1.2. Электропроводность диэлектриков
1.2.1. Электропроводность твердых диэлектриков
1.2.2. Электропроводность жидкостей
1.3.1. Релаксационные диэлектрические
1.3.2. Диэлектрические потери, обусловленные сквозной проводимостью
1.3.3. Ионизационные диэлектрические потери
1.3.4. Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры
1.3.5. Диэлектрические потери в газах
1.4.1. Общая характеристика пробоя
1.5. Химические свойства диэлектриков
1.6. Классификация диэлектрических материалов
2.1. Общие сведения о проводниках
2.2. Электропроводность металлов
2.3.1. Удельная проводимость и удельное сопротивление проводников
2.3.2. Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов
2.3.3. Изменение удельного сопротивления металлов при плавлении
2.3.4. Изменение удельного сопротивления металлов при деформациях
2.3.5. Удельное сопротивление сплавов
2.3.6. Теплопроводность металлов
2.4. Материалы высокой проводимости
2.5. Сверхпроводники и криопроводники
2.6. Сплавы высокого сопротивления
3. Полупроводниковые материалы
3.2. Собственные (чистые) полупроводники
3.4. Электропроводность полупроводников
3.5. Воздействие внешних факторов на электропроводность полупроводников
3.5.1. Влияние температуры на электропроводность полупроводников
3.5.2. Влияние деформации на электропроводность полупроводников
3.5.3. Влияние света на электропроводность полупроводников
3.5.4. Влияние сильных электрических полей на электропроводность полупроводников
3.9. Полупроводниковые соединения типа АIIIВV
4.1. Классификация веществ по магнитным свойствам
4.2. Магнитные характеристики материалов
4.2.1. Абсолютная магнитная проницаемость
4.2.2. Температурный коэффициент магнитной проницаемости
4.2.4. Остаточная магнитная индукция
4.2.5. Удельные потери на гистерезис
4.2.6. Динамическая петля гистерезиса
4.2.7. Потери энергии на вихревые токи
4.3. Классификация магнитных материалов
4.4. Металлические магнитно-мягкие материалы
4.5. Металлические магнитно-твердые материалы
4.5.1. Легированные стали, закаливаемые на мартенсит
Введение
Радиотехническими (далее радиоматериалами) называют такие материалы, которые имеют специфическое назначение в электрорадиоаппаратуре при воздействии электромагнитного поля, отличаются хорошими электрическими и магнитными свойствами. Применяемые в радиотехнике и электронике материалы, подразделяются на:
- электроизоляционные (диэлектрические);
- проводниковые;
- полупроводниковые;
- магнитные.
Значение материалов в промышленности возрастает по мере развития радиотехники и электроники. Вопросы уменьшения габаритов и веса радиоаппаратуры (микроминиатюризация), повышение дальности и избирательности связи, повышение надежности, особенно в экстремальных условиях наземного и космического применения, внедрение квантовой электроники в большой мере зависят от радиоматериалов.
Значительное развитие радиоэлектроники и электронной техники, создание таких областей науки и техники, как радиолокация, радиофизика, кибернетика, биоэлектроника и др., - поставили перед материаловедением и химией задачи по разработке и применению новых материалов с новыми свойствами. Рассмотрим некоторые направления электроники.
Полупроводниковая электроника использует свойства кристаллической решетки веществ, перемещение и распределение зарядов под действием электрических и магнитных полей внутри кристалла. Открытие и разработка новых полупроводниковых материалов способствует дальнейшему развитию электроники, в частности расширяет частотный диапазон работы (десятки гигогерц) и увеличивает скорости работы полупроводниковых приборов.
Молекулярная электроника позволяет создавать радиосхемы в твердом теле с помощью электроактивных примесей бора, фосфора, сурьмы, мышьяка, образуя в кристаллах зоны, выполняющие функции резисторов, конденсаторов, диодов и транзисторов. Такие схемы чрезвычайно малы по размерам (минимальная ширина элемента в них не более 0.2 мкм) и вносят новые представления и теоретические предпосылки в расчет, конструирование и технологию производства радиоаппаратуры.
Квантовая электроника использует новейшие достижения физики в исследовании квантовых процессов, происходящих внутри атомов и молекул вещества, при которых излучается электромагнитная энергия сверхвысокочастотных колебаний, с длиной волны около одного микрона, т.е. в области инфракрасных колебаний. Генераторы и усилители этого типа дают возможность использовать энергию высокой плотности и осуществлять новые виды химических реакций, сварки и плавления тугоплавких веществ и другие высокотемпературные процессы. Разработка новых материалов, обладающих квантово-оптическими свойствами, - одно из основных условий успеха в этой области.
Все радиоматериалы должны удовлетворять следующим общим требованиям:
- обладать высокими электрическими (магнитными свойствами);
- нормально работать при повышенных, а часто и при низких температурах;
- иметь достаточную механическую прочность при различных видах нагрузки, в том числе обладать устойчивостью к тряске, вибрациям и ударам;
- Нормально работать при значительном перепаде температуры воздуха и повышенной влажности;
- Обладать достаточной влагостойкостью, химической стойкостью и стойкостью к различного рода облучениям и плесени;
- Иметь стабильные эксплуатационные характеристики во времени при комплексном воздействии рабочего напряжения, температуры и влажности;
- Не иметь заметно выраженного старения;
- Удовлетворять технологичности, т.е. должны сравнительно легко и просто обрабатываться, допускать массовое изготовление;
- Быть недорогими, недефицитными.
В электронной и радиотехнике применяют разнообразные материалы, количество наименований которых превышает несколько тысяч. Для правильной ориентации в них необходимо изучить классификацию материалов, предлагаемую в курсе.
Курс состоит из четырех тем:
- диэлектрики;
- полупроводниковые материалы;
- проводниковые материалы;
- магнитные материалы;
в каждой из которых описаны свойства, характеристики, способы получения и области применения соответствующих материалов.
Данный курс является базовым для курсов “Электроника”, “Физические основы оптоэлектроники” и “Электронные твердотельные приборы СВЧ и оптического диапазона”.
1. Диэлектрические материалы
1.1. Поляризация диэлектриков
При описании электрических явлений обычно рассматривают тело из диэлектрика, снабженное электродами, к которым подводится электрическое напряжение, т. е. некоторый участок изоляции. Таким участком может быть электрический конденсатор, изоляция кабеля электрической машины или аппарата и т. п., а также образец диэлектрического материала, специально подготовленный для измерения его электрических параметров.
В любом веществе, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных электрических зарядов, всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, атомные ядра, ионы. Под воздействием внешнего электрического поля связанные заряды в диэлектрике смещаются из своих равновесных состояний: положительные - в направлении вектора напряженности поля Е, отрицательные - в обратном направлении.
В результате этого каждый элементарный объем диэлектрика dV приобретает индуцированный электрический момент dp.
Образование индуцированного электрического момента р в диэлектрике и представляет собой явление поляризации. Качественно интенсивность поляризации диэлектрика определяется поляризованностью Р, равной отношению индуцированного электрического момента объема диэлектрика к этому объему, когда последний стремится к нулю:
. (1.1)
Поляризованность - векторная величина: ее направление совпадает с направлением электрического момента - от отрицательного заряда к положительному. Так как электрический момент измеряется в [Кл× м], а объем -в [м3], то единицей модуля поляризованности будет [Кл/м2].
Существует несколько видов поляризации: электронная, ионная, дипольная и миграционная.
1.1.1. Электронная поляризация
Электронная поляризация - это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра. Она происходит во всех атомах любого вещества и, следовательно, во всех диэлектриках, независимо от наличия в них других видов поляризации.
Электронная поляризация устанавливается за очень короткое время после наложения электрического поля - порядка 10-14 - 10-15 с, что сравнимо с периодом световых колебаний. Поэтому электронная поляризация проявляется на всех частотах электрического поля, вплоть до оптических.
При увеличении размеров атома электронная поляризуемость увеличивается, так как при этом не только становится слабее связь электронов внешних оболочек с ядром атома и увеличивается смещение оболочки l, но и возрастает заряд ядра q.
1.1.2. Ионная поляризация
Ионная поляризация - смещение друг относительно друга разноименно заряженных ионов в веществах с ионными связями. При этом центры положительных и отрицательных зарядов q ионов ячейки, совпадающие до приложения электрического поля, под действием поля раздвигаются на некоторое расстояние x в результате смещения разноименно заряженных ионов в противоположных направлениях, вследствие чего элементарная ячейка приобретает индуцированный электрический момент рu = qx.
Ионная поляризация устанавливается также за малое время (хотя и большее, чем электронная) - 10-13 - 10-14 с.
Ионная поляризуемость больше у тех веществ, где ионы слабо связаны друг с другом и несут большие электрические заряды, т. е. являются многовалентными.
1.1.3. Дипольная поляризация
Дипольная поляризация характерна для полярных диэлектриков. Сущность этого метода поляризации заключается в повороте в направлении электрического поля молекул, имеющих постоянный электрический момент.
Диэлектрики можно подразделить на полярные (содержащие постоянные диполи, способные к переориентации) и неполярные (не содержащие ориентирующихся диполей).
В молекулах любого вещества содержатся положительные и отрицательные электрические заряды. Алгебраическая сумма всех зарядов равна нулю, когда вещество не наэлектризовано, т. е. электрически нейтрально. Однако пространственное расположение зарядов в молекуле у каждоговещества различно. Если заменить все положительные заряды молекулы одним суммарным, считая его расположенным в центре тяжести отдельных положительных зарядов, и такое же суммирование провести для отрицательных зарядов, то эти суммарные точечные заряды могут либо не совпадать в пространстве друг с другом, либо совпадать.
В первом случае молекула даже в отсутствие внешнего электрического поля будет представлять собой электрический диполь с отличным от нуля постоянным электрическим моментом рП = ql, где q — суммарный положительный (отрицательный) заряд молекулы; l — расстояние между суммарными зарядами, т. е. плечо диполя. В большинстве случаев постоянный электрический момент молекул полярных веществ рП = 10-30 - 10-29 [Кл× м].
Электрический момент молекулы - величина векторная, направленная от отрицательного заряда -q к положительному заряду +q. У неполярных веществ l = 0 и потому рП = 0.
Независимо от электрических свойств о полярности вещества можно судить по строению его молекул. Молекулы имеющие симметричное строение и центр симметрии, неполярны, так как центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают с центром симметрии молекулы и l = 0 и рП = 0. Несимметричные молекулы полярны.
Более строго дипольную поляризацию можно объяснить как внесение внешним электрическим полем некоторой упорядоченности в положения полярных молекул, непрерывно совершающих хаотические тепловые движения. Следовательно, дипольная поляризация по своей природе связана с тепловым движением молекул, и на нее оказывает существенное влияние температура.
Дипольная поляризация в простейшем виде проявляется в газах, жидкостях и аморфных вязких веществах.
Процесс установления дипольной поляризации после включения диэлектрика под напряжение требует относительно большого времени. Поляризованность РД дипольной поляризации за время t с момента снятия приложенного напряжения уменьшается по экспоненциальному закону:
(1.2)
Постоянную времени этого процесса t называют временем релаксации дипольной поляризации. Если период приложенного переменного напряжения меньше t , то диполи не успевают ориентироваться вслед за полем. Так как τ обычно имеет порядок 10-6 - 10-10 с, дипольная поляризация проявляется лишь на частотах не ниже 106 - 1010 Гц.
При понижении температуры t сильно возрастает.
1.1.4. Миграционная поляризация
Миграционная поляризация наблюдается в некоторых диэлектриках и системах изоляции, в частности в неоднородных диэлектриках, особенно с полупроводящими включениями. Этот вид поляризации заключается в перемещении (миграции) зарядов в этих включениях до их границ и накопления зарядов на границах раздела.
Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленные - секунды, минуты, часы. Поэтому миграционная поляризация обычно наблюдается лишь при весьма низких частотах.
1.2. Электропроводность диэлектриков
Все диэлектрические материалы под воздействием постоянного напряжения пропускают некоторый незначительный ток, называемый током утечки. Чем выше удельное сопротивление материала r, тем выше качество электроизоляционного материала. Электропроводность диэлектриков имеет ряд характерных особенностей.
Во-первых, ввиду очень большого удельного сопротивления диэлектрика, ток через объем участка изоляции - объемный сквозной ток IV - очень мал и сравнимым с ним оказывается ток по поверхности - поверхностный сквозной ток IS. Поэтому необходимо учитывать наряду с объемным и поверхностный ток, полагая общий ток участка изоляции равным:
. (1.3)
Следовательно проводимость G = I / U складывается из проводимостей объемной G = IV / U и поверхностной G = IS / U:
. (1.4)
Величины обратные указанным проводимостям, называют сопротивлениями участка изоляции - объемным RV и поверхностным RS. Общее сопротивление изоляции определяют как результирующее двух параллельно включенных сопротивлений:
. (1.5)
Под удельным сопротивлением диэлектрика ρ обычно понимают удельное объемное сопротивление, а для характеристики RS вводят понятие удельного поверхностного сопротивления r S.
Второй характерной особенностью электропроводности диэлектриков является постепенное спадание тока со временем после подключения постоянного напряжения. В начальный промежуток времени в цепи протекает быстро спадающий ток смещения Iсм, плотность которого Jсм = ∂D /∂t. Этот ток прекращается за время порядка постоянной времени RC схемы источник — образец, которое обычно мало. Однако ток продолжает изменяться и после этогочасто в течение минут и даже часов. Медленно меняющуюся составляющую тока, обусловленную перераспределением свободных зарядов в объеме диэлектрика, называют током абсорбции Iабс.
Ток абсорбции связан с поглощением носителей заряда объемом диэлектрика: часть носителей заряда встречает на своем пути дефекты решетки, захватывающие и удерживающие носители. Со временем, когда все дефекты заполнятся носителями, ток абсорбции прекращается и остается только не изменяющийся во времени сквозной ток Iскв, который обусловлен прохождением носителей заряда от одного электрода до другого и равен сумме объемного и поверхностного сквозных токов:
(1.6)
Ток абсорбции приводит к накоплению носителей заряда в определенных местах диэлектрика - дефектах решетки, границах раздела, неоднородностях. Вследствие появления объемных зарядов распределение напряженности поля в диэлектрике становится неоднородным.
1.2.1. Электропроводность твердых диэлектриков
Электропроводность твердых диэлектриков чаще всего носит не электронный а ионный характер. Это связано с тем, что ширина запрещенной зоны в диэлектриках D W >> kT и лишь ничтожное количество электронов может отрываться от своих атомов за счет теплового движения. Ионы же часто оказываются слабо связанными в узлах решетки, и энергия W, необходимая для их срыва, сравнима с kT. Поэтому, несмотря на меньшую подвижность ионов по сравнению с подвижностью электронов, ионная проводимость оказывается больше электронной за счет большей концентрации свободных ионов:
(1.7)
Носителями заряда в диэлектриках обычно оказываются ионы малых размеров, подвижность которых выше.
Удельная электрическая проводимость твердых диэлектриков, как и полупроводников, растет с ростом температуры по экспоненциальному закону:
. (1.8)
Однако зависимость g (Т) часто обусловлена не экспоненциальным ростом концентрации носителей, как в полупроводниках, а ростом подвижности.
Обычно в диэлектрике имеется несколько видов носителей заряда. Например, кроме ионов основного вещества могут иметься слабо связанные ионы примесей. В этом случае удельная проводимость складывается из собственной и примесной.
Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества: положительные ионы движутся к катоду, а отрицательные к аноду. Электролиз особенно ярко выражен при повышенных температурах, когда r мало, и приложении высоких постоянных напряжений. По выделившемуся на электродах веществу можно определить характер носителей заряда. У диэлектриков с чисто ионным характером электропроводности строго выполняется закон Фарадея пропорциональности между количеством пропущенного электричества и количеством выделившихся веществ.
Некоторые диэлектрики обладают электронной или дырочной электропроводностью. Однако носителями часто являются электроны не основного вещества, а примесей и дефектов.
В кристаллах удельное сопротивление зависит от направления. Вдоль оптической оси оно ниже, чем поперек этой оси.
1.2.2. Электропроводность жидкостей
Электропроводность жидкостей обусловлена ионами, образующимися при диссоциации молекул самой жидкости или ее примесей. В связи с увеличением энергии хаотического теплового движения молекул степень ионизации и концентрация ионов растет с повышением температуры по экспоненциальному закону:
, (1.9)
где W- энергия диссоциации. Отсюда удельная проводимость:
. (1.10)
Здесь μ+ и μ– - подвижности положительных и отрицательных ионов; q - заряд иона; n и А — константы.
Диссоциация молекул легче происходит в полярных жидкостях, чем в неполярных. Ввиду того, что энергия диссоциации полярных жидкостей значительно меньше, чем неполярных, их удельная проводимость существенно выше. Так, для сильно полярных жидкостей (дистиллированная вода, этиловый спирт) r = 103 - 105, для слабо полярных (касторовое масло) r = 108 - 1010, для неполярных (бензол, трансформаторное масло) r > 1010 - 1013 Ом× м. В неполярных жидкостях молекулы основного вещества практически не диссоциируют на ионы, и их электропроводность обусловлена примесями, особенно полярных веществ.
В жидкостях с примесями иногда наблюдается молионная электропроводность, характерная для коллоидных систем, которые представляют собой тесную смесь двух веществ (фаз), причем одна фаза в виде мелких частиц равномерно взвешена в другой. Наиболее часто встречаются в электроизоляционной технике эмульсии и суспензии. Стабильность эмульсий и суспензий объясняется наличием на поверхности частиц дисперсной фазы электрических зарядов. Такие заряженные частицы дисперсной фазы и называют молионами. При наложении на коллоидную систему электрического поля молионы приходят в движение, что выражается в виде электрофореза.
1.2.3. Электропроводность газов
Электропроводность газов обусловлена наличием в них некоторого количества заряженных частиц. В нормальных условиях число заряженных частиц в 1 м3 воздуха не превышает нескольких десятков миллионов.
Происхождение носителей заряда в газах объясняется различными факторами: радиоактивным излучением Земли; радиацией, проникающей из космического пространства; излучением Солнца; иногда тепловым движением молекул и т. п. При поглощении энергии бомбардирующей частицы молекула газа теряет электрон и превращается в положительный ион. Высвобождаемый при этом электрон "прилипает" к нейтральной молекуле, образуя отрицательный ион.
Заряженные ионы, так же как и окружающие их не имеющие электрического заряда молекулы газа, совершают беспорядочные тепловые движения, и вследствие диффузии происходит выравнивание концентрации ионов в газе. При встрече положительных и отрицательных ионов происходит их рекомбинация.
В стационарном случае, когда число ионов не изменяется с течением времени, между процессами генерации и рекомбинации устанавливается динамическое равновесие при котором число положительных ионов в газе равно числу отрицательных ионов N+ = N–, а число рекомбинирующих ионовпостоянно Nр = a N+ N–, где a - коэффициент рекомбинации ионов газа [м3/с].
При наложении внешнего электрического поля положительные и отрицательные ионы, преодолевая сопротивление трения газа, будут двигаться между электродами со скоростями u + = m +E и u – = m –E, где m + и m – - подвижности положительного и отрицательного ионов.
Если напряженность поля Е очень мала, так что протекающий ток не меняет концентрации ионов в газе, плотность тока
. (1.11)
Принимая во внимание, что J = g Е, получаем выражение для удельной проводимости газа:
(1.12)
При малых значениях напряженности внешнего электрического поля, когда Nр, a , m + и m – можно считать постоянными, плотность тока в газе прямо пропорциональна напряженности приложенного поля, т. е. в этих условиях соблюдается закон Ома.
Однако при дальнейшем возрастании напряженности поля закон Ома не выполняется. В этом случае все ионы будут уходить на электроды не рекомбинируя. Так как число ионов в газе при малых полях ограничена и не зависит от напряжения, то дальнейшее повышение напряжения не вызывает увеличения тока. Этот ток называют током насыщения. Значение плотности тока насыщения в газах не превышает 10-16 — 10-14 А/м2.
При дальнейшем повышении Е до значений, близких к электрической прочности Епр, возникает возможность генерации заряженных частиц в электрическом поле из-за появления ударной ионизации. В предпробивных полях создаются условия для возникновения "лавин", и ток очень резко возрастает, пока при J = Епр не наступает пробой газа.
1.2.4. Поверхностная электропроводность диэлектриков
Поверхностная электропроводность диэлектриков создается благодаря неизбежному увлажнению, окислению, загрязнению и т. д. поверхностных слоев электрической изоляции. Поэтому диэлектрик характеризуется значением удельного поверхностного сопротивления RS.
, (1.13)
где h - расстояние между параллельными друг другу кромками электродов, b - длина электродов.
У проводниковых материалов поверхностные токи исчезающе малы по сравнению с объемными, поэтому у этих материалов поверхностное сопротивление не учитывается. Не определяется поверхностное сопротивление и у жидких и газообразных диэлектриков. Не имеет смысла определение поверхностного сопротивления и у тонких слоев твердых диэлектриков так как в этом случае практически невозможно отделить поверхностные токи утечки от объемных.
Характер зависимости RS диэлектриков от различных факторов (температуры, влажности, величины приложенного напряжения) сходен с характером изменения R. Однако при изменениях влажности окружающей среды значения RS изменяются быстрее, чем значения R.
Рост поверхностной проводимости для растворимых диэлектриков объясняется наличием на их поверхности ионов, а для пористых - влаги. Кроме того, RS падает при загрязнении поверхности диэлектрика.
Для повышения поверхностного сопротивления электроизоляционных изделий их покрывают влагостойкими гидрофобными веществами с большим значением RS.
1.3. Потери в диэлектриках
Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.
Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживаются сквозной ток, обусловленный проводимостью. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется значениями удельных объемного и поверхностного сопротивления. При переменном напряжении необходимо использовать какую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозной электропроводимости, возникает ряд добавочных причин, вызывающих потери энергии в диэлектрике. Для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле пользуются углом диэлектрических потерь, а также tg этого угла.
Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз j между I и U в емкостной цепи. В случае идеального диэлектрика I в такой цепи будет опережать вектор U на 90° , при этом угол d будет равен нулю. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в тепло, тем меньше угол сдвига фаз j и тем больше угол диэлектрических потерь d и его функция tg j .
Природа диэлектрических потерь в электроизоляционных материалах различна в зависимости от агрегатного состояния вещества.
Диэлектрические потери могут обуславливаться сквозным током или активными составляющими поляризационных токов. При изучении диэлектрических потерь, непосредственно связанных с поляризацией диэлектрика, можно изобразить это явление в виде кривых, представляющих зависимость электрического заряда на обкладках конденсатора с данным диэлектриком от приложенного к конденсатору напряжения. При отсутствии потерь, вызываемых явлением поляризации, заряд линейно зависит от напряжения и такой диэлектрик называется линейным (рис.1.1,а).
Рис.1.1. Зависимость заряда от напряжения для линейного диэлектрика без потерь (а), с потерями (б). Если в линейном диэлектрике имеет место замедленная поляризация, связанная с потерями энергии, то кривая зависимости заряда от напряжения приобретает вид эллипса (рис.1.1,б).
Площадь этого эллипса пропорциональна количеству энергии, которая поглощается диэлектриком за один период изменения U.
В случае нелинейного диэлектрика - сегнетоэлектрика, кривая зависимости заряда от напряжения приобретает вид петли такого же характера, как петля гистерезиса из магнитных материалов. В этом случае площадь петли пропорциональна потерям энергии за один период.
В технических электроизоляционных материалах, помимо потерь сквозной электропроводимости и потерь от замедленной поляризации, возникают электрические потери, которые сильно влияют на электрические свойства диэлектриков. Эти потери вызываются наличием изолированных друг от друга посторонних проводящих или полупроводящих включений углерода, окислов железа и т.д. и значительны даже при малом содержании таких примесей в электроизоляционном материале. В случае высоких U потери в диэлектрике возникают в следствии ионизации газовых включений внутри диэлектриков, особенно интенсивно происходящей при высоких частотах.
Рассмотрим схему, эквивалентную конденсатору с диэлектриком, обладающим потерями, находящемуся в цепи переменного U. Последовательная и параллельная схема представлены на рис.1.2, там же даны соответствующие диаграммы токов и напряжений.
Рис.1.2. Векторные диаграммы и эквивалентные схемы диэлектрика с потерями: а – последовательная; б – параллельная.
Обе схемы эквивалентны друг другу, если при равенстве полных сопротивлений z1 = z2 = z равны их активные и реактивные составляющие. Это условие будет соблюдено, если углы сдвига тока относительно напряжения j равны и значения активной мощности одинаковы.
Из теории переменных I известно, что:
. (1.14)
Выразим P для последовательной и параллельной схемы через Cs и Cp и угол d , который является дополнением угла j до 90° .
Для последовательной схемы (рис1.1,а), используя выражения Pa и соответствующую диаграмму имеем:
и (1.15) tg d = wCsr . (1.16)
Для параллельной схемы (рис.1.1,б):
, (1.17)
. (1.18)
Приравнивая друг другу выражения, находим соотношения между Cp и Cs и между r и R:
, 
. (1.19)
Для доброкачественных диэлектриков можно пренебречь значением tg2d по сравнению с единицей в формуле и рассчитав Cp » Cs » C Выражение для Р, рассеиваемой в диэлектрике, в этом случае будут одинаковы для обеих схем:
Pa=U2wCtg d, (1.20)
где Ра измеряется в Вт, U - в В, w - в с-1, С - в фарадах. R в параллельной схеме, как следует из выражения , во много раз больше r. Выражение для удельных диэлектрических потерь, т.е. Р, рассматриваемой в единице объема диэлектрика, имеет вид:
, (1.21)
где p - удельные потери, Вт/м3; w - 2p f - угловая частота, с-1; Е - напряженность электрического поля, В/м.
Действительно, емкость между противоположными гранями куба со стороной 1 м будет С1 = e 0e , реактивная составляющая удельной проводимости:
; (1.22)
а активная составляющая 
. (1.23)
Следует отметить, что емкость диэлектрика с большими потерями становится совершенно условной величиной, зависящей от выбора той или иной эквивалентной схемы. Отсюда и диэлектрическая проницаемость материала с большими потерями при переменном U также условно. Угол диэлектрических потерь от выбора схемы не зависит.
Рассматривая формулы 
и 
можно видеть, что диэлектрические потери приобретают серьезное значение для материалов, используемых в установках высокого U, в высокочастотной аппаратуре и особенно в высоковольтных высокочастотных устройствах, поскольку величина диэлектрических потерь пропорционально квадрату приложенного к диэлектрику U и частоте поля. Материалы, предназначаемые для применения в указанных условиях, должны отличаться малым значением угла потерь и диэлектрической проницаемостью, т.к. в противном случае мощность, рассеиваемая в диэлектрике, может стать недопустимо большой.
Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе можно подразделить на четыре основных вида:
- диэлектрические потери, обусловленные поляризацией;
- диэлектрические потери сквозной электропроводности;
- ионизационные диэлектрические потери;
- диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры.
Рассмотрим каждый вид диэлектрических потерь. Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией, особенно отчетливо наблюдаются в веществах, обладающих релаксационной поляризацией: в диэлектриках дипольной структуры и в диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов.
1.3.1. Релаксационные диэлектрические потери
Релаксационные диэлектрические потери вызываются нарушением теплового движения частиц под влиянием сил электрического поля. Это нарушение приводит к рассеянию энергии и нагреву диэлектрика. В температурной зависимости tg угла релаксационных диэлектрических потерь наблюдается max при некоторой t° , характерной для данного вещества. При этой t° время релаксации частиц диэлектрика примерно совпадает с периодом изменения приложенного переменного I. Если t° такова, что время релаксации частиц значительно больше полупериода изменения приложенного переменного U, то тепловое движение частиц будет менее интенсивным, и потери уменьшатся; если t° такова, что время релаксации частиц значительно меньше полупериода изменения U, то интенсивность теплового движения будет больше, связь между частицами уменьшится, в результате чего потери также снизятся.
Диэлектрические потери, наблюдаемые в сегнетоэлектриках связаны с явлением спонтанной поляризации. Поэтому потери в сегнетоэлектиках значительны при t° ниже точки Кюри, когда имеет место спонтанная поляризация. При t° выше точки Кюри потери уменьшаются. Электрическое старение сегнетоэлектрика со временем сопровождается некоторым уменьшением потерь.
К диэлектрическим потерям, обусловленным поляризацией, следует отнести так называемые резонансные потери, проявляющиеся в диэлектриках при световых частотах. Этот вид потерь с особой четкостью наблюдается в некоторых газах при строго определенной частоте и выражается в интенсивном поглощении энергии электрического поля. Так же эти потери возможны и в твердых веществах, если частота вынужденных колебаний, вызываемых электрическим полем, совпадает с частотой собственных колебаний частиц твердого вещества. Наличие максимума в частотной зависимости tgd характерно также и для резонансного механизма потерь, однако в данном случае t на положение max не влияет.
1.3.2. Диэлектрические потери, обусловленные сквозной проводимостью
Диэлектрические потери, обусловленные сквозной проводимостью, обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность, объемную или поверхностную. Тангенс угла диэлектрических потерь в этом случае может быть вычислен по формуле:
, (1.24)
где f - в Гц и r - в Ом× м.
Диэлектрические потери этого вида не зависят от частоты поля; tgd уменьшается с частотой по гиперболическому закону.
Диэлектрические потери, обусловленные электропроводностью, возрастают с t по экспоненциальному закону: 
, где А, 
- постоянные материала, или в соответствии с приближенным выражением: 
, где Pt - потери при температуре t° С, Р0 - потери при температуре 0° С, d - постоянная материала, tgd в зависимости от температуры изменяется по тому же закону, который использован для аппроксимации температурной зависимости Р, т.к. температурным изменением емкости можно пренебречь.
1.3.3. Ионизационные диэлектрические потери
Ионизационные диэлектрические потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии. Ионизационные потери проявляются в неоднородных электрических полях при напряженностях, превышающих значения, соответствующие началу ионизации данного газа. Ионизационные потери могут быть вычислены по формуле: 
, где А1 - постоянный коэффициент, f - частота поля, U - приложенное напряжение, U0 - напряжение, соответствующее началу ионизации.
Формула справедлива при U > U0 и линейной зависимости tgd от Е. Ионизационное U0 зависит от давления, при котором находится газ, поскольку развитие ударной ионизации молекул связано с длиной свободного пробега носителей заряда. С увеличением давления газа величина U0 возрастает.
1.3.4. Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры
Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры наблюдаются в слоистых диэлектриках из пропитанной бумаги и ткани, в пластмассах с наполнителем, в пористой керамике, в производных слюды - миканитах, микалексе и т.д. Ввиду разнообразия структуры однообразных неоднородных диэлектриков и особенностей, содержащихся в них компонентов, не существует общей формулы расчета диэлектрических потерь в этом случае. Для наглядности основные сведения об особенностях различных видов диэлектрических потерь сведены в таблице 1.1
Таблица 1.1. Классификация потерь в диэлектриках.
|
Диэлектрические потери |
Главные особенности |
Виды диэлектриков |
| 1. Обусловленные Поляризацией: | ||
|
релаксационные (дипольные и ионные) |
Наличие max tg угла потерь, зависящие от температуры и частоты. |
Дипольные жидкие и твердые диэлектрики, ионные с неплотной упаковкой. |
|
резонансные |
Наличие резко Выраженного max при Некоторой частоте (выше 1015 Гц), положение которого не зависит от температуры. |
Все виды диэлектриков. |
| Спонтанной поляризации |
Велики: выше точки Кюри наблюдается резкое уменьшение. |
Сегнето-электрики. |
| 2. Обусловленные электропроводностью |
Независимость потерь от частоты (tg угла потерь с частотой снижается по геперболе) и заметное возрастание с t. |
Жидкие и твердые диэлектрики Жидкие и твердые диэлектрики с большой электро проводностью. |
|
3. Ионизационные. |
Наблюдаются при U выше ионизации. |
Газообразные и твердые диэлектрики с газообразными включениями. |
| 4. Обусловленные Неоднородностью структуры. |
Сложная зависимость потерь от компонентов, входящих в состав диэлектрика и случайных примесей. |
Неоднородные диэлектрики. |
1.3.5. Диэлектрические потери в газах
Диэлектрические потери в газах при напряженностях поля, лежащих ниже значения, необходимо для развития ударной ионизации молекул газа, очень мала. В этом случае газ можно практически рассматривать как идеальный диэлектрик. Источником диэлектрических потерь газа может быть в основном только электропроводность, т.к. ориентация дипольных молекул газов при их поляризации не сопровождается диэлектрическими потерями.
Как известно, все газы отличаются весьма малой электропроводностью, и угол диэлектрических потерь в связи с этим будет мал, особенно при высоких частотах. Величина tgd может быть вычислена по формуле (1.24).
Удельное объемное сопротивление газов - порядка 1016 Ом×м, e » 1 и tgd при f = 50 Гц (в отсутствие ионизации) менее 4×10-8. При высоких U и неоднородном поле, когда напряженность в отдельных местах превзойдет некоторые критические значения, молекулы газа ионизируется, вследствие чего в газе возникают потери на ионизацию. При U0 начинается ионизация газа в порах и tgd заметно возрастает. При U1, когда газ во включениях уже ионизирован и энергия на процесс ионизации не затрачивается, tgd уменьшается.
Кривую tgd = f (U) часто называют кривой ионизации. При высоких частотах ионизация и потери в газах возрастают настолько, что явление может повести к разогреву и разрушению изделий с газовой изоляцией, если напряжение превышает U0.
Возникновение ионизации газа, заполняющего закрытые поры в твердой изоляции, нередко приводит к такому же разрушению. Ионизация воздуха сопровождается образованием озона и окислов азота, что вызывает химическое разложение органической изоляции, содержащей газовые включения.
На линиях электропередачи высокого U потери на изоляцию воздуха у поверхности проводов (явление короны) снижают КПД линии.
1.3.6. Диэлектрические потери в жидкостях
В неполярных жидкостях диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью, если жидкость не содержит примесей с дипольными молекулами. Удельная проводимость нейтральных частот жидкостей чрезвычайно мала, благодаря чему малы и диэлектрические потери. Примером может служить тщательно очищенное от примесей нефтяное конденсаторное масло, tgd которого очень мал и может быть рассчитан по формуле: , где f - в Гц и r - в Ом× м.
Полярные жидкости в зависимости от условий (температура, частота) могут обладать заметными потерями, связанными с дипольно-релаксационной поляризацией, помимо потерь, обусловленных электропроводностью.
Применяемые в технике жидкие диэлектрики часто представляют собой смеси неполярных и полярных веществ (например, масляно-канифольные компаунды) или являются полярными жидкостями (совол).
У жидких диэлектриков с полярными молекулами заметно проявляется зависимость диэлектрических потерь от вязкости. Удельная проводимость таких жидкостей при комнатной температуре 10-10 - 10-11 См× м-1. Диэлектрические потери, наблюдаемые в полярных вязких жидкостях при переменном напряжении, значительно превосходят потери, обусловленные электропроводностью. Такие потери и называют дипольно-релаксационными. Объяснение природы потерь в полярных вязких жидкостях можно дать, основываясь на представлениях о механизме дипольно-релаксационной поляризации.
Потери возрастают с частотой до тех пор, пока поляризация успевает следовать за изменением поля. Когда же частота становится настолько велика, что дипольные молекулы уже не успевают полностью ориентироваться в направлении поля и tgd падает, то потери Ра становятся постоянными в соответствии с формулой: Pa=U2wCtg d, где Ра - Вт, U - в В, w - в с-1, С - фарадах.
Таким образом, характер зависимости диэлектрических потерь Ра от частоты не соответствует характеру частотной зависимости tgd .
Дипольно-релаксационные потери в маловязких жидкостях при низких частотах незначительны могут быть меньше потерь сквозной электропроводности. Ниже для сравнения приведены значения e и tgd для неполярной и полярной жидкостей при частоте 50 Гц.
| Трансформаторное масло | e = 2,3; | tgd = 0,001; |
| Совол | e = 5; | tgd = 0,02; |
Как видно, tgd диэлектрических потерь неполярной жидкости - трансформаторного масла значительно меньше, чем полярной жидкости - совола.
1.3.7. Диэлектрические потери в твердых диэлектриках
Диэлектрические потери в твердых диэлектриках необходимо рассматривать в связи с их структурой. Твердые вещества обладают разнообразным составом и строением; в них возможны все виды диэлектрических потерь. Их можно подразделить на четыре группы:
- диэлектрики молекулярной структуры;
- диэлектрики ионной структуры;
- диэлектрики сегнетоэлектрики;
- диэлектрики неоднородной структуры.
Рассмотрим диэлектрики первой группы, т.е. молекулярной структуры. Эти потери зависят от вида молекул. В случае неполярных молекул, в веществах, не имеющих примесей, диэлектрические потери малы. К таким диэлектрикам относится сера, парафин; неполярные примеси - полиэтен, политетрафторэтилен, полистирол и другие. Указанные вещества, в связи с их весьма малыми потерями, находят применение в качестве высокочастотных диэлектриков. Диэлектрики молекулярной структуры с полярными молекулами представляют собой, главным образом, органические вещества, широко используемые в технике. К ним принадлежат материалы на основе целлюлозы (бумага, картон и др.), полярные полимеры: полиметилметакрилат (органическое стекло), полиамиды (картон и др.) и полиуританы, каучуковые материалы (эбонит), фенолоформальдегидные смолы (бакелит и др.), эфиры целлюлозы (ацетилцеллюлоза и др.) - и ряд других материалов. Все они из-за присущей им дипольно-релаксационной поляризации обладают большими потерями. Потери в этих диэлектриках существенно зависят от температуры; при некоторых температурах обнаруживаются max или min потерь; возрастание потерь после min объясняется увеличением потерь сквозной электропроводности. Такую зависимость можно отобразить в виде графика, в частном случае для бумаги.
Диэлектрики ионной структуры связаны с особенностями упаковки ионов в решетке. В веществах кристаллической структуры с плотной упаковкой ионов при отсутствии примесей, искажающих решетку, диэлектрические потери весьма малы. При повышенных температурах в таких веществах появляются потери от сквозной электропроводности. К веществам этого типа относятся многочисленные кристаллические неорганические соединения, имеющие большое значение в современном производстве электротехнической керамике, например, корунд (Al2O3), входящий в состав ультрафарфора. Примером такого соединения является каменная соль, чистые кристаллы которой обладают ничтожными потерями; малейшие примеси, искажающие решетку, резко (на 2 -3 порядка) увеличивают диэлектрические потери.
Диэлектрические потери в аморфных веществах ионной структуры - неорганических стеклах - связаны с явлением поляризации и наличием электропроводности. Рассматривая механизм диэлектрических потерь в стеклах, следует различать:
а) потери, мало зависящие от температуры и возрастающие прямо пропорционально частоте (tgd не зависит от частоты);
б) потери, заметно возрастающие с температурой по закону экспоненциальной функции и мало зависящие от частоты (tgd уменьшается с возрастанием частоты).
Потери первого вида обуславливаются релаксационной поляризацией и сильно выражены во всех технических стеклах. Чисто кварцевое стекло обладает весьма малыми релаксационными потерями. Введение в плавленый кварц небольшого количества окислов вызывает заметное возрастание диэлектрических потерь из-за нарушения внутренней структуры стекла. Термическая обработка - отжиг или закалка - заметно влияют на угол диэлектрических потерь из-за нарушения внутренней структуры.
Таблица 1.2. Влияние термической обработки на tgd потерь стекол при 20° С и f = 1 МГц.
|
Способ обработки |
tgd |
|
|
Нормальный отжиг |
0,0073 | 0,0012 |
|
Длительный отжиг при низкой t с последующим быстрым охлаждением |
0,0081 | 0,0015 |
|
Кратковременный отжиг с быстрым охлаждением |
0,010 | 0,0015 |
|
Закалка |
0,125 | 0,0020 |
В таблице 1.2 показана зависимость tgd потерь некоторых стекол от способа их термической обработки. Потери второго вида вызываются передвижениями слабосвязанных ионов и должны рассматриваться как потери, обусловленные электропроводностью. Такие потери проявляются обычно при t выше 50-100° С.
Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках выше, чем у обычных диэлектриков. Особенностью сегнетодиэлектриков является наличие в них самопроизвольной поляризации, проявляющейся в определенном температурном интервале, вплоть до точки Кюри. Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках мало изменяются с t в области самопроизвольной поляризации и редко падают при t выше точки Кюри, когда сегнетоэлектрические свойства теряются и самопроизвольная поляризация исчезает.
Диэлектрические потери в твердых веществах неоднородной структуры, к ним относятся неоднородные диэлектрики, т.е. керамика. Любой керамический материал представляет собой сложную многофазную систему. В его составе различают кристаллическую фазу, стекловидную и газовую (газы в закрытых порах). Диэлектрические потери в керамике зависят от характера кристаллической и стекловидной фазы и количественного соотношения между ними. Газовая фаза в керамике вызывает повышение диэлектрических потерь при U поля вследствие развития ионизации.
В современной электроизоляционной технике применяется большое количество неоднородных диэлектриков. В одних случаях это определяется требованиями механической прочности (волокнистая основа), в других - удешевлением стоимости и приданием необходимых свойств (наполнители в пластмассах и резинах), в третьих - использованием ценных отходов (слюдяные материалы).
1.4. Пробой диэлектриков
1.4.1. Общая характеристика пробоя
Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свои электроизоляционные свойства, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности. Свойство диэлектрика противостоять пробою называется электрической прочностью (Епр). Напряжение, при котором происходит пробой изоляции, называют пробивным напряжением (Uпр) и измеряют чаще всего в киловольтах.
Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя:
Епр = Uпр/h, (1.25) где h – толщина диэлектрика.
Пробой твердых диэлектриков и пробой газов и жидкостей отличаются друг от друга как по внешним признакам, так и по физике явления.
Пробой газа обуславливается явлением ударной и фотонной ионизации. Пробой жидких диэлектриков происходит в результате ионизации тепловых процессов. Одним из главнейших факторов, способствующих пробою жидкостей, является наличие в них посторонних примесей. Пробой твердых тел может вызываться как электрическим, так и тепловым процессами, возникающими под действием поля.
Явление электрического пробоя связано с электронными процессами в диэлектрике, возникающими в сильном электрическом поле и приводящими к внезапному и резкому местному возрастанию плотности электрического тока к моменту пробоя.
Тепловой пробой является следствием уменьшения активного сопротивления диэлектрика под влиянием нагрева в электрическом поле, что приводит к росту активного тока и дальнейшему увеличению нагрева диэлектрика вплоть до его термического разрушения.
При длительном действии напряжения пробой может быть вызван электрохимическими процессами, происходящими в диэлектрике под действием электрического поля – электрохимический пробой.
Из изложенного следует, что пробой газов – явление чисто электрическое, а в разрушении жидких и особенно твердых диэлектриков существенную роль играют тепловые процессы.
1.4.2. Пробой газов
Внешней изоляцией во многих видах электротехнических конструкций служит воздух. Электрическая прочность воздуха в нормальных условиях невысока по сравнению с прочностью большинства жидких и газообразных диэлектриков.
Небольшое количество содержащихся в газе положительных и отрицательных ионов и электронов, находящихся в беспорядочном тепловом движении, при наложении поля получают добавочную скорость и начинают перемещаться в направлении поля или в противоположном, в зависимости от знака заряда. При этом заряженная частица газа приобретает дополнительную энергию
W = q·Ul, (1.26)
где q – заряд, Ul – падение напряжения на длине свободного пробега l.
Добавочная энергия заряженных частиц сообщается молекулам, с которыми они сталкиваются. Если эта энергия достаточно велика, то может произойти ионизация молекул газа. Условием, определяющим возможность ионизации, является:
W 
Wи. (1.27)
При заданных значениях давления газа и температуры ударная ионизация начинается при определенной напряженности поля, поскольку q и l постоянны для каждого газа. Эта напряженность поля Е называется начальной напряженностью. Процесс быстрого распространения ионизации называется явлением стримера. Явление пробоя газа объясняется ударной ионизацией и сопутствующим явлением фотоионизации. Пробой газа наступает, когда весь газовый промежуток между электродами ионизирован. В ионизированном пространстве образуется два потока (стримера) – поток электронов и поток положительно заряженных ионов.
Внешне процесс ионизации проявляется свечением газа.
Напряжение, при котором наступает полная ионизация газового пространства между электродами, называется напряжением пробоя газа. Оно зависит от природы самого газа, его давления, влажности, температуры, в большой степени от формы электродов и расстояния между ними, однородности электрического поля, воздействующего на газ, а также от того, действует постоянное, переменное или импульсное напряжение.
Различные газы имеют различную электрическую прочность. С увеличением давления электрическая прочность газов увеличивается. Это объясняется тем, что при возрастании давления увеличивается число молекул в единице объема, отсюда сокращается длина свободного пробега электронов, они не успевают приобрести энергию, необходимую для ионизации молекул, и поэтому пробой наступает только при более высоком напряжении.
При уменьшении давления газа длина свободного пробега электронов увеличивается, и ионизация наступает при более низком напряжении.
При малых расстояниях между электродами, порядка нескольких микрон, электрическая прочность газов сильно увеличивается. Это объясняется тем, что из-за малости расстояния процесс ионизации затруднен, и ионизация наступает при более высоком напряжении. Экспериментально установлено, что пробивное напряжение любого газа пропорционально произведению давления газа Р на расстояние между электродами h (при Т = const). Эта зависимость носит название закона Пашена и иллюстрируется графиком на рис.1.2.
Рис.1.2. Зависимость электрической прочности газа от давления
В неоднородном поле наблюдаются значительные отклонения от этого закона. 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.
1.4.3. Пробой жидких диэлектриков
Жидкие диэлектрики отличаются более высокой электрической прочностью, чем газы в нормальных условиях.
Предельно чистые жидкости получить очень трудно. Постоянными примесями в жидких диэлектриках являются вода, газы и твердые частички. Наличие примесей и определяет в основном явление пробоя жидких диэлектриков.
Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняют местным перегревом жидкости, который приводит к образованию газового канала между электродами. Влияние воды, не смешивающейся с трансформаторным маслом при нормальной температуре и держащейся в нем в виде отдельных мелких капелек. Под влиянием поля капельки воды поляризуются и создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой.
Очистка жидких диэлектриков от примесей заметно повышает электрическую прочность.
1.4.4. Пробой твердых диэлектриков
Различают четыре вида пробоя твердых диэлектриков:
- электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков;
- электрический пробой неоднородных диэлектриков;
- тепловой (электротепловой) пробой;
- электрохимический пробой.
Электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков. Этот вид пробоя характеризуется весьма быстрым развитием, он протекает за время, меньшее 10-7 – 10-8 с, и не обусловлен тепловой энергией.
Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина.
Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обуславливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений.
Электрический пробой неоднородных диэлектриков. Такой пробой характерен для диэлектриков, имеющих газовые включения. Он также характеризуется весьма быстрым развитием. Пробивные напряжения для неоднородных диэлектриков во внешнем однородном и неоднородном поле, как правило, невысоки и мало отличаются друг от друга.
С увеличением толщины образца усиливается неоднородность структуры, возрастает количество слабых мест, газовых включений и снижается электрическая прочность как в однородном, так и в неоднородном поле. Площадь электродов тоже влияет на прочность диэлектрика. Чем меньше площадь электродов, тем выше может быть значение электрической прочности из-за уменьшения количества слабых мест, попадающих в пределы поля.
Низкой электрической прочностью отличаются диэлектрики с открытой пористостью: мрамор, непропитанная бумага, дерево, пористая керамика.
Высокой электрической прочностью характеризуются диэлектрики, имеющие плотную структуру и не содержащие газовых включений: слюда, стекла, бумага, тщательно пропитанная жидким диэлектриком.
Тепловой пробой. Этот пробой сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих хотя бы местной потере им электроизоляционных свойств, связанной с чрезмерным возрастанием сквозной электропроводности или диэлектрических потерь. Пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от ряда факторов: частоты поля, условий охлаждения, температуры окружающей среды и др. Кроме того, напряжение теплового пробоя связано с нагревостойкостью материала.
Для того, чтобы температура изолятора не превышала некоторого критического значения, выше которого неизбежно наступает тепловое разрушение изолятора, необходимо правильно установить допустимое напряжение. Если считать, что все изменение температуры происходит вне диэлектрика, то рабочее напряжение можно найти, приравняв тепловыделение количеству тепла, отводимого при данной температуре с поверхности изолятора:
U2wCtgd= sS(Tраб – T0), (1.28)
где U – напряжение, В; U2wC– реактивная мощность, В·А; w – угловая частота, с-1; С – емкость изолятора, Ф; tgd – тангенс угла потерь при рабочей температуре; s – коэффициент теплоотдачи , Вт/м2·К; S – площадь поверхности изолятора, м2; Tраб и T0 – температуры поверхности изолятора и окружающей среды, К.
Данное выражение с достаточной степенью точности позволяет рассчитать допустимое напряжение для изделий с известной электрической емкостью и хорошей теплопроводностью диэлектрика, обеспечивающей малый перепад температуры по сечению изделия.
Для более точных расчетов В.А.Фоком и Н.Н.Семеновым получено строгое аналитическое выражение для пробивного напряжения в случае теплового пробоя:
(1.29)
где g т – удельная электропроводность диэлектрика, Вт/м·К; f – частота, Гц; tgd0 – тангенс угла потерь диэлектрика при температуре окружающей среды; atgd – температурный коэффициент tgd, 1/K; j(cs) – поправочная функция аргумента с, зависящая от теплопроводности металла электродов, коэффициента теплопередачи из диэлектрика в металл, толщины диэлектрика и электродов.
Электрохимический пробой имеет особенно существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжении низкой частоты, когда в материале развиваются электролитические процессы, обуславливающие необратимое уменьшение сопротивление изоляции.
Такое явление часто называют старением диэлектрика в электрическом поле, поскольку оно приводит к постепенному снижению электрической прочности, заканчивающемуся пробоем при напряженности поля, значительно меньшей пробивной напряженности, полученной при кратковременном испытании. Это явление имеет место в органических (пропитанная бумага, резина и т.д.) и некоторых неорганических диэлектриках (титановая керамика).
Электрохимический пробой требует для своего развития длительного времени, т.к. он связан с явлением электропроводности, приводящем к медленному выделению в материале малых количеств химически активных веществ, или с образованием полупроводящих соединений. В керамике, содержащей окислы металлов переменной валентности (например, ТiО2), электрохимический пробой встречается значительно чаще, чем в керамике, состоящей из окислов алюминия, кремния, магния, бария.
Наличие щелочных окислов в алюмосиликатной керамике способствует возникновению электрохимического пробоя и ограничивает допустимую рабочую температуру. При электрохимическом пробое большое значение имеет материал электрода. Серебро, способное диффундировать в керамику, облегчает электрохимический пробой в противоположность, например, золоту.
1.5. Химические свойства диэлектриков
При длительной работе диэлектрики не должны разрушаться с выделением побочных продуктов и не вызывать коррозии соприкасающихся с ними металлов; не реагировать с различными веществами (например, газами, водой, кислотами, щелочами, растворами солей и т.п.). Стойкость к действию всех этих веществ у различных диэлектриков весьма разнообразна.
Материалы в производстве деталей могут обрабатываться различными химико-технологическими способами: склеиваться, растворяться в растворителях с образованием лаков и т.д. Растворимость твердых материалов может быть оценена количеством материала, переходящим в раствор за единицу времени с единицы поверхности материала, соприкасающейся с растворителем. Кроме того, нередко оценивают растворимость по тому наибольшему количеству вещества, которое может быть растворено в данном растворе (т.е. по концентрации насыщенного раствора). Легче всего растворяются вещества, близкие к растворителю по химической природе и содержащие в молекулах похожие группировки атомов; дипольные вещества легче растворяются в дипольных жидкостях, нейтральные – в нейтральных. Так, неполярные или слабополярные углеводороды (парафин, каучук) легко растворяются в жидких углеводородах, например, в бензине; полярные смолы, содержащие гидроксильные группировки (фенолформальдегидные и др. смолы), растворяются в спирте и иных полярных растворителях. Растворимость уменьшается с повышением степени полимеризации, высокомолекулярные вещества с линейной структурой молекул растворяются сравнительно легко, а с пространственной структурой – весьма трудно. При повышении температуры растворимость обычно увеличивается.
1.6. Классификация диэлектрических материалов
По области применения все диэлектрические материалы можно разделить на электроизоляционные и диэлектрики в электрических конденсаторах.
Первые используются для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга части, находящиеся под различными электрическими потенциалами.
Вторые используются для создания определенного значения электрической емкости конденсатора, а в некоторых случаях для обеспечения определенного вида зависимости этой емкости от температуры и других факторов.
По возможности управления электрическими свойствами диэлектрические материалы можно разделить на пассивные с постоянными свойствами и активные, свойствами которых можно управлять (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики,электреты и др.).
Диэлектрические материалы подразделяются по их агрегатному состоянию на газообразные, жидкие и твердые. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходном состоянии являются жидкостями, но затем отверждаются и в готовой, находящейся в эксплуатации изоляции, представляют собой твердые тела (лаки и компаунды).
В соответствии с химической природой все диэлектрики делятся на органические и неорганические. Под органическим веществами подразумеваются соединения углерода; обычно они содержат также водород, кислород, азот, галогены или иные элементы. Прочие вещества считаются неорганическими; многие из них содержат кремний, алюминий и др. металлы, кислород и т.п.
Количество диэлектрических материалов исчисляется многими тысячами. Поэтому здесь будут даны лишь общие представления об особенностях строения и свойств основных классов диэлектриков.
1.6.1. Органические полимеры
Среди диэлектриков особое значение имеют высокомолекулярные органические материалы. По своей природе они являются полимерами , т.е. веществами, молекулы которых представляют совокупность весьма большого числа имеющих одинаковое строение групп атомов, и получаются в результате объединения друг с другом молекул, сравнительно весьма простых по своему составу веществ, так называемых мономеров.
Реакция образования полимера из мономера носит название полимеризации. При полимеризации молекулярная масса, естественно, увеличивается; возрастает температура плавления и кипения, повышается вязкость; в процессе полимеризации вещество может переходить из газообразного или жидкого состояния в состояние весьма густой жидкости и далее в состояние твердого тела; уменьшается растворимость и т.д.
Простой пример: стирол – жидкий ненасыщенный углеводород, имеющий элементарный состав С8Н8 и строение молекулы
Благодаря наличию двойной связи между двумя соседними атомами углерода обладает способностью легко полимеризоваться. Образующийся в результате полимеризации из стирола полимер стирола - так называемый полистирол - является уже твердым веществом; его молекула имеет строение
и может быть представлена как цепочка, состоящая из одинаковых повторяющихся звеньев, каждое из которых представляет собой одну молекулу мономера - стирола, но с измененным характером связей между атомами С (простая связь С - С, а не двойная С = С):
где n - степень полимеризации, т.е. число молекул мономера, объединившихся в одну молекулу полимера.
Для полистирола n может доходить до 6000; т.о., тогда как молекулярная масса стирола 12·8 + 1·8 = 104, молекулярная масса полистирола составляет уже 624000. Температура плавления стирола минус 33°С, а температура размягчения полистирола составляет плюс 70 - 85°C.
Процесс полимеризации протекает при различных условиях с различной скоростью. Например, стирол сохраняется на холоде и в темноте продолжительное время, однако повышение температуры, освещение, добавление катализаторов способны резко ускорить переход жидкого стирола в твердый полистирол. Т.о., скорость полимеризации можно регулировать, изменяя условия, в которых протекает процесс полимеризации.
При определенных условиях (сравнительно высокая температура, механическая обработка и др.) полимер может разлагаться на вещества с меньшей степенью полимеризации. Такой процесс, противоположный процессу полимеризации, называется деполимеризацией.
Могут существовать и более сложные случаи полимеризации. Такова, например, совместная полимеризация (сополимеризация) нескольких мономеров различного состава и поликонденсация, когда не все атомы мономерных молекул входят в состав образующихся полимерных молекул, а одновременно с образованием полимера выделяется вода или иные низкомолекулярные вещества.
Полимеры делятся на две группы: линейные и пространственные полимеры. Молекулы линейных полимеров имеют вид цепочек или нитей (конечно, не прямых, а изогнутых и переплетенных друг с другом), так что отношение длины молекулы к ее поперечным размерам может быть порядка тысячи. Молекулы пространственных полимеров развиты в пространстве более равномерно, так что они имеют более компактную форму, приближаясь к форме шара.
В практике распространено разделение полимеров на термопластичные и термореактивные.
Термопластичные материалы при достаточно низких температурах тверды, но при нагреве становятся мягкими и легко деформируются; они могут растворяться в соответствующих растворителях Характерной особенностью таких материалов является то, что нагрев до температуры, соответствующей их пластичному состоянию, не вызывает необратимых изменений их свойств.
В противоположность материалам этой группы термореактивные материалы (реактопласты) при нагреве претерпевают необратимое изменение свойств: как говорят, они запекаются, т.е. приобретают значительную механическую прочность и твердость, теряя при этом свойства растворимости и плавкости.
1.6.2. Смолы
При достаточно низких температурах смолы – аморфные стеклообразные массы, более или менее хрупкие. При нагреве смолы размягчаются, становясь пластичными, а затем и жидкими. Смолы большей частью нерастворимы в воде и мало гигроскопичны, но растворимы в подходящих по химической природе органических растворителях.
Смолы широко применяются в виде важнейшей составной части лаков, компаундов, пластмасс, пленок, искусственных и синтетических волокнистых материалов. По своему происхождению смолы делятся на природные, искусственные и синтетические.
Природные представляют собой продукты жизнедеятельности животных организмов (щелак) или растений–смолоносов (канифоль). Сюда же относятся ископаемые смолы – копалы.
Наибольшее значение имеют синтетические смолы – полимеризационные и конденсационные. Общим недостатком конденсационных смол является то, что при их отверждении происходит выделение воды или др. низкомолекулярных веществ, ухудшающих свойства смолы. Типичные представители синтетических смол: поливинилхлорид, фторопласт-4 (зарубежные аналоги известны под названием тефлон, дайфлон), полиуретаны, бакелит, новолак, полиэтилентерефталат, эпоксидные смолы, силиконы.
1.6.3. Битумы
Битумы – аморфные материалы, представляющие собой смеси углеводородов и обладающие характерным комплексом свойств. Они имеют черный или темно-коричневый цвет, при достаточно низких температурах хрупки и дают характерный излом в виде раковин. Битумы растворяются в углеводородах – легче ароматичных (бензол, толуол и др.), несколько труднее в бензине, немаслостойки. В спирте и воде битумы нерастворимы, они имеют малую гигроскопичность и в толстом слое практически водонепроницаемы. Битумы термопластичны плотность их близка к 1 Мг/м3.
Различают битумы искусственные (нефтяные), представляющие собой тяжелые продукты перегонки нефти, и природные (ископаемые), называемые также асфальтами. Залежи асфальтов связаны с нефтяными месторождениями, т.к. в природных условиях асфальты также образовались из нефти.
1.6.4. Гибкие пленки
Особый вид изделий из органических полимеров – тонкие прозрачные гибкие пленки, выпускаемые в рулонах. Эти пленки, обладающие высокой электрической и механической прочностью, находят широкое применение в изоляции электрических машин, кабелей и обмоточных проводов и т.п.
Гибкие пленки могут быть изготовлены из линейных полимеров с достаточно высокой молекулярной массой, т.е. с большой длиной молекул.
Пленки из эфиров целлюлозы весьма распространены в технике и в быту; к ним относят фото- и кинопленки и упаковочные материалы (целлофан – пластифицированная глицерином пленка из материала, аналогичного по составу искусственному вискозному шелку).
Из полярных синтетических пленок большое значение имеют полиэтилентерефталатные пленки (майлар, мелинекс, хостафан и др.) толщиной от 0.04 до 0.35 мм. Они имеют хорошие механические и электроизоляционные свойства, химически стойки и нагревостойки; по короностойкости они превосходят как триацетатные, так и полиэтиленовые и полистирольные пленки.
Среди неполярных пленок большое значение имеют пленки из полиэтилена, полипропилена, полистирола (стирофлекса), политетрафторэтилена.
1.6.5. Волокнистые материалы
Это материалы, которые состоят преимущественно из частиц удлиненной формы – волокон. В текстильных материалах волокнистое строение совершенно очевидно. В дереве, бумаге, картоне волокнистое строение может быть изучено с помощью микроскопа при небольшом увеличении.
Преимущества многих волокнистых материалов: дешевизна, довольно большая механическая прочность и гибкость, удобство обработки. Недостатками их являются невысокие электрическая прочность и теплопроводность (из-за наличия промежутка между волокнами, заполненного воздухом). Гигроскопичность более высокая, чем у массивного материала того же химического состава. Свойства волокнистых материалов могут быть значительно улучшены путем пропитки, поэтому такие материалы в электрической изоляции обычно применяют в пропитанном состоянии.
Большая часть волокнистых материалов – органические вещества. Это материалы растительного (дерево, хлопчатобумажное волокно, бумага и пр., состоящие в основном из целлюлозы) и животного происхождения (шелк, шерсть), искусственные волокна, получаемые путем химической переработки природного волокнистого сырья и, наконец, приобретающие особо важное значение в последнее время синтетические волокна, изготовляемые из синтетических полимеров.
1.6.6. Пластические массы
Пластмассы (пластики) характеризуются способностью под влиянием внешнего давления приобретать определенную форму, соответствующую очертаниям пресс-формы, используемой для прессования изделий.
В большинстве случаев пластмассы состоят из двух основных компонентов: связующего и наполнителя. Связующее – обычно органический полимер, обладающий способностью деформироваться под воздействием давления. Иногда применяется и неорганическое связующее, например, стекло в микалексе, цемент в асбоцементе. Наполнитель, прочно сцепляющийся со связующим веществом, может быть порошкообразным, волокнистым, листовым; наполнитель существенно удешевляет пластмассу и в то же время может улучшать ее механические характеристики. Гигроскопичность и электроизоляционные свойства из-за введения наполнителя могут иногда ухудшаться. Примеры пластиков: гетинакс (прессованная бумага, пропитанная бакелитом), текстолит (ткань, пропитанная бакелитом или эпоксидной смолой), текстогетинакс (комбинированный слоистый пластик с внутренними слоями бумаги и наружными – с обеих сторон – слоями хлопчатобумажной ткани).
1.6.7. Эластомеры
Эластомеры – материалы на основе каучука и близких к нему по свойствам веществ.
Натуральный каучук получается из особых растений – каучуконосов. По химическому составу каучук представляет собой полимерный углеводород, имеющий состав (С5Н8)n и строение, характеризуемое наличием двойных связей:
Из-за малой стойкости к действию как повышенных, так и пониженных температур, а также растворителей чистый каучук для изготовления электрической изоляции не употребляют. Для устранения этих недостатков каучук подвергают так называемой вулканизации, т.е. нагреву после введения в него серы. При вулканизации происходит частичный разрыв двойных связей цепочечных молекул и сшивание цепочек через атомы –S – с образованием пространственной структуры. При этом получаются резины – мягкая – с содержанием 1-3% серы, обладающая весьма высокой растяжимостью и упругостью и твердая (эбонит) при содержании серы 30-35% - твердый материал, обладающий высокой стойкостью к ударным нагрузкам.
1.6.8. Стекла
Стекла – неорганические аморфные вещества – представляют собой сложные системы различных окислов. Кроме стеклообразующих окислов, т.е. таких, каждый из которых способен сам по себе в чистом виде образовывать стекло (SiO2, B2O3) в состав стекол входят и другие окислы: щелочные Na2O, K2O, щелочно-земельные CaO, BaO, а также PbO, Al2O3 и др. Основу большинства стекол составляет диоксид кремния; такие стекла называют силикатными.
Свойства стекол меняются в широких пределах в зависимости от их состава и тепловой обработки.
При кристаллизации стекол специального состава получаются ситаллы. Они занимают промежуточное положение между обычными стеклами и керамикой, почему иногда называются стеклокерамикой. В отличие от стекол ситаллы непрозрачны, но многие из них в тонком слое заметно пропускают свет. Кроме хороших электроизоляционных свойств ситаллы обладают высокой механической прочностью, пониженной хрупкостью, широким диапазоном температурного коэффициента линейного расширения, высокой точностью размеров изделий.
Особую область применения имеют фотоситаллы: после воздействия на заготовки из светочувствительного стекла (возможно – по определенному рисунку, сквозь отверстия в трафарете) ультрафиолетового облучения и кристаллизации засвеченной заготовки последняя может подвергаться травлению в кислоте, причем менее кислотостойкая закристаллизовавшаяся часть изделия растворяется; таким образом получается изделие сложной формы, которое вновь подвергается всестороннему облучению и дополнительно кристаллизуется уже при более высокой температуре.
1.6.9. Керамические диэлектрические материалы
Керамикой называют неорганические материалы, из которых могут быть изготовлены изделия той или иной формы, подвергаемые в дальнейшем обжигу при высокой температуре; в результате обжига в керамической массе происходят сложные физико-химические процессы, благодаря которым готовое изделие приобретает нужные свойства. Ранее керамические материалы изготовлялись на основе глины, образующей в смеси с водой пластичную, способную формоваться массу и после обжига приобретать значительную механическую прочность. Сейчас появились и другие виды керамических материалов, в состав которых глина входит в очень малом количестве или же совсем не входит. Металлизация керамики (обычно нанесением серебра методом вжигания) обеспечивает возможность осуществления спайки с металлом, что имеет особое значение для создания герметизированных конструкций.
2. Проводниковые материалы
2.1. Общие сведения о проводниках
В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях (в состоянии ионизации) и газы.
Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление при нормальной температуре не более 0.05 мкОм·м, и сплавы высокого сопротивления с удельным сопротивлением не менее 0.3 мкОм·м.
Особый интерес представляют обладающие чрезвычайно малым удельным сопротивлением при весьма низких температурах материалы сверхпроводники и криопроводники.
К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и электролиты. Для большинства металлов температура плавления высока, только ртуть, имеющая температуру плавления минус 39°С, может быть использована в качестве жидкого металлического проводника при нормальной температуре. Другие металлы являются жидкими проводниками только при повышенных температурах.
Механизм прохождения тока в металлах – как в твердом, так и в жидком состоянии – обусловлен движением свободных электронов под воздействием электрического поля; поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода. Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы, в частности, водные, кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти вещества связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов в соответствии с законами Фарадея, вследствие чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза. Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются проводниками второго рода. Пример – соляные закалочные ванны с электронагревом.
Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превзойдет некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с электронной и ионной проводимостью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительно заряженных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, называемую плазмой.
2.2. Электропроводность металлов
Классическая электронная теория металлов представляет проводник в виде системы, состоящей из узлов ионной кристаллической решетки, внутри которой находится электронный газ из свободных электронов. В свободное состояние от каждого атома переходит от одного до двух электронов. К электронному газу применялись представления и законы статистики обычных газов. Рассматривая тепловое и направленное под действием электрического поля движение электронов, получили выражение закона Ома. При столкновениях электронов с узлами кристаллической решетки энергия, накопленная при ускорении электронов в электрическом поле, передается металлической основе проводника, вследствие чего он нагревается. Рассмотрение этого роцесса привело к выводу закона Джоуля-Ленца. Т.о., электронная теория металлов дала возможность теоретически описать и объяснить найденные ранее экспериментальным путем основные законы электропроводности и потерь электрической энергии в металлах. Оказалось возможным также объяснить связь между электро- и теплопроводностью металлов.
Однако появились и противоречия некоторых выводов теории с опытными данными. Они состояли в расхождении кривых температурной зависимости удельного сопротивления, в несоответствии теоретически полученных значений теплоемкости металлов опытным данным.
Эти трудности удалось преодолеть, встав на позиции квантовой механики. В отличие от классической электронной теории квантовая механика полагает, что электронный газ в металлах при обычных температурах находится в состоянии вырождения. В этом состоянии энергия электронного газа почти не зависит от температуры, т.е. тепловое движение почти не изменяет энергию электронов. Поэтому теплота не затрачивается на нагрев электронного газа, что и обнаруживается при измерениях теплоемкости металлов. В состояние, аналогичное обычным газам, электронный газ приходит при температурах порядка тысяч Кельвинов. Представляя металл как систему, в которой положительные ионы скрепляются посредством свободно движущихся электронов, легко понять природу всех основных свойств металлов: пластичности, ковкости, хорошей теплопроводности и высокой электропроводности.
2.3. Свойства проводников
К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов, относятся:
- удельная проводимость g или обратная ей величина – удельное сопротивление r,
- температурный коэффициент удельного сопротивления ТКr или ar,
- теплопроводность g т,
- контактная разность потенциалов и термо-э.д.с.,
- работа выхода электронов из металла,
- предел прочности при растяжении sr и относительное удлинение при разрыве Dl/l.
2.3.1. Удельная проводимость и удельное сопротивление проводников
Связь плотности тока J, А/м2, и напряженности электрического поля Е, В/м, в проводнике дается известной формулой:
(2.1)
Здесь g, См/м – параметр проводникового материала, называемый его удельной проводимостью; в соответствии с законом Ома g не зависит от напряженности электрического поля при изменении последней в весьма широких пределах. Величина r=1/g, oбратная удельной проводимости и называемая удельным сопротивлением, для имеющего сопротивление R проводника длиной l с постоянным поперечным сечением S вычисляется по формуле
ρ = R·S/l. (2.2)
Единица СИ для удельного сопротивления - Ом·м. Диапазон значений удельного сопротивления ρ металлических проводников при нормальной температуре довольно узок: от 0.016 для серебра и до примерно 10 мкОм·м для железохромоалюминиевых сплавов, т.е. он занимает всего три порядка. Значение удельной проводимости γ в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в данном проводнике, которая, в свою очередь, определяется структурой проводникового материала. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; примеси, искажая решетку, приводят к увеличению ρ. И с точки зрения волновой теории, рассеяние электронных волн происходит на дефектах кристаллической решетки, которые соизмеримы с расстоянием порядка четверти длины электронной волны. Нарушения меньших размеров не вызывают заметного рассеяния волн.
2.3.2. Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов
Число носителей заряда в металлическом проводнике при повышении температуры остается практически неизменным. Однако вследствие колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути направленного под действием электрического поля движения свободных электронов, т.е. уменьшается средняя длина свободного пробега электрона, уменьшается подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов, и увеличивается удельное сопротивление. Иными словами, температурный коэффициент удельного сопротивления металлов положителен.
2.3.3. Изменение удельного сопротивления металлов при плавлении
При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления, как это видно из рис.2.1; однако некоторые металлы при плавлении повышают ρ.
Рис.2.1. Зависимость удельного сопротивления меди от температуры.
Скачок соответствует температуре плавления меди 1083°С
Удельное сопротивление увеличивается при плавлении у тех металлов, которые при плавлении увеличивают объем, т.е. уменьшают плотность; у металлов с противоположным характером изменения объема при плавлении (аналогичным фазовому переходу лед-вода) ρ уменьшается.
2.3.4. Изменение удельного сопротивления металлов при деформациях
Изменение удельного сопротивления при растяжении или сжатии приближенно может оцениваться формулой
ρ = ρ0 (1± σ ·s) , (2.3)
где ρ - удельное сопротивление металла при механическом напряжении σ, ρ0 – удельное сопротивление металла, не подверженного механическому воздействию, s – коэффициент механического напряжения, характеризующий данный металл; знак плюс в формуле соответствует растяжению, минус – сжатию.
Изменение ρ при упругих деформациях объясняется изменением амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки металла. При растяжении эти амплитуды увеличиваются, при сжатии – уменьшаются. Увеличение амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки приводит к уменьшению подвижности носителей зарядов и, как следствие, к возрастанию ρ. Пластическая деформация, как правило, повышает удельное сопротивление металлов вследствие искажения кристаллической решетки. При рекристаллизации путем отжига удельное сопротивление может быть вновь снижено до первоначального значения.
2.3.5. Удельное сопротивление сплавов
Значительное возрастание ρ наблюдается при сплавлении двух металлов в том случае, если они образуют друг с другом твердый раствор, т.е. создают при отвердевании совместную кристаллизацию, и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого. ρ имеет максимум, соответствующий некоторому определенному соотношению между содержанием компонентов в сплаве. Так, Н.С.Курнаков открыл, что в тех случаях, когда при определенном соотношении между компонентами они образуют друг с другом явно выраженные химические соединения (интерметаллиды), на кривых ρ в функции состава наблюдаются изломы (рис.2.2).
Рис. 2.2. Зависимость удельного сопротивления сплавов цинк – магний от состава. Точка 1 соответствует чистому Mg, 2 – соединению MgZn, 3 - Mg2Zn3, ., 4 – MgZn4 5 – MgZn6, 6 – чистому Zn.
Исследования А.Ф.Иоффе показали, что многие интерметаллиды являются не веществами с металлическим характером электропроводности, а электронными полупроводниками.
Если же сплав двух металлов создает раздельную кристаллизацию, и структура застывшего сплава представляет собой смесь кристаллов каждого из компонентов (т.е. искажение кристаллической решетки каждого компонента не имеет места), то удельная проводимость γ сплава меняется с изменением состава приблизительно линейно, т.е. определяется арифметическим правилом смешения (рис.2.3).
Рис.2.3. Зависимость удельной проводимости сплавов медь – вольфрам от состава (в процентах по массе)
2.3.6. Теплопроводность металлов
За передачу тепла через металл в основном ответственны те же свободные электроны, которые определяют и электропроводность металлов, и количество которых в единице объема весьма велико. Поэтому, как правило, теплопроводность γт металлов намного больше, чем теплопроводность диэлектриков. Очевидно, что при прочих равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость γ металла, тем больше должна быть и его теплопроводность. Легко также видеть, что при повышении температуры, когда подвижность электронов в металле и соответственно его удельная проводимость уменьшаются, отношение γт/γ δ должно возрастать.
Чистота и характер механической обработки металла могут заметно сказываться на его теплопроводности, в особенности при низких температурах.
2.3.7. Термоэлектродвижущая сила
При соприкосновении двух металлических проводников между ними возникает контактная разность потенциалов. Причина ее появления заключается в различии значений работы выхода электронов из различных металлов, а также в том, что концентрация электронов, а следовательно, и давление электронного газа у разных металлов и сплавов могут быть неодинаковыми. Из электронной теории металлов следует, что контактная разность потенциалов между металлами А и В равна:
(2.4)
где UА и UВ – потенциалы соприкасающихся металлов; nА и nВ – концентрации электронов в металлах А и В.
Если температуры "спаев" одинаковы, то сумма разностей потенциалов равны нулю. Иначе обстоит дело, когда один металл имеет температуру Т1, а другой – Т2.
Рис.2.4.Схема термопары
В этом случае между "спаями" возникает термо-э.д.с., равная
(2.5)
что можно записать в виде
(2.6)
Где с – постоянный для данной пары проводников коэффициент термо-э.д.с., т.е. термо-э.д.с. должна быть пропорциональна разности температур металлов.
Провод, составленный из двух изолированных друг от друга проволок из различных металлов или сплавов (термопара), может быть использован для измерения температур.
2.3.8. Механические свойства проводников
Они характеризуются пределом прочности при растяжении σр и относительным удлинением при разрыве Δl/l, а так же хрупкостью, твердостью и тому подобными свойствами. Механические свойства металлических проводников в большой степени зависят от механической и термической обработки, от наличия легирующих примесей и т.п. Влияние отжига приводит к существенному уменьшению σр и увеличению Δl/l. Такие параметры проводниковых материалов, как температуры кипения и плавления, удельная теплоемкость и др., не требуют особых пояснений.
2.4. Материалы высокой проводимости
К наиболее широкораспрстраненным материалам высокой проводимости следует отнести медь и алюминий.
2.4.1. Медь
Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:
- малое удельное сопротивление;
- достаточно высокая механическая прочность;
- удовлетворительная в большинстве случаев применения стойкость по отношению к коррозии;
- хорошая обрабатываемость: медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра;
- относительная легкость пайки и сварки.
Медь получают чаще всего путем переработки сульфидных руд. После ряда плавок руды и обжигов с интенсивным дутьем медь, предназначенная для электротехнических целей, обязательно проходит процесс электролитической очистки.
В качестве проводникового материала чаще всего используется медь марок М1 и М0. Медь марки М1 содержит 99.9% Cu, а в общем количестве примесей (0.1%) кислорода должно быть не более 0,08%. Присутствие в меди кислорода ухудшает ее механические свойства. Лучшими механическими свойствами обладает медь марки М0, в которой содержится не более 0.05% примесей, в том числе не свыше 0.02% кислорода.
Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом, поэтому она все шире заменяется другими металлами, особенно алюминием.
В отдельных случаях применяются сплавы меди с оловом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием. Такие сплавы, носящие название бронз, при правильно подобранном составе имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь.
2.4.2. Алюминий
Алюминий является вторым по значению после меди проводниковым материалом. Это важнейший представитель так называемых легких металлов: плотность литого алюминия около 2.6, а прокатанного – 2.7 Мг/м3. Т.о., алюминий примерно в 3.5 раза легче меди. Температурный коэффициент расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем меди. Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата тепла, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.
Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойствами – как механическими, так и электрическими. При одинаковом сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода в 1.63 раза больше, чем медного. Весьма важно, что алюминий менее дефицитен, чем медь.
Для электротехнических целей используют алюминий, содержащий не более 0.5% примесей, марки А1. Еще более чистый алюминий марки АВ00 (не более 0.03% примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты АВ0000 имеет содержание примесей не более 0ю004%. Добавки Ni, Si, Zn или Fe при содержании их 0.5% снижают γ отожженного алюминия не более, чем на 2-3%. Более заметное действие оказывают примеси Cu, Ag и Mg, при том же массовом содержании снижающие γ алюминия на 5-10%. Очень сильно снижают электропроводность алюминия Ti и Mn.
Алюминий весьма активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет металл от дальнейшей коррозии.
Алюминиевые сплавы обладают повышенной механической прочностью. Примером такого сплава является альдрей, содержащий 0.3-0.5% Mg, 0.4-0.7% Si и 0.2-0.3% Fe. В альдрее образуется соединение Mg2Si, которое сообщает высокие механические свойства сплаву.
2.4.3. Железо
Железо (сталь) как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий к тому же высокой механической прочностью, представляет большой интерес для использования в качестве проводникового материала. Однако даже чистое железо имеет значительно более высокое сравнительно с медью и алюминием удельное сопротивление; ρ стали, т.е. железа с примесью углерода и других элементов, еще выше. Обычная сталь обладает малой стойкостью коррозии: даже при нормальной температуре, особенно в условиях повышенной влажности, она быстро ржавеет; при повышении температуры скорость коррозии резко возрастает. Поэтому поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более стойкого материала. Обычно для этой цели применяют покрытие цинком.
В ряде случаев для уменьшения расхода цветных металлов применяют так называемый биметалл. Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно.
2.4.4. Натрий
Весьма перспективным проводниковым материалом является металлический натрий. Натрий может быть получен электролизом расплавленного хлористого натрия NaCl в практически неограниченных количествах. Из сравнения свойств натрия со свойствами других проводниковых металлов видно, что удельное сопротивление натрия примерно в 2.8 раза больше ρ меди и в 1.7 раз больше ρ алюминия, но благодаря чрезвычайно малой плотности натрия (плотность его почти в 9 раз меньше плотности меди), провод из натрия при данной проводимости на единицу длины должен быть значительно легче, чем провод из любого другого металла. Однако натрий чрезвычайно активен химически (он интенсивно окисляется на воздухе, бурно реагирует с водой), почему натриевый провод должен быть защищен герметизирующей оболочкой. Оболочка должна придавать проводу необходимую механическую прочность, так как натрий весьма мягок и имеет малый предел прочности при деформациях.
2.5. Сверхпроводники и криопроводники
Как уже отмечалось, при понижении температуры удельное сопротивление металлов падает. Представляет особый интерес вопрос об электропроводности металлов при весьма низких температурах, приближающихся к абсолютному нулю. Исчезновение электрического сопротивления, т.е. появление практически бесконечной электрической проводимости материала, называется сверхпроводимостью, а температура, при охлаждении до которой совершается переход вещества в сверхпроводящее состояние – температурой сверхпроводникового перехода Тс. Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым: при повышении температуры до Тс сверхпроводимость разрушается и материал переходит в нормальное состояние, приобретая конечное значение удельной проводимости γ. В настоящее время известно 27 простых (чистых металлов) и более тысячи сложных (сплавов и химических соединений).
В то же время некоторые вещества, в том числе такие наилучшие проводниковые материалы, как серебро и медь, при наиболее низких, достигнутых в настоящее время температурах (порядка тысячных долей Кельвина; согласно третьему закону термодинамики, абсолютный нуль температуры принципиально недостижим) перевести в сверхпроводящее состояние не удалось. Интересно отметить, что сверхпроводниками могут быть не только соединения и сплавы металлов, обладающих сверхпроводимостью, но и соединения таких элементов с несверхпроводящими и даже соединения, в состав молекул которых входят исключительно атомы элементов, не являющихся сверхпроводящими.
Помимо сверхпроводящих электромагнитов можно отметить возможности использования сверхпроводников для создания электрических машин, трансформаторов и тому подобных устройств малой массы и габаритов, но с высокими к.п.д.; линий электропередачи весьма больших мощностей на дальние расстояния; волноводов с особо малым затуханием; накопителей энергии и пр.
Помимо явления сверхпроводимости в современной электротехнике все шире используется явление криопроводимости, т.е. достижение некоторыми металлами весьма малой удельной проводимости при криогенных температурах (но более высоких, чем температура сверхпроводникового перехода, если данный металл вообще принадлежит к сверхпроводникам. Материалы, обладающие особо благоприятными свойствами для применения в качестве проводников в условиях криогеннных температур, называются криопроводниками или гиперпроводниками.
Весьма малое, но все же конечное значение удельного сопротивления криопроводника при его рабочей температуре ограничивает допустимую плотность тока в нем, хотя эта плотность может быть намного выше, чем в обычных проводниках. Криопроводники, у которых при изменении температуры в широких пределах удельное сопротивление изменяется плавно, без скачков, не могут использоваться в ряде устройств, действие которых основано на триггерном эффекте появления и разрушения сверхпроводимости. Однако применение криопроводников в электрических машинах, аппаратах, кабелях и т.п. имеет и свои преимущества, притом весьма существенные. Так, если в сверхпроводниковых устройствах в качестве охлаждающего агента применяется жидкий гелий, рабочая температура криопроводников достигается применением более высококипящих и дешевых хладоагентов: жидкого водорода или даже жидкого азота. Это значительно упрощает и удешевляет выполнение и эксплуатацию устройства. Кроме того, в сверхпроводниковом устройстве, например электромагните, по обмотке которого проходит сильный ток, накапливается большая энергия магнитного поля. Если из-за случайного повышения температуры или магнитной индукции хотя бы на малом участке сверхпроводящего контура сверхпроводимость будет разрушена, внезапно освободится большое количество энергии, что может вызвать серьезную аварию. В случае же криопроводниковой цепи повышение температуры вызовет лишь постепенное возрастание сопротивления этой цепи без эффекта взрыва.
Во всех случаях для получения криопроводниковых материалов требуется высокая чистота металла и отсутствие наклепа. Вредное влияние примесей и наклепа на ρ металлов при криогенных температурах сказывается намного сильнее, чем при нормальных. Криопроводники могут с успехом использоваться для обмоток электрических машин и трансформаторов, для токопроводящих жил кабелей и т.п.
2.6. Сплавы высокого сопротивления
Помимо высокого сопротивления от таких материалов требуются высокая стабильность ρ во времени, малый ТКρ и малый коэффициент термо-э.д.с. в паре данного сплава с медью. Желательно, чтобы такие сплавы были дешевыми и по возможности не содержали дефицитных компонентов.
2.6.1. Манганин
Это наиболее типичный и широко применяемый для образцовых резисторов сплав. Примерный его состав: Cu- 85%, Mn- 12% и Ni- 3%; название происходит от наличия в нем марганца; желтоватый цвет объясняется большим содержанием меди. ρ манганина 0.42-0.48 мкОм∙м, коэффициент термо-э.д.с. в паре с медью всего 1-2 мкВ/К, αρ весьма мал. Предельная длительно допустимая рабочая температура не более 200°С.
2.6.2. Константан
Сплав, содержащий около 60% меди и 40% никеля; этот состав отвечает минимуму αρ в системе Cu-Ni при довольно высоком значении ρ. Название константан объясняется значительным постоянством ρ при изменении температуры. Нагревостойкость константана выше, чем манганина, а механические свойства близки. Существенным отличием последнего является высокая термо-э.д.с. в паре с медью и с железом. Широкому применению константана препятствует большое содержание дорогого и дефицитного никеля.
2.6.3. Сплавы на основе железа
Сплавы системы Fe – Ni – Cr называются нихромами или (при повышенном содержании железа) ферронихромами; сплавы системы Fe – Cr – Al называются фехралями и хромалями. Нихромы весьма технологичны: их можно легко протягивать в тонкую проволоку или ленту, они имеют высокую рабочую температуру. Однако, как и в костантане, в них велико содержание никеля. Нихромы применяются в качестве электронагревательных элементов.
Хромо-алюминиевые сплавы намного дешевле нихромов, однако эти сплавы менее технологичны, более тверды и хрупки. Они в основном используются для электронагревательных устройств большой мощности.
2.7. Тугоплавкие металлы
К тугоплавким относятся металлы с температурой плавления, превышающей 1700°С. Как правило, они химически устойчивы при низких температурах, но становятся активными при повышенных. Эксплуатация их при высоких температурах может быть обеспечена в атмосфере инертных газов или в вакууме. В плотном виде чаще всего эти металлы получают методами порошковой металлургии – прессовкой и спеканием. В электронной технике начинают распространяться плавка электронным или лазерным лучом, зонная очистка, плазменная обработка и т.д. Механическая обработка этих материалов трудна и часто требует подогрева.
2.7.1. Вольфрам
Чрезвычайно тяжелый, твердый металл серого цвета. Из всех металлов вольфрам обладает наиболее высокой температурой плавления (3380°С). Его извлекают из руд различного состава, наиболее известными среди которых являются вольфрамит (FeWO4 + MnWO4) и шеелит (CaWO4) путем сложной химической обработки. Для вольфрама характерна слабая механическая связанность кристаллов, поэтому при зернистом строении сравнительно толстые вольфрамовые изделия весьма хрупки и легко ломаются. В результате механической обработки ковкой и волочением вольфрам приобретает волокнистую структуру и излом его весьма затруднен. Этим объясняется гибкость тонких вольфрамовых нитей.
Из вольфрама изготавливают нити ламп накаливания, а также электроды, подогреватели, пружины и крючки в электронных лампах, рентгеновских трубках и т.п. Вследствие тугоплавкости и большой механической прочности, вольфрам может работать при высоких температурах (более 2000°С), но лишь в глубоком вакууме или в атмосфере инертного газа, т.к. при нагревании до температуры в несколько сот градусов в присутствии кислорода он сильно окисляется.
2.7.2. Молибден
Этот металл по внешнему виду, а также по технологии обработки близкий к вольфраму. Важнейшей промышленной рудой молибдена является молибденит MoS2. Молибден применяют в электровакуумной технике при менее высоких температурах, чем вольфрам; накаливаемые детали из молибдена должны работать в вакууме или восстановительной атмосфере.
2.7.3. Тантал
Его получают из мало распространенной руды – танталита Fe(TaO3)2 методами порошковой металлургии, подобно вольфраму и молибдену. Основное отличие его заключается лишь в том, что процесс спекания его осуществляют в вакуумных печах, т.к. тантал склонен к поглощению газов, в результате чего он становится хрупким. Тантал характеризуется высокой пластичностью даже при комнатной температуре. Тантал относят к сверхпроводникам, применяют при изготовлении анодов и сеток генераторных ламп и др.
2.7.4. Титан
Относительно легкий металл, применяющийся в электровакуумной технике благодаря своим хорошим механическим свойствам. Основными минералами, содержащими титан, являются рутил и ильмений. Получают титан методами порошковой металлургии. Его используют не только в качестве конструкционного материала, но и для порошкообразных покрытий молибденовых и вольфрамовых анодов и сеток генераторных ламп. Из него также получают резисторы интегральных микросхем.
2.7.5. Рений
Один из редких очень тяжелых металлов, с температурой плавления, близкой к вольфраму. Рений отличается редким сочетанием свойств, удовлетворяющих большинству требований электровакуумной техники. В атмосфере водорода и во влажной среде он испаряется в меньшей степени, чем вольфрам. Ценной особенностью рения является его меньшая, по сравнению с вольфрамом, степень взаимодействия при высоких температурах с окисью алюминия, из которой изготовляют изоляционные трубки подогревных катодов прямого накала и сеток некоторых типов ламп.
2.8. Благородные металлы
К благородным металлам относят золото, серебро, платину и металлы платиновой группы (рутений Ru, родий Rh, палладий Pd, осмий Os и иридий Ir). Эти металлы названы благородными за их красивый внешний вид и высокую химическую стойкость. Они применяются в качестве проводников и контактов для коррозионно-устойчивых покрытий, электродов фотоэлементов. Серебро применяют также для непосредственного нанесения на диэлектрики в качестве обкладок в производстве керамических и слюдяных конденсаторов.
2.9. Неметаллические проводники
Из числа твердых неметаллических проводниковых материалов наибольшее значение имеют материалы на основе углерода. Из угля изготавливают щетки электрических машин, электроды для прожекторов, электроды для дуговых электрических печей и электролитических ванн, аноды гальванических элементов. Угольные порошки используют в микрофонах, из угля делают высокоомные резисторы, разрядники для телефонных сетей.
В качестве сырья для производства электроугольных изделий можно использовать сажу, графит и антрацит. Природный графит – одна из модификаций чистого углерода слоистой структуры с большой анизотропией как электрических, так и механических свойств. Сажи представляют собой мелкодисперсный углерод с примесями слоистых веществ. Лаки, в состав которых в качестве пигмента добавлена сажа, обладают малым удельным сопротивлением и могут быть использованы для выравнивания электрического поля в электрических машинах высокого напряжения.
3. Полупроводниковые материалы
3.1. Общие сведения
Все полупроводниковые материалы делятся на простые полупроводники (ПП) или элементы, полупроводниковые химические соединения и полупроводниковые комплексы. В последнее время также изучаются стеклообразные и жидкие полупроводники. Простых ПП существует околодесяти. В современной технике особое значение приобрели кремний (Si), германий (Ge) и, частично, селен (Se).
|
Материалы |
Атомный № |
D W, эВ |
Подвижн. электронов, см2/В* с |
Подвижн. дырок, см2/В* с |
|
Ge |
32 |
0.67 |
3900 |
1900 |
|
Si |
14 |
1.12 |
1400 |
500 |
| Se |
34 |
1.79 |
- |
0.2* 10-4 |
Полупроводниковыми химическими соединениями являются соединения элементов различных групп таблицы Менделеева, соответствующие общим формулам АIIВVI (CdS, ZnSe), АIIIВV(InSb, GaAs, GaP ), АIVВVI (PbS, PbSe, PbTe), также некоторые оксиды и вещества сложного состава.
AIII BV
| Материалы |
D W, эВ |
Подвижн. электронов, см2/В* с |
Подвижн. дырок, см2/В* с |
|
GaSb |
0.7 |
5000 |
800 |
|
InSb |
0.18 |
80000 |
1000 |
| GaAs |
1.4 |
8500 |
400 |
| InAs |
0.35 |
30000 |
500 |
AII BVI
| Материалы |
D W, эВ |
Подвижн. электронов ,с см2/В* с |
Подвижн. дырок, см2/В* с |
|
ZnS |
3.74 |
140 |
5 |
|
CdS |
2.53 |
340 |
110 |
| HgS |
1.78 |
700 |
- |
| ZnSe |
2.73 |
260 |
15 |
AIVBVI
| Материалы |
D W, эВ |
Подвижн. электронов, см2/В* с |
Подвижн. дырок, См2/В* с |
|
PbS |
0.39 |
600 |
700 |
|
CdS |
0.27 |
1200 |
1000 |
| HgS |
0.32 |
1800 |
900 |
К полупроводниковым комплексам можно отнести вещества с полупроводящей или проводящей фазой и карбида кремния, графита, сцепленных керамической или другой связкой. Наиболее распространенными из них являются тирит, силит и др. c шириной запрещенной зоны 0.75 ч 1.35 эВ.
3.2. Собственные (чистые) полупроводники
На внешней оболочке атомов простых полупроводников имеется четыре валентных электрона. Когда атомы связываются в кристаллическую решетку, эти электроны становятся общими для ближайших четырех атомов, такая связь называется ковалентной.
Рис. 3.1. Кристаллическая решетка собственного полупроводника
В невозбужденном состоянии свободных электронов нет. Но при внешнем энергетическом воздействии какому-либо электрону сообщается дополнительная энергия, он отрывается от атома и начинает свободно перемещаться по кристаллу. Но при этом на его месте образуется электронная дырка. Т.о. процесс генерации носителей в собственном полупроводнике – образование электронно-дырочной пары. А процесс исчезновения этой пары, т.е., когда дырка встречается с электроном – рекомбинация.
Дырки и электроны, образованные в процессе генерации, есть собственные носители зарядов ni , pi
3.2.1. Концентрация собственных носителей заряда
Так как при каждом акте возбуждения в собственном полупроводнике одновременно образуются два заряда, противоположных по знаку, то общее количество носителей будет в два раза больше числа электронов в зоне проводимости, т.е.
noi = poi, noi + poi = 2 noi (3.1)
В результате процессов генерации и рекомбинации при любой температуре тела устанавливается равновесная концентрация возбужденных носителей:
электронов
noi = 2Ncexp( 
) (3.2)
дырок
poi = 2NBexp(
) (3.3)
D W - ширина запрещенной зоны полупроводника, Nc - эффективная плотность состояния (число энергетических уровней в единице объема ПП) в свободной зоне, NB - то же в валентной зоне. Коэффициент 2 показывает, что на каждом уровне могут находиться по два электрона с противоположными спинами. 
- постоянная Больцмана.
В случае собственной электропроводности
ni = pi, но Jn > Jp
т.к. подвижность электрона больше подвижности дырки. А подвижность µ есть отношение скорости перемещения носителя к напряженности электрического поля в ПП:
m =
(3.4)
Следовательно, в поле кристаллической решетки электроны и дырки обладают различной инерционностью, т.е. отличаются друг от друга эффективными массами. В большинстве случаев, следовательно, собственная электропроводность полупроводника имеет слабо преобладающий электронный характер.
3.3. Примесные полупроводники
Для большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники. Поэтому в практике важное значение имеют такие полупроводниковые материалы, у которых ощутимая концентрация собственных носителей заряда наблюдается при достаточно высокой температуре, т.е. с большой шириной запрещенной зоны. Поставщиками свободных носителей зарядов в рабочем интервале температур в таких ПП являются примеси.
Примесями в простых полупроводниках являются чужеродные атомы. В химических же соединениях это не только чужеродные атомы, но и атомы тех самых элементов, избыточные по стехиометрическому составу. Кроме того, роль примесей играют дефекты кристаллической решетки.
Рассмотрим роль примесей, атомы которых создают дискретные энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника.
3.3.1. Донорные примеси
Если в кристаллическую решетку IV валентного элемента ввести атом элемента с валентностью V, то четыре электрона на его внешней оболочке свяжутся с четырьмя атомами IV валентного элемента, а один электрон становится избыточным, слабосвязанным со своим атомом. Он под вличнием тепловой энергии начнет свободно блуждать по полупроводнику, а под воздействием электрического поля он станет направленно перемещаться (электропроводность типа n ), а атом, отдавший электрон, будет неподвижно находиться в данном месте решетки полупроводника.
Рис. 3.2 Схематическое изображение кристаллической решетки Ge с донорной примесью мышьяка.
С точки зрения энергетических диаграмм донорные примеси образуют заполненные энергетические уровни в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости. При этом энергия активации примесных атомов меньше ширины запрещенной зоны, поэтому при нагреве тела переброс электронов примеси будет опережать возбуждение электронов решетки.
Рис. 3.3. Энергетическая диаграмма донорного полупроводника.
3.3.2. Акцепторные примеси
Если в решетку IV валентного полупроводника ввести III элемент, например, бор, то он установит три ковалентные связи с атомами германия, для связи с четвертым атомом германия у атома бора нет электрона. Таким образом, у нескольких атомов германия будет по одному электрону без ковалентной связи. Достаточно теперь небольших внешних воздействий, чтобы эти электроны покинули свои места, образовав дырки у атомов германия. Освободившиеся электроны, захваченные атомами бора, не могут создать электрический ток. А дырки у атомов германия позволяют электронам с соседних атомов перейти на них, освобождая другие дырки. Т.о., положительно заряженная дырка будет перемещаться по кристаллу, а под действием поля возникает примесный дырочный ток.
Рис. 3.4. Схематическое изображение кристаллической решетки Ge с акцепторной примесью In.
С точки зрения зонной теории, акцепторная примесь образует незаполненные энергетические уровни в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны. Тепловое возбуждение будет в первую очередь перебрасывать электроны из валентной зоны на эти энергетические уровни. Ввиду разобщенности атомов примеси, электроны, заброшенные на примесные уровни, не участвуют в образовании электрического тока. Такой полупроводник будет иметь концентрацию дырок, большую концентрации электронов, перешедших из валентной зоны в зону проводимости. И его относят к полупроводнику p-типа.
Рис. 3.5. Энергетическая диаграмма акцепторного полупроводника.
3.3.3. Основные и неосновные носители зарядов
Те носители, концентрация которых в данном полупроводнике больше, носят название основных, а те, которых меньше – неосновных. Так, в полупроводнике n-типа электроны являются основными носителями зарядов, а дырки – неосновными (nn и pn соответственно). Концентрация свободных электронов в зоне проводимости может быть различной. В большинстве случаев используются слаболегированные полупроводники; электроны в этом случае заполняют незначительную часть уровней в зоне проводимости. Такое состояние называют невырожденным. В полупроводнике p-типа основные носители – дырки (pp), а неосновные – электроны (np). Примесная электропроводность для своего появления требует меньших энергетических воздействий (сотые или десятые доли электронвольта), чем собственная, поэтому она обнаруживается при более низкой температуре, чем собственная электропроводность полупроводника. В примесном полупроводнике при данной температуре справедливо соотношение:
p·n = ni2 (3.5)
При нормальной температуре можно считать, что все примеси ионизированы. Тогда, например, в электронном полупроводнике концентрация основных носителей:
nn » Nд, а pn » ni2/Nд
а в дырочном:
pp » Na, a np » ni2/Na.
3.4. Электропроводность полупроводников
Полупроводник, не содержащий примесей, в нормальных условиях обладает так называемой собственной проводимостью или проводимостью типа i. Собственная проводимость обусловлена генерацией пар "электрон-дырка" . Если концентрация электронов в зоне проводимости – ni , а дырок в валентной зоне – pi и ni = pi,то собственная проводимость полупроводника:
σi = ni е (μn + μp) (3.6)
В примесном полупроводнике np, поэтому электропроводность выражается следующей формулой:
σ = е (μnn + μpp) (3.7)
3.5. Воздействие внешних факторов на электропроводность полупроводников
3.5.1. Влияние температуры на электропроводность полупроводников
В широком диапазоне температур и для различного содержания примесей имеют место температурные зависимости концентрации носителей заряда в полупроводнике n-типа, изображенные на рис. 3.6.
Рис.3.6. Типичные зависимости концентрации носителей заряда в полупроводнике от температуры при различной концентрации донорной примеси
В области низких температур участок нижней ломаной между точками а и б характеризует только концентрацию носителей, обусловленную примесями. Наклон прямой на этом участке определяется энергией активации примесей. С увеличением температуры число носителей, поставляемых примесями, возрастает, пока не истощатся электронные ресурсы примесных атомов (точка б). На участке б – в примеси уже истощены, перехода электронов через запрещенную зону еще не обнаруживается. Участок кривой с постоянной концентрацией носителей заряда называют областью истощения примесей. В дальнейшем температура настолько велика, что начинается быстрый рост концентрации носителей вследствие перехода электронов через запрещенную зону ( участок в – и). Наклон этого участка характеризует ширину запрещенной зоны полупроводника. Угол наклона участка а – б зависит от концентрации примесей.
Вторая компонента, обуславливающая электропроводность полупроводников – подвижность носителей заряда. При повышении температуры энергия электронов, а следовательно, и подвижность увеличивается. Но, начиная с некоторой температуры Т усиливаются колебания узлов кристаллической решетки полупроводника, которые мешают перемещению свободных носителей зарядов. Следовательно, их подвижность падает (рис.3.7.).
Рис.3.7. Зависимость подвижности носителей заряда в полупроводниках от температуры.
Рассмотрев влияние температуры на концентрацию и подвижность носителей заряда, можно представить и характер изменения удельной проводимости при изменении температуры (рис.3.8).
Рис.3.8. Кривые зависимости удельной проводимости полупроводников от температуры при различных концентрациях примеси (NД1>NД2>NД3).
В ПП с атомной и ионной кристаллической решеткой подвижность меняется при изменении температуры сравнительно слабо ( по степенному закону), а концентрации – очень сильно ( по экспоненциальному ). Поэтому температурная зависимость удельной проводимости похожа на температурную зависимость концентрации. В области истощения (концентрация постоянна) изменение удельной проводимости обусловлено температурной зависимостью подвижности (рис.3.8).
При Т=0К электроны не обладают подвижностью, поэтому ПП становятся диэлектриками.
3.5.2. Влияние деформации на электропроводность полупроводника
Электропроводность твердых кристаллических тел изменяется от деформации вследствие увеличения или уменьшения межатомных расстояний, приводящего к изменению концентрации и подвижности носителей зарядов. Подвижность носителей изменяется из-за изменения амплитуды колебания узлов кристаллической решетки при их сближении или удалении.
Величиной, численно характеризующей изменение удельной проводимости полупроводников при определенном виде деформации, является тензочувствительность:
(3.8)
которая представляет собой отношение относительного изменения удельного сопротивления полупроводника к относительной деформации в данном направлении.
3.5.3. Влияние света на электропроводность полупроводника
Световая энергия, поглощаемая полупроводником, вызывает появление в нем избыточного (по сравнению с равновесным при данной температуре) количества носителей зарядов, приводящего к возрастанию электропроводности.
Фотопроводимостью называют увеличение электрической проводимости вещества под действием электромагнитного излучения.
Изменение электрических свойств полупроводника под действием электромагнитного излучения носит временный характер. После прекращения облучения проводимость более или менее быстро возвращается к тому значению, которое она имела до облучения. У одних полупроводников это длится микросекунды, у других измеряется минутами и, даже, часами. Знание инерционности фотопроводимости различных полупроводниковых веществ важно при разработке, например, фоторезисторов, к которым предъявляются высокие требования в отношении их быстродействия.
Кроме того, по быстроте возрастания или затухания фотопроводимости соответственно после включения или выключения света, можно определить время жизни t 0 неравновесных носителей заряд в ПП.
Когда мы рассматривали концентрацию носителей заряда в примесном полупроводнике, мы имели в виду равновесную концентрацию, т.е. когда число свободных носителей заряда равно числу ионов примеси.
Под действием различных энергетических воздействий может возникнуть неравновесная концентрация зарядов, т.е. образование дополнительных электронно-дырочных пар. После прекращения этого воздействия электроны и дырки рекомбинируют, и концентрация вновь становится равновесной.
Процесс рекомбинации электронов и дырок может происходить либо прямым путем из зоны в зону, либо косвенным, через локальные энергетические уровни в запрещенной зоне, называемые центрами рекомбинации или ловушками, либо косвенным, через локальные энергетические уровни в запрещенной зоне, называемые центрами рекомбинации или ловушками.
Рис. 3.9. Прямая рекомбинация и рекомбинация (а),
Рис. 3.9. Косвенная рекомбинация, через незаполненные уровни примеси б) и заполненные в).
Второй механизм рекомбинации более вероятен, т.к. здесь движется только один носитель заряда, и вероятность сближения их на расстояние, при котором возможна рекомбинация (» 0,1 нм), значительно выше, чем в случае, когда оба носителя заряда перемещаются по кристаллу.
Ловушки создаются примесями, имеющими энергетические уровни вблизи середины запрещенной зоны полупроводника. Это медь, никель, кобальт, золото. Дефекты решетки, донорные и акцепторные примеси также могут создавать центры рекомбинации.
Итак, время жизни неравновесных носителей зарядов t 0 – время, за которое концентрация их в полупроводнике убывает в 2.7 раза.
Расстояние, на котором в однородном полупроводнике при одномерной диффузии в отсутствие электрического и магнитного полей избыточная концентрация неравновесных носителей уменьшится в 2.7 раза, т.е. среднее расстояние, на которое носители диффундировали за время жизни, называется диффузионной длиной.
Решая уравнение диффузии, можно получить выражение, связывающее диффузионную длину с временем жизни:
Ln = √Dn× tn , Lp = √ Dp· tp (3.9)
где D – коэффициент диффузии носителей заряда соответствующего типа.
3.5.4. Влияние сильных электрических полей на электропроводность полупроводников
В сильных электрических полях нарушается пропорциональность между плотностью тока в полупроводнике и напряженностью внешнего электрического поля:
J = γ× E, (3.10)
где J – плотность тока, γ- коэффициент пропорциональности, Е- напряженность внешнего электрического поля.
Рис. 3.10. Зависимость электропроводности от напряжения электрического поля.
Это является следствием физических процессов, вызывающих изменение удельной проводимости полупроводника. Напряженность поля, которую условно можно принять за границу между областью слабых 1 и сильных 2 полей (рис. 3.10.), называют критической Екр. Эта граница не является резкой и определенной и зависит от природы полупроводника, концентрации примесей и температуры окружающей среды. Для ряда ПП зависимость удельной проводимости от напряженности поля описывается выражением:
γЕ = γ× exp b √Е (3.11)
где γ- удельная проводимость полупроводника при Е< Екр, b - коэффициент, характеризующий полупроводник.
Возрастание проводимости обусловлено ростом числа носителей заряда, т.к. под влиянием поля они более легко освобождаются тепловым возбуждением. При дальнейшем росте поля может появиться механизм ударной ионизации, приводящий к разрушению структуры полупроводника.
3.6. Токи в полупроводниках
3.6.1. Дрейфовый ток
Электроны и дырки в кристалле находятся в состоянии хаотического теплового движения. При возникновении электрического поля на хаотическое движение накладывается компонента направленного движения, обусловленная действием этого поля. В результате электроны и дырки начинают перемещаться вдоль кристалла – возникает электрический ток, который называют дрейфовым.
Рис. 3.12. Перемещение заряженных частиц под действием электрического поля в полупроводнике
3.6.2. Диффузионный ток
Причиной, вызывающей ток в полупроводнике, может быть не только электрическое поле, но и градиент концентрации подвижных носителей заряда.
Если тело электрически нейтрально и в любой его микрообласти суммарный положительный и отрицательный заряд равен нулю, то различие в концентрациях носителей заряда в соседних областях не приведет к появлению электрического тока и электрических сил расталкивания, выравнивающих концентрацию. Но в соответствии с общими законами теплового движения возникнет диффузия микрочастиц из области с большей их концентрацией в область с меньшей, причем плотность диффузионного тока пропорциональна градиенту концентрации носителей заряда:
Jp диф = - е Dp dp/dx, (3.11)
Где Dp – коэффициент диффузии дырок, dp/dx – градиент концентрации дырок, "-" - указывает, что диффузионный дырочный ток направлен в сторону уменьшения концентрации дырок.
Jn диф = e Dn dn/dx. (3.12)
Отсутствие минуса говорит лишь о том, что направление электрического тока, принятого в электротехнике, противоположно направлению потока электронов, а этот поток также движется в сторону уменьшения концентрации.
В общем случае в полупроводнике могут существовать и электрическое поле, и градиент концентрации носителей заряда. Тогда ток в полупроводнике будет иметь как дрейфовую, так и диффузионную составляющие.
3.7. Германий
Существование и основные свойства германия проедсказал в 1870г Д.И.Менделеев, назвав его экосилицием. В 1886г немецкий химик Винклер обнаружил в минеральном сырье новый элемент, который назвал германием. Германий оказался тождественным экосилицию. Открытие германия явилось торжеством Периодического закона Д.И.Менделеева.
Германий относится к числу сильно рассеянных элементов, т.е. часто встречающихся в природе, но присутствует в различных минералах в очень небольших количествах. Его содержание в земной коре составляет около 7·10-4 %, что примерно равно природным запасам таких распространенных металлов, как олово и свинец и существенно превышает количество серебра, кадмия, ртути, сурьмы и др. Тем не менее, получение германия в элементарном виде вызывает большие затруднения. В настоящее время основными источниками промышленного получения германия являются побочные продукты цинкового производства, коксования углей, а также германиевые концентраты, получаемые из медносвинцовоцинковых руд.
Чистый германий обладает металлическим блеском, характеризуется относительно высокой твердостью и хрупкостью, подобно кремнию, он кристаллизуется в структуру алмаза.
Кристаллический германий химически устойчив на воздухе при комнатной температуре. При нагревании его до 650°С он окисляется с образованием двуокиси GeO2.
При комнатной температуре германий не растворяется в воде, соляной и разбавленной серной кислотах. Активные растворители – смесь азотной и плавиковой кислот.
Германий обладает относительно невысокой температурой плавления - 936°С и ничтожно малым давлением насыщенного пара при этой температуре. Ширина запрещенной зоны при изменении температуры изменяется по линейному закону.
Для изготовления полупроводниковых приборов применяют германий с определенными добавками электрически активных примесей. На основе германия выпускается широкая номенклатура приборов самого различного назначения и, в первую очередь, диодов и транзисторов.
Выпрямительные плоскостные диоды рассчитаны на прямые токи от 0.3 до1000 А при падении напряжения не более 0.5 В. Недостатком германиевых диодов являются достаточно невысокие обратные напряжения. Германиевые транзисторы могут быть низко и высокочастотными (НЧ и ВЧ), мощными и маломощными.
Германий используют также для создания лавинно-пролетных и туннельных диодов, варикапов, точечных ВЧ, импульсных и СВЧ-диодов. 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.
Оптические свойства германия позволяют использовать его для изготовления фототранзисторов и фотодиодов, оптических линз с большой светосилой, оптических фильтров, а также счетчиков ядерных частиц. Рабочий диапазон германиевых приборов от -60°С до +70°С.
3.8. Кремний
В противоположность германию, кремний является одним из самых распространенных элементов в земной коре, где его содержится 29.5% по массе. По распространенности кремний занимает второе место после кислорода. Многочисленные соединения кремния входят в большинство горных пород и минералов. Песок и глина также представляют собой соединения кремния.
Исходным сырьем при получении кремния является кремнезем, из которого кремний восстанавливают углеродосодержащим материалом в электрических печах.
Кремний кристаллизуется в структуру алмаза с несколько меньшим, чем у германия периодом идентичности кристаллической решетки. Меньшие, чем у германия расстояния между атомами в решетке обуславливают более сильную ковалентную связь и, как следствие этого, более широкую запрещенную зону.
В химическом отношении кремний является относительно инертным веществом. Он не растворим в воде, не реагирует со многими кислотами в любой концентрации. Растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот и в кипящих щелочах. Кремний устойчив на воздухе при нагревании до 900°С. Выше этой Т° он начинает активно окисляться с образованием двуокиси кремния SiO2.
Кремний обладает сравнительно высокой температурой плавления и в расплавленном состоянии отличается высокой химической активностью.
Благодаря более широкой запрещенной зоне собственное удельное сопротивление кремния на три с лишним порядка превосходит собственное сопротивление германия.
Кремний является базовым материалом при изготовлении планарных транзисторов и интегральных микросхем.
Несмотря на интенсивное развитие интегральной микроэлектроники, в общем объеме выпуска ПП изделий значительную долю составляют кремниевые дискретные приборы. Из кремния изготавливают выпрямительные, импульсные и СВЧ-диоды, НЧ и ВЧ, мощные и маломощные биполярные транзисторы, полевые транзисторы и приборы с зарядовой связью. Рабочие частоты планарных транзисторов достигают 10 ГГц.
Кремниевые плоскостные выпрямительные диоды могут выдерживать обратные напряжения до 1500 В, существенно превосходя по этим параметрам германиевые. Из кремния изготавливают большинство стабилитронов и тиристоров. Кремниевые стабилитроны в зависимости от степени легирования материала имеют напряжение стабилизации от 3 до 400 В.
Широкое применение в технике нашли кремниевые фоточувствительные приборы, особенно фотодиоды, отличающиеся высоким быстродействием. Для системы энергоснабжения космических аппаратов используются кремниевые солнечные батареи.
Подобно германию, кремний используется для изготовления детекторов ядерных излучений, датчиков Холла и тензодатчиков.
Благодаря более широкой запрещенной зоне, кремниевые приборы могут работать при более высоких температурах, чем германиевые. Верхний предел для них 180-200°С.
3.9. Полупроводниковые соединения типа АIIIВV
Соединения типа АIIIВV являются ближайшими электронными аналогами германия и кремния. Они образуются в результате соединения элементов III группы Периодической системы (бора, алюминия, галлия и индия) с элементами V группы (азотом, фосфором, мышьяком и сурьмой). Висмут и таллий не образуют соединений рассматриваемого ряда.
Соединения АIIIВV принято классифицировать по металлоидному признаку. Соответственно различают нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды.
Многообразие свойств полупроводников типа АIIIВV обуславливает их широкое применение в приборах и устройствах различного технического назначения. Особый интерес к этой группе материалов был вызван потребностями оптоэлектроники в быстродействующих источниках и приемниках излучения. Инжекционные лазеры и светодиоды на основе ПП АIIIВV характеризуются высокой эффективностью преобразования электрической энергии в электромагнитное излучение.
Большой набор значений ширины запрещенной зоны у этих полупроводников позволяет создавать на их основе различные виды фотоприемников, перекрывающих широкий диапазон спектра. Среди них наибольшее распространение получили фотодиоды и фотоэлементы.
Арсенид галлия (GaAs) потенциально является одним из лучших фоточувствительных материалов для применения в солнечных батареях.
Антимонид индия (InSb) имеет важное техническое значение для изготовления приемников инфракрасного излучения.
GaAs, InSb применяются для изготовления туннельных диодов. По сравнению с германиевыми диодами, приборы из арсенида галлия характеризуются более высокой рабочей температурой, а диоды из антимонида индия обладают лучшими частотными свойствами при низких температурах.
Прогресс в технологии арсенида галлия, достигнутый за последние годы, открыл широкие перспективы применения этого материала для создания полевых транзисторов и быстродействующих интегральных схем. По сравнению с кремнием GaAs является более технологически сложным материалом. Однако совершенствование технологии различных процессов, разработка новых методов осаждения защитных слоев позволяют реализовать возможности GaAs в повышении степени интеграции и быстродействия ИМС.
3.9.1. Твердые растворы на основе соединений типа АIIIВV
Твердые растворы позволяют существенно расширить по сравнению с элементарными полупроводниками и ПП соединениями набор электрофизических параметров, определяющих возможности применения материалов в конкретных полупроводниковых приборах.
Особый интерес к твердым растворам обусловлен возможностью плавного управления шириной запрещенной зоны полупроводников путем изменения их компонентного состава.
Твердые растворы открывают широкие возможности создания гетеропереходов и приборов на их основе. Под гетеропереходом понимают контакт двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. Решающим критерием при выборе материала контактной пары является соответствие периодов их кристаллических решеток и температурных коэффициентов их линейного расширения
3.10. Полупроводниковые соединения типа АIIВVI
К соединениям этого типа относят халькогениды цинка, кадмия и ртути. Среди них можно выделить сульфиды, селениды и теллуриды. Но окислы этих металлов сюда не входят.
С ростом атомной массы во всех этих рядах уменьшается ширина запрещенной зоны и температура плавления соединений. Одновременно возрастает подвижность носителей заряда.
Из всех соединений типа АIIВVI по масштабам применения выделяют сульфид цинка ZnS и сульфид кадмия CdS. Первый является основой для многих промышленных люминофоров, второй широко используется для изготовления фоторезисторов.
Помимо сульфида кадмия для изготовления фоторезисторов, чувствительных к видимому излучению, испльзуют пленки и спеченные порошкообразные соли селенида кадмия CdSe.
Узкозонные полупроводники типа АIIВVI представляют интерес для создания приемников ИК-излучения. Пленки из селенида и теллурида ртути применяют для изготовления высокочувствительных датчиков Холла. Монокристаллы этих соединений используют в качестве рабочего тела полупроводниковых лазеров, возбуждаемых электрическим пучком.
3.11. Полупроводниковые соединения типа АIVВVI
Среди полупроводниковых соединений этого типа наиболее изученными являются халькогениды свинца (PbS, PbSe, PbTe). Как узкозонные полупроводники они применяются в качестве детекторов ИК-излучений.
Большой научный и практический интерес представляют твердые растворы на основе теллуридов свинца и олова. Одна из главных причин повышенного интереса к этим материалам связана с использованием их для изготовления фотоприемников с высокой спектральной чувствительностью в диапазоне "атмосферного окна" 8 - 14 мкм, которое соответствует максимуму излучения абсолютно черного тела при 300К.
Перспективно использование твердых растворов для инжекционных лазеров в спектральном диапазоне до 30 мкм.
4. Магнитные материалы
Магнитные материалы в электро и радиосвязи играют столь же важную роль, как проводниковые и диэлектрические материалы. В электрических машинах, трансформаторах, дросселях, электрорадиоаппаратуре и измерительных приборах всегда в том или ином виде используют магнитные материалы: в качестве магнитопровода, в виде постоянных магнитов или для экранирования магнитных полей.
Любое вещество, будучи помещенным в магнитное поле, приобретает некоторый магнитный момент М. Магнитный момент единицы объема называют намагниченностью Jм:
Jм=M/V. (4.1)
Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля:
Jм=kмH, (4.2)
где kм – безразмерная величина, характеризующая способность данного вещества намагничиваться в магнитном поле и называемая магнитной восприимчивостью.
Первопричиной магнитных свойств вещества являются внутренние скрытые формы движения электрических зарядов, представляющие собой элементарные круговые токи, обладающие магнитными моментами. Такими токами являются орбитальные спины и орбитальное вращение электронов в атоме. Магнитные моменты протонов и нейтронов примерно в 1000 раз меньше магнитного момента электрона, поэтому магнитные свойства атома целиком определяются электронами, магнитным моментом ядра можно пренебречь.
4.1. Классификация веществ по магнитным свойствам
По реакции на внешнее магнитное поле и по характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно разделить на пять групп:
- диамагнетики;
- парамагнетики;
- ферромагнетики;
- антиферромагнетики;
- ферримагнетики.
Диамагнетики – магнитная проницаемость m меньше единицы и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля.
Диамагнетизм обусловлен небольшим изменением угловой скорости орбитального вращения электрона при внесении атома в магнитное поле.
Диамагнитный эффект является универсальным, присущим всем веществам. Однако в большинстве случаев он маскируется более сильными магнитными эффектами.
К диамагнетикам относят инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть и др.), большинство полупроводников и органических соединений. Диамагнетики – все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии.
Внешним проявлением диамагнетизма является выталкивание диамагнетиков из неоднородного магнитного поля.
Парамагнетики – вещества с m больше единицы, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля.
Внешнее магнитное поле вызывает преимущественную ориентацию магнитных моментов атомов в одном направлении.
Парамагнетики, помещенные в магнитное поле, втягиваются в него.
К числу парамагнетиков относятся: кислород, окись азота, щелочные и щелочно-земельные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.
Парамагнитный эффект по физической природе во многом сходен с дипольно-релаксационной поляризацией диэлектриков.
К ферромагнетикам относят вещества с большой магнитной проницаемостью (до106), сильно зависящей от напряженности внешнего магнитного поля и температуры.
Ферромагнетикам присуща внутренняя магнитная упорядоченность, выражающаяся в существовании макроскопических областей с параллельно ориентированными магнитными моментами атомов. Важнейшая особенность ферромагнетиков заключается в их способности намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях.
Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры Т° спонтанно возникает антипараллельная ориентация магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки
При нагревании антиферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (Ce, Nd, Sm, Tm и др.)
К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Магнитная проницаемость у них высока и сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.
Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные металлические сплавы, но, главным образом – различные оксидные соединения, а главный интерес представляют ферриты.
Диа-, пара- и антиферромагнетики можно объединить в группу слабомагнитных веществ, тогда как ферро- и ферримагнетики представляют собой сильномагнитные материалы и представляют наибольший интерес.
4.2. Магнитные характеристики материалов
Поведение ферромагнитного материала в магнитном поле характеризуется начальной кривой намагничивания:
Рис. 4.1. Начальная кривая намагничивания.
Показывающей зависимость магнитной индукции В в материале от напряженности магнитного поля Н.
Свойства магнитных материалов оценивают магнитными характеристиками. Рассмотрим основные из них.
4.2.1. Абсолютная магнитная проницаемость
Абсолютная магнитная проницаемость m а материала представляет собой отношение магнитной индукции В к напряженности магнитного поля Н в заданной точке кривой намагничивания для данного материала и выражается в Гн/м:
m а=В/Н (4.3)
Относительная магнитная проницаемость материала m есть отношение абсолютной магнитной проницаемости к магнитной постоянной:
m =m а/m о (4.4)
μ0 – характеризует магнитное поле в вакууме (m0=1.256637·10-6 Гн/м).
Абсолютная магнитная проницаемость применяется только для расчетов. Для оценки же свойств магнитных материалов используют m, не зависящую от выбранной системы единиц. Ее называют магнитной проницаемостью. Магнитная проницаемость зависит от напряженности магнитного поля:
Рис. 4.2. Зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля.
Различают начальную m н и максимальную магнитную проницаемость m м. Начальную измеряют при напряженностях магнитного поля, близких к нулю.
Большие значения m н и m м показывают, что данный материал легко намагничивается в слабых и сильных магнитных полях.
4.2.2. Температурный коэффициент магнитной проницаемости
Температурный коэффициент магнитной проницаемости ТКm позволяет оценить характер изменения m в зависимости
ТКμ= ( μ2 - μ1)/ μ1(Т2 – Т1) [1/°]
Типичная зависимость μ от Т° приведена на рис.4.3.
Рис.4.3. Типичная зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от температуры
Т°, при которой μ падает почти до нуля называется температурой Кюри Тк. При Т > Тк процесс намагничивания расстраивается из-за интенсивного теплового движения атомов и молекул материала, следовательно, материал перестает быть ферромагнитным.
Так, для чистого железа Тк = 768°C для никеля Тк = 358°C для кобальта Тк = 1131°C
4.2.3. Индукция насыщения
Индукция Вs, характерная для всех магнитных материалов, называется индукцией насыщения (см.рис.4.4). Чем больше Вs при заданной Н, тем лучше магнитный материал.
Если образец магнитного материала намагничивать, непрерывно повышая напряженность магнитного поля Н, магнитная индукция В тоже будет непрерывно возрастать по кривой начального намагничивания 1:
Рис.4.4. Петля гистерезиса магнитного материала
Эта кривая заканчивается в точке, соответствующей индукции насыщения Вs. При уменьшении Н индукция тоже будет уменьшаться, но начиная с величины Вm значения В не будут совпадать с начальной кривой намагничивания.
4.2.4. Остаточная магнитная индукция
Остаточная магнитная индукция Вr наблюдается в ферромагнитном материале, когда Н=0. Для размагничивания образца надо, чтобы напряженность магнитного поля изменила свое направление на противоположное – Н. Напряженность поля, при которой индукция становится равной нулю, называется коэрцитивной силой Нс. Чем больше Нс, тем в меньшей степени материал способен размагничиваться.
Если после размагничивания материала намагничивать его в противоположном направлении, образуется замкнутая петля, которую называют предельной петлей гистерезиса – петля, снятая при плавном изменении напряженности магнитного поля от +Н до –Н, когда магнитная индукция становится равной индукции насыщения Вs.
4.2.5. Удельные потери на гистерезис
Это потери Pг, затрачиваемые на перемагничивание единицы массы материала за один цикл [Вт/кг]. Их величина зависит от частоты перемагничивания и значения максимальной индукции. Они определяются (за один цикл) площадью петли гистерезиса.
4.2.6. Динамическая петля гистерезиса
Она образуется при перемагничивании материала переменным магнитным полем и имеет большую площадь, чем статическая, т.к. при действии переменного магнитного поля кроме потерь на гистерезис возникают потери на вихревые токи и магнитное последействие (отставание по времени параметров от Н), которое определяется магнитной вязкостью материала.
4.2.7. Потери энергии на вихревые токи
Потери энергии на вихревые токи Рв зависят от удельного электрического сопротивления материала ρ. Чем больше ρ, тем меньше потери. Рв также зависят от плотности материала и его толщины. Они пропорциональны квадрату амплитуды магнитной индукции Вm и частоты f переменного поля.
4.2.8. Коэффициент прямоугольности петли гистерезиса
Для оценки формы гистерезисной петли пользуются коэффициентом прямоугольности петли гистерезиса:
Кп = Вr /Вm (4.6)
Чем больше Кп, тем прямоугольнее петля. Для магнитных материалов, применяемых в автоматике и ЗУ ЭВМ, Кп = 0.7-0.9.
4.2.9. Удельная объемная энергия
Это характеристика, применяемая доля оценки свойств магнитно-твердых материалов, выражается формулой:
Wм = 1/2(Bd·Hd), (4.7)
где Bd и Hd соответственно индукция и напряженность магнитного поля, соответствующие максимальному значению удельной объемной энергии (рис.4.5).
Рис.4.5. Кривые размагничивания и магнитной энергии
Чем больше объемная энергия, тем лучше магнитный материал и постоянный магнит, из него изготовленный.
4.3. Классификация магнитных материалов
Согласно поведению в магнитном поле все магнитные материалы делятся на две основные группы – магнитно-мягкие (МММ) и магнитно-твердые (МТМ). МММ характеризуются большими значениями начальной и максимальной магнитной проницаемостью и малыми значениями коэрцитивной силы (меньше 4000 А/м). Они легко намагничиваются и размагничиваются, отличаются малыми потерями на гистерезис.
Чем чище МММ, тем лучше его магнитные характеристики.
МТМ обладают большой коэрцитивной силой (больше 4000А/м) и остаточной индукцией (больше 0.1 Тл). Они с большим трудом намагничиваются, но зато могут долго сохранять магнитную энергию, т.е. служить источниками постоянного магнитного поля.
По составу все магнитные материалы делятся на
- металлические
- неметаллические
- магнитодиэлектрики.
Металлические магнитные материалы это чистые металлы (железо, кобальт, никель) и магнитные сплавы некоторых металлов.
Неметаллические магнитные материалы – ферриты, получаемые из порошкообразной смеси окислов железа и окислов других металлов. Опрессованные ферритовые изделия подвергаются отжигу, в результате чего они превращаются в твердые монолитные детали.
Магнитодиэлектрики представляют собой композиционные материалы, состоящие из 60-80% порошкообразного магнитного материала и 40-20% диэлектрика.
Ферриты и магнитодиэлектрики отличаются от металлических магнитных материалов большими ρ(102-108 Ом·м), от чего потери на вихревые токи малы. Это позволяет использовать их в высокочастотной технике. Кроме того, ферриты обладают большой стабильностью магнитных параметров в широком диапазоне частот (включая СВЧ).
4.4. Металлические магнитно-мягкие материалы
Основными магнитно-мягкими материалами, применяемыми в радиоэлектронной аппаратуре, являются карбонильное железо, пермаллои, альсиферы и низкоуглеродистые кремнистые стали.
4.4.1. Карбонильное железо
Представляет собой тонкодисперсный порошок, состоящий из частиц сферической формы диаметром 1–8 мкм.
μн = 2500 – 3000 μм = 20000 – 21000 Нс = 4.5 – 6.2 А/м
Его применяют при изготовлении высокочастотных магнитодиэлектрических сердечников.
4.4.2. Пермаллои
Пластичные железоникелевые сплавы с содержанием никеля 45–80%, легко прокатываются в тонкие листы и ленты, толщиной до 1 мкм. При содержании никеля 45–50% называются низконикелевыми, 60–80% - высоконикелевыми.
μн = 2000 – 14000 μм = 50000 – 270000 Нс = 2 – 10 А/м ρ = 0.25 – 0.45 мкОм·м
Для улучшения магнитных характеристик в пермаллои вводят молибден, хром, кремний или медь, отжигают в водороде или вакууме, при помощи турбомолекулярных насосов.
Легированные пермаллои применяют для деталей аппаратуры, работающих на частотах 1–5 МГц. В магнитных усилителях применяют пермаллои с прямоугольной петлей гистерезиса.
4.4.3. Альсиферы
Представляют собой нековкие, хрупкие сплавы, состоящие из 5.5–13% алюминия, 9–10% кремния, остальное – железо.
μн = 6000 – 7000 μм = 30000 – 35000 Нс = 2.2 А/м ρ = 0.8 мкОм·м
Из него изготовляют литые сердечники, работающие в диапазоне до 50 кГц.
4.4.4. Низкоуглеродистые кремнистые стали
Представляют собой сплавы железа с 0.8–4.8% кремния, содержание углерода не более 0.08%. Это сравнительно дешевый материал. Введение большого количества кремния улучшает магнитные свойства материала, но повышает его хрупкость (поэтому кремния не более 4.8%).
Листы кремнистой стали изготавливают прокаткой заготовок в нагретом и ненагретом состояниях, поэтому различают горячекатанную и холоднокатанную сталь.
Улучшенные магнитные характеристики холоднокатанных сталей наблюдаются только при совпадении направления магнитного потока с напрвлением пркатки. В противном случае свойства горячекатанных сталей выше.
Таблица 4.1. Стали применяют в менее ответственных узлах РЭА.
|
μн |
μм |
Нс, А/м |
|
|
Горячекатанная |
300 - 400 |
6000 - 8000 |
31 – 33 |
|
холоднокатанная |
600 - 900 |
2000 - 35000 |
9.5 – 14 |
4.5. Металлические магнитно-твердые материалы
По составу, состоянию и способу получения магнитно-твердые материалы подразделяются на:
- легированные стали, закаливаемые на мартенсит;
- литые магнитно-твердые сплавы;
- магниты из порошков;
- магнитно-твердые ферриты;
- пластически деформируемые сплавы и магнитные ленты.
Характеристиками материалов для постоянных магнитов служат коэрцитивная сила, остаточная индукция и максимальная энергия, отдаваемая магнитом во внешнее пространство. Магнитная проницаемость материалов для постоянных магнитов ниже, чем МММ, причем чем выше коэрцитивная сила, тем меньше магнитная проницаемость.
4.5.1. Легированные стали, закаливаемые на мартенсит
Данные стали являются наиболее простым и доступным материалом для постоянных магнитов. Они легируются вольфрамом, хромом, молибденом и кобальтом. Величина Wм для мартенситных сталей составляет 1–4 кДж/м3. В настоящее время мартенситные стали имеют ограниченное применение из-за невысоких магнитных свойств, но полностью от них не отказываются, т.к. они дешевы и допускают механическую обработку на металлорежущих станках.
4.5.2. Литые магнитно-твердые сплавы
Большую магнитную энергию имеют тройные сплавы Al-Ni-Fe, которые раньше называли сплавами альни. При добавлении кобальта или кремния в эти сплавы их магнитные свойства повышаются. Недостатком этих сплавов является трудность изготовления из них изделий точных размеров вследствие хрупкости и твердости их, допускающих обработку только путем шлифовки.
4.5.3. Магниты из порошков
Необходимость получения особенно мелких изделий со строго выдержанными размерами обусловила привлечение методов порошковой металлургии для получения постоянных магнитов. При этом различают металлокерамические магниты и магниты из зерен порошка, скрепленных тем или иным связующим (металлопластические магниты).
4.5.4. Пластически деформируемые сплавы и магнитные ленты
К таким сплавам относятся викаллой, кунифе, кунико и некоторые другие. Основные представления об этих сплавах приведены в табл.4.2.
Таблица 4.2.
|
Марка сплава |
Хим. Состав %, ост. Fe |
Вr, Тл |
Нс, кА/м |
Wм, КДж/м3 |
|
Викаллой I |
51-54 Со 10-11.5 V |
0.9 |
24 |
4 |
|
Викаллой II |
51-54 Со 11.5-13 V |
0.9-0.95 |
30-28 |
8-14 |
|
Кунифе I |
60Cu,20Ni |
0.54-0.6 |
27-28 |
4-7.4 |
|
Кунифе II |
50Cu,20Ni 2.5Co |
0.73 |
21 |
2.8-3.2 |
|
Кунико I |
50Cu,21Ni, 29Co |
0.34 |
53-57 |
3.2-4 |
|
Кунико II |
35Cu,41Co |
0.53 |
36 |
4 |
4.6. Ферриты
Это соединения оксида железа Fe2O3 с оксидами других металлов: ZnO, NiO. Ферриты изготавливают из порошкообразной смеси оксидов этих металлов.
Название ферритов определяется названием одно-, двухвалентного металла, оксид которого входит в состав феррита:
Если ZnO – феррит цинка
NiO – феррит никеля.
Ферриты имеют кубическую кристаллическую решетку, подобную решетке шпинели, встречающейся в природе: MgO·Al2O3. Большинство соединений указанного типа, как и природный магнитный железняк FeO·Fe2O3, обладает магнитными свойствами. Однако феррит цинка и феррит кадмия являются немагнитными. Исследования показали, что наличие или отсутствие магнитных свойств определяется кристаллической структурой этих материалов, и в частности расположением ионов двухвалентных металлов и железа между ионами кислорода. В случае структуры обычной шпинели, когда в центре кислородных тетраэдров расположены ионы Zn++ или Cd++, магнитные свойства отсутствуют. При структуре так называемой обращенной шпинели, когда в центре кислородных тетраэдров расположены ионы Fe+++, материал обладает магнитными свойствами. Ферриты, в состав которых кроме оксида железа входит только один оксид, называется простым. Химическая формула простого феррита:
MeOxFe2O3 или MeFe2O4
Феррит цинка – ZnFe2O4, феррит никеля – NiFe2O4.
Не все простые ферриты обладают магнитными свойствами. Так CdFe2O4 является немагнитным веществом.
Наилучшими магнитными характеристиками обладают сложные или смешанные ферриты, представляющие твердые растворы одного в другом. В этом случае используются и немагнитные ферриты в сочетании с простыми магнитными ферритами. Общая формула широко распространенных никель-цинковых ферритов имеет следующий вид:
mNiO·Fe2O3 + nZnO·Fe2O3 + pFeO·Fe2O3, (4.8)
где коэффициенты m, n и p определяют количественные соотношения между компонентами. Процентный состав компонентов играет существенную роль в получении тех или иных магнитных свойств материала.
Наиболее широко в РЭА применяют смешанные магнитно-мягкие ферриты: никель-цинковые, марганец-цинковые и литий-цинковые.
Достоинства ферритов – стабильность магнитных характеристик в широком диапазоне частот, малые потери на вихревые токи, малый коэффициент затухания магнитной волны, а также простота изготовления ферритовых деталей.
Недостатки всех ферритов – хрупкость и резко выраженная зависимость магнитных свойств от температуры и механических воздействий.
4.7. Магнитодиэлектрики
Это композиционные материалы, состоящие из мелкодисперсных частиц магнитно-мягкого материала, соединенных каким-либо органическим или неорганическим диэлектриком. В качестве мелкодисперсных МММ применяют карбонильное железо, альсиферы и некоторые сорта пермаллоев. В качестве диэлектрика – эпоксидные или бакелитовые смолы, полистирол, жидкое стекло и др.
Назначение диэлектриков не только в том, чтобы соединять частицы магнитного материала, но и создать между ними электроизоляционные прослойки и тем самым повысить электрическое сопротивление магнитодиэлектрика. Это резко снижает потери на вихревые токи и дает возможность работать на частотах 10–100 МГц (в зависимости от состава).
Магнитные характеристики магнитодиэлектриков несколько ниже исходных ферромагнитных наполнителей. Несмотря на это магнитодиэлектрики применяют для изготовления сердечников ВЧ узлов РЭА. Это обусловлено большой стабильностью магнитных характеристик и возможностью изготовления из них сердечников сложной формы. Кроме того, изделия из диэлектриков отличаются высокой чистотой поверхности и точностью размеров.
Лучшие магнитодиэлектрики – с наполнителями: молибденовым пермаллоем или карбонильным железом.
Список рекомендуемой литературы
Основная литература:
- Демаков Ю.П., Радиоматериалы и радиокомпоненты ч.1; Радиотехнические материалы - Б.М., 1997г.
- Демаков Ю.П., Радиоматериалы и радиокомпоненты ч.2; Компоненты электонных схем. Характеристики. Применение, расчет - Б.М., 1997г.
- Тихомиров Н.Н. Радиоматериалы и радиокомпоненты. Учебное пособие - М.. 1999г.
Дополнительная литература:
- Голев И.М., радиоматериалыю.: Учебное пособие - Воронеж 1994г.- 91с.
- Хандогин М.С., Учебное пособие по курсу "Радиоматериалы, радиокомпоненты и основы микроэлектроники" - Минск: МРТИ, 1991г.-141с.
- Свитенко В.Н., Элементы и компоненты РЭУ. Радиоматериалы.:Учебное пособие для специальности "Радиотехника" - Киев 1990г. - 93с.
- Конструкционные и электротехнические материалы под редакцией В.А.Филипова М.:Высшая школа, 1990г.
- Никулин Н.В., Электроматериаловедение М.: М.:Высшая школа, 1989г.
- Пасынков В.В., СорокинВ.С., Материалы электронной техники. М.: М.:Высшая школа, 1986г.
- Богородицкий Ш.П. и др., Электротехнические материалы. Ленинград: Энергоатомиздат, 1985г.
- Калинин Н.Н. и др., Электроматериалы. М.: М.:Высшая школа, 1981г.
- Угай Я.А. Введение в химию проводников. М.: М.:Высшая школа, 1975г.
- Казрновский Д.И., Мианов С.А., Радеотехнические материалы. М.: М.:Высшая школа, 1972г.
- Электроматериалы. Под редакцией Тареева Б.М. Учебное пособие для студентов - М.: М.:Высшая школа, 1978г.