроводника;

в) повышение температуры не влияет на подвижность носителей заряда примесного полупроводника.

7.               К люминисценции способны:

а) все полупроводники;

б) полупроводники с малой шириной запрещенной зоны;

в) полупроводники с большой шириной запрещенной зоны.

8.               Изменение удельного сопротивления полупроводника под действием электромагнитного излучения называется:

а) эффектом Холла;

б) эффектом Ганна;

в) фоторезистивным эффектом.

9.               Возникновение разности потенциалов на боковых гранях полупроводниковой пластины, через которую проходит электрический ток, при ее помещении в электромагнитное поле, называется:

а) эффектом Холла;

б) эффектом Ганна;

в) фоторезистивным эффектом.

10.           Возбуждение высокочастотных колебаний электрического тока при воздействии на полупроводник постоянного электрического поля высокой напряженности, называется:

а) эффектом Холла;

б) эффектом Ганна;

в) фоторезистивным эффектом.

 

11.           Основные полупроводниковые материалы электронных средств относятся к группе:

а) органических аморфных веществ;

б) неорганических аморфных веществ;

в) неорганических кристаллических веществ;

г) органических кристаллических веществ.

12.           Какие из перечисленных электронных приборов могут быть изготовлены на основе кремния:

а) инжекционные лазеры;

б) биполярные транзисторы;

в) тензодатчики;

г) импульсные и выпрямительные диоды.

13.           Какие из перечисленных полупроводников являются промышленными люминофорами:

а) кремний;

б) германий;

в) сульфид цинка;

г) сульфид кадмия.

14.           При облучении полупроводника носители заряда генерируют парами«электрон-дырка»:

а) верно;

б) неверно;

в) верно только для примесных полупроводников.

15.           Основными параметрами полупроводниковых материалов являются:

а) удельная объемная электропроводность, температурный коэффициент

л и н е й н о г о р а с ш и р е н и я , п р е д е л у п р у г о с т и ; б) ширина запрещенной зоны, концентрация собственных носителей заряда, подвижность носителей заряда при нормальной температуре; в) диэлектрическая проницаемость, удельное сопротивление, тангенс угла д и э л е к т р и ч е с к и х    п о т е р ь ;

г) магнитная проницаемость, коэрцитивная сила, удельное сопротивление.

8. Диэлектрические материалы и физические процессы в них

1.               Процесс, состоящий в ограниченном смещении или ориентации связанных зарядов в диэлектрике при воздействии на него электрического поля, называется:

а) деформацией;

б) кристаллизацией;

в) поляризацией;

г) пробоем.

2.               Основное различие между термопластичными и термореактивными полимерами состоит в:

а) характере поведения в цикле нагрев-охлаждение;

б) значении удельного сопротивления;

в) технологической себестоимости.

3.               Диэлектрическими параметрами материалов являются: а) e0 ;

б) tgd ;

в) m0 ;

г) e.

4.               Если температура окружающей среды превышает сегнетоэлектрическую точки Кюри данного диэлектрика, то в нем происходят следующие процессы:

а) исчезает пьезоэффект;

б) перестают существовать электрические домены;

в) резко падает теплопроводность;

г) материал разрушается.

5.               Стеклотекстолит это:

а) полимерный материал;

б) композиционный материал;

в) керамический материал;

г) пропиточный материал.

6.               Керамические материалы получают:

а) путем вытягивания из расплава;

б) путем свободного охлаждения расплава;

в) путем ускоренного охлаждения расплава;

г) путем формования и термообработки.

7.               Электропроводность твердых диэлектриков при постоянном напряжении определяется:

а) током сквозной проводимости;

б) током адсорбции;

в) током смещения;

г) электропроводность диэлектриков всегда равна нулю.

8.               Максимальное значение диэлектрической проницаемости характерно:

а) для газообразных диэлектриков;

б) для жидких диэлектриков;

в) для твердых диэлектриков;

г) не зависит от агрегатного состояния.

9.               Какие из факторов приводят к увеличению электропроводности диэлектриков:

а) наличие загрязнений;

б) понижение температуры;

в) повышение влажности;

г) длительная эксплуатация.

10.           Какое из утверждений является верным:

а) диэлектрические потери проявляются только при постоянном напряжении;

б) диэлектрические потери проявляются только при переменном напряжении;

в) диэлектрические потери проявляются и при постоянном, и при переменном напряжении.

11.           Диэлектрические объекты, изготовленные из одного материала, но различные по толщине, обладают различной диэлектрической прочностью: а) верно;

б) неверно;

в) верно только для отдельных материалов.

12.           Пьезоэлектриками называются диэлектрические материалы, обладающие способностью:

а) поляризоваться под действием механических нагружений;

б) изменять спонтанную поляризацию при изменении температуры окружающей среды;

в) создавать в окружающем пространстве постоянное электрическое поле.

13.           Какие из параметров диэлектрических материалов, использующихся для получения изоляции, должны быть максимальны:

а) удельное сопротивление;

б) диэлектрическая проницаемость;

в) термостабильность;

г) температурный коэффициент линейного расширения.

14.           Какая из групп активных диэлектриков обладают способностью создавать в окружающем пространстве постоянное электрическое поле:

а) сегнетоэлектрики;

б) пьезоэлектрики;

в) пироэлектрики;

г) электреты.

15.           Пироэлектриками называются диэлектрические материалы, обладающие способностью:

а) поляризоваться под действием механических нагружений;

б) изменять спонтанную поляризацию при изменении температуры окружающей среды;

в) создавать в окружающем пространстве постоянное электрическое поле.

9. Магнитные материалы

1.               Ферромагнетиками являются следующие металлы:

а) Al, Cu, Cr;

б) Au, Ag, Pt;

в) W, Mo, Re;

г) Fe, Ni, Co.

2.               Если атомные магнитные моменты вещества ориентированы относительно друг друга параллельно и сонаправленно с направлением внешнего поля, то оно является:

а) парамагнетиком;

б) диамагентиком;

в) ферромагнетиком;

г) ферримагнетиком.

3.               Магнитомягкие материалы используются для изготовления:

а) магнитопроводов;

б) постоянных магнитов;

в) конструкционных деталей;

г) радиаторов.

4.               Наилучшими частотными характеристиками из ферромагнитных  материалов обладают:

а) электротехнические стали;

б) пермаллои;

в) ферриты;

г) альсиферы.

5.               По предельной статической петле гистерезиса можно определить следующие параметры магнитного материала:

а) индукцию насыщения;

б) удельное сопротивление;

в) остаточную индукцию;

г) теплопроводность.

6.               Что происходит при намагничивании ферромагнетика:

а) смещаются границы доменов;

б) векторы намагниченности ориентируются в направлении внешнего поля;

в) изменяется удельное сопротивление.

7.               Магнитострикция – это процесс изменения магнитного состояния ферромагнетика, сопровождающийся изменением:

а) теплопроводности;

б) электропроводности;

в) линейных размеров;

г) прочности.

8.               Магнитный гистерезис обусловлен:

а) задержками в смещении доменных границ, вызываемыми искажениями кристаллической решетки;

б) возникновением асимметрии оптических свойств вещества под действием магнитного поля;

в) наличием областей спонтанной намагниченности.

9.               Какие из утверждений являются верными:

а) полный магнитный момент атома равен векторной сумме магнитных моментов электронной оболочки и ядра;

б) магнитный момент атома создается в основном спиновыми магнитными моментами протонов и нейтронов;

в) магнитный момент электронной оболочки равен векторной сумме спинового и орбитального магнитных моментов электронов.

10.           Относительная магнитная проницаемость представляет собой:

а) величину, показывающую, во сколько раз магнитная индукция в данной среде больше, чем в вакууме;

б) физическую константу 4π∙10-7 Гн/м;

в) отношение абсолютной магнитной проницаемости к магнитной постоянной.

11.           Магнитная точка Кюри – это значение температуры, при которой:

а) домены разрушаются и спонтанная намагниченность исчезает;

б) магнитная проницаемость имеет максимальное значение;

в) атомные магнитные моменты становятся равными нулю.

12.           Что называют коэрцитивной силой магнитного материала:

а) обратно направленную напряженность магнитного поля, которая необходима, чтобы уменьшить индукцию до нуля;

б) напряженность внешнего поля соответствующую обратимому смещению доменных границ;

в) напряженность магнитного поля, соответствующую максимальной магнитной энергии.

13.           Какие из утверждений являются верными:

а) ферриты обладают большим удельным сопротивлением;

б) ферриты обладают большим значением индукции насыщения;

в) ферриты обладают малыми потерями на вихревые токи;

г) ферриты могут использоваться для работы в СВЧ диапазоне.

 

14.           Магнитомягкие материалы характеризуются:

а) способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях;

б) малыми магнитными потерями;

в) большим значением коэрцитивной силы.

15.           Магнитотвердые материалы характеризуются:

а) большим значением удельной магнитной энергии;

б) высокой точкой Кюри;

в) большим значением коэрцитивной силы и остаточной индукции.

10. Конструкционные материалы

1.               Какие группы материалов могут использоваться в качестве конструкционных материалов ЭС:

а) гетинакс и текстолит;

б) сталь и алюминий;

в) хромель и копель;

г) фосфид индия и сульфид цинка.

2.               Какие механические свойства конструкционных материалов ЭС должны быть максимальны:

а) прочность;

б) жесткость;

в) хрупкость;

г) пластичность.

3.               Какая из групп конструкционных материалов ЭС может быть подвергнута термообработке с целью повышения прочности:

а) слоистые пластики;

б) металлические сплавы;

в) термореактивные полимеры;

г) волокнистые материалы.

4.               Какие группы свойств материалов ЭС нельзя изменить с помощью термообработки:

а) электрические;

б) теплофизические;

в) механические;

г) оптические.

5.               Какие из перечисленных групп конструкционных материалов являются композиционными:

а) слоистые пластики;

б) металлические сплавы;

в) термопластичные полимеры;

г) термореактивные полимеры.

11. Материалы с особыми свойствами

1.               Явление сверхпроводимости состоит в том, что у отдельных материалов при температуре ниже некоторой критической точки происходит обращение в нуль следующего параметра:

а) теплопроводности;

б) сопротивления;

в) светопропускания;

г) твердости.

2.               Особенностью сплавов «с памятью» является способность восстанавливать после пластической деформации (в цикле нагревдеформация-охлаждение-нагрев):

а) исходную форму;

б) исходное сопротивление;

в) исходную магнитную проницаемость;

г) исходный химический состав.

3.               Аморфные металлические сплавы (металлические стекла) могут быть получены при:

а) сверхвысокой скорости нагревания;

б) сверхвысокой механической нагрузке;

в) сверхвысокой скорости охлаждения;

г) в сверхсильных магнитных полях.

4.               В качестве активной среды твердотельных лазеров используются:

а) проводниковые материалы;

б) полупроводниковые материалы;

в) диэлектрические материалы;

г) магнитные материалы.

5.               Какие характеристики жидких кристаллов позволяют их использоватьв качестве индикаторных материалов:

а) высокая теплопроводность;

б) высокая электропроводность;

в) высокая текучесть;

г) анизотропия свойств.