Тема 3 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОВОДНИКАХ, ПОЛУПРОВОДНИКАХ, ДИЭЛЕКТРИКАХ И МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛАХ

Дата 26.11. 2020

Преподаватель Левицкая О.И

18494 Слесарь по КИП и А 19861 «Электромонтер по ремонту и обслуживанию электрооборудования» (первичная подготовка)

ОП 06 Материаловедение

Задание:

1. Изучите и проработайте теоретические сведения темы.

2 Приведите ответы на контрольные вопросы. Выполнение задания присылать на электронный адрес в ВК: https://vk.com/id280227342

Занятие 5,6

Тема 3 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОВОДНИКАХ, ПОЛУПРОВОДНИКАХ, ДИЭЛЕКТРИКАХ И МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛАХ

Цели:

- ознакомиться с основными свойствами электротехнических материалов;

- рассмотреть и изучить особенности применения электротехнических материалов;

Задачи:

- иметь общее представление о свойствах и области применения электротехнических материалов;

- научиться применять требования нормативных документов к основным видам продукции и процессов.

План

1 Общие сведения о проводниках.

2 Общие сведения о полупроводниках.

3 Общие сведения о диэлектриках.

4 Общие сведения о магнитных материалах.

1 Проводниковые материалы отличаются большой удельной проводимостью и используются в электротехнических устройствах как проводники электрического тока: обмотки электрических машинах, контактные узлы, провода и кабели для передачи и распределения электрической энергии и т.п.

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкие, и при определенных условиях и газы.

Механизм электропроводности в металлах (в твердом и жидком состоянии) обусловленный направленным движением свободных электронов под влиянием электрического поля, их принято называть проводниками с электронной проводимостью или проводниками 1-го рода. В проводниках 2-го рода или электролитах, к которым относят растворы, в том числе и водные, кислот, щелочей и солей, прохождение тока связано с перенесением вместе с электрическими зарядами ионов вещества соответственно законам Фарадея. При этом состав электролита постепенно изменяется, и на электродах выделяются продукты электролиза. Следует отметить, что ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются проводниками 2-го порядка.

Среди твердых проводниковых материалов наиболее часто применяют металлы и их сплавы.

По удельному электрическому сопротивлению ρ металлические проводниковые материалы можно разделить на такие группы:

- метали высокой проводимости, в которых ρ при нормальной температуре составляет не более 0,05 мкОм м (обмоточные, монтажные провода, жили кабелей разного назначения, шины);

- метали высокого сопротивления, которыеимеют при тех же температурных условий ρ не менее 0,3 мкОм м (резисторы, электронагревательные приборы, нити ламп накаливания и т.п.);

- сверхпроводники и криопроводники -этоматериалы, которые обладают ничтожно малое удельное сопротивление при температурах, близких к абсолютному нулю.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Большинства металлов имеют достаточно высокую температура плавления и поэтому являются жидкими проводниками при повышенных температурах. Среди металлов только ртуть, имеющая температуру плавления около – 39⁰С, может быть использована в качестве жидкого металлического проводника при нормальной температуре.

Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низкой напряженности электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля будет выше некоторой критической величины, обуславливающей начало ударной и фотоионизации, то газ становится проводником с электронной и ионной электропроводностью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, которая называется плазмой.

2 Полупроводники по удельному сопротивлению, которое при комнатной температуре лежит в пределах 10^-6 – 10⁹ Ом×см, занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Полупроводники имеют ряд характерных только для них свойств, которые резко отличаются от проводников:

- в большом интервале температур их удельное сопротивление уменьшается, т.е. они имеют отрицательный температурный коэффициент удельного сопротивления;

- при введении в полупроводник очень малого количества примесей их удельное сопротивление резко изменяется;

- полупроводники чувствительны к разного рода внешним влияниям - света, ядерного излучения, электрического и магнитного полей, давления и т.д.

Полупроводниковыми свойствами обладает целый ряд материалов - естественных и синтетических, органических и неорганических, простых и сложных по химическому составу. Полупроводниками являются сложные соединения разных элементов таблицы Д.И. Менделеева.

Полупроводниковые материалы, которые используются на практике, могут быть разделенные на простые полупроводники (элементы, германий, кремний, селен, теллур, бор, углерод, фосфор, сера, сурьма, мышьяк, серое олово, йод и т.д.), полупроводниковые химические соединения (соединение различных элементов таблицы Менделеева, соответствующие общим формулам: двойные (бинарные соединения, тройные соединения, твердые растворы.) и полупроводниковые комплексы (например, керамические полупроводники: тирит, силит и др.). К органическим полупроводникам относятся фталоцианин, актрацин, нафталин, коронел и др

Изготовленные из полупроводниковых материалов приборы имеют ряд преимуществ: большой срок службы, малые габариты и масса, простота и надежность конструкции, большая механическая прочность (не боятся тряски и ударов), потребление малой мощности и малая инерционность, экономичность при массовом производстве.

Согласно зонной теории электропроводимость полупроводников отличается малой шириной запрещенной зоны. Благодаря чему под влиянием поглощения некоторого количества энергии отдельные возбужденные электроны могут быть перекинуты через запрещенную зону в зону проводимости что вызывает эффект электронной проводимости. На месте электронов, которые покинули заполненную зону, остаются свободные места - "электронные дырки". Место этих дырок будут занимать другие электроны заполненной (валентной) зоны. Таким образом, свободное место - дырка будет перемещаться в направлении электрического поля, создавая эффект движения положительного заряда.

Электропроводимость чистых полупроводников носит в основному электронный характер; эффект дырчатой электропроводности, эквивалентной электропроводимости положительными зарядами, выражен слабо.

Такая особенность приводит к исключительной чувствительности проводимости полупроводников к разным примесям, включая излишек или недостаток атомов одного из элементов, образующих полупроводниковые химические соединение: кислорода в оксидах, углерода в карбидах, серы в сульфатах и т.д.

Как и в металлах, электрический ток в полупроводниках связан с дрейфом носителей заряда. Но если в металлах наличие свободных электронов обусловлено самой природой металлической связи, то появление носителей заряда в полупроводниках определяется рядом факторов, важнейшими из которых является чистота материала и температура. В зависимости от степени чистоты полупроводники делятся на собственные и примесные.

Полупроводник, в котором в результате разрыва связей образовывается равное количество свободных электронов и дырок, называется собственным. В кристалле собственного полупроводника каждому электрону в зоне проводимости соответствует одна дырка, оставленная им в валентной зоне. В этом случае свободный электрон имеет энергию, большую чем ту, которую он имел в связанном состоянии, на величину не меньше энергии ширины запрещенной зоны. Поскольку при каждом акте возбуждения в собственном полупроводнике одновременно создаются два носителя заряда противоположных знаков, и общее количество носителей заряда будет в два раза больше числа электронов в зоне проводимости.

Полупроводник, который имеет примеси, называется примесным, а проводимость, созданная введенной примесью, называется примесной проводимостью. Понятие примеси здесь довольно широкое, речь идет не только о наличии в данном веществе атомов абсолютно посторонних веществ (чужих атомов), но об излишке или недостатке атомов одного из элементов, создающих данный класс химических соединений: кислорода в оксидах, углерода в карбидах, серы в сульфитах и т.п. Сильное влияние примесей на проводимость полупроводников вызванный изменением энергетического спектра. При этом возможно два случая:

1) если примесь является химическим элементом более низкой группы периодической таблицы, чем сам полупроводник, то он создает дополнительные незанятые энергетические уровни, близкие к уровням занятой зоны;

2) если примесью является элементом более высокой группы периодической таблицы, то она создает дополнительную занятую энергетическую зону, близкую к основной незанятой зоне.

В первом случае примесь называется акцепторной – принимающей, во втором случае донорною – дающей.

При наличии акцепторной примеси через малую ширину запрещенной зоны между основной занятой зоной и незанятой зоной примесей легко осуществляется переход электронов из занятой зоны в зону примесей. В результате этого в занятой зоне образовывается «дырка», перемещение которой соответствует перемещению положительных носителей тока; поэтому такую электропроводимость называют «дырчатой», или электропроводность типа р (положительной). При наличии донорной примеси электроны с примесной зоны легко переходят в основную зону проводимости, создавая эффект обычной электронной проводимости типа п (отрицательной ).

3 Диэлектрикаминазывают вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле. В газообразных, жидких и твердых диэлектриках электрические заряды крепко связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле могут лишь смешаться. Происходит разделение центров положительных и отрицательных зарядов, т.е. поляризация. Диэлектрики содержат также и небольшое количество свободных зарядов и потому довольно малый ток.

Диэлектрическими материалами называют класс электротехнических материалов, предназначенных для использования их диэлектрических свойств (оказывать большое сопротивление прохождению электрического тока и способность поляризоваться).

Электроизоляционными материалами называют диэлектрические материалы, предназначенные для создания электрической изоляции токопроводящих частей в электротехнических и радиоэлектронных устройствах.

Диэлектрики, которые используются в качестве электроизоляционных материалов, называют пассивными. Активными называют диэлектрики, параметры которых можно регулировать, изменяя напряженность электрического поля, температуру, механические напряжения и другие параметры влияющих на них факторов.

Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свободных зарядов приводит к возникновению слабых по величине сквозных токов или токов утечки. Ток утечки состоит из объемного тока утечки Iv, протекающего через объем материала, и поверхностного тока утечки Is, протекающего по поверхности изоляции.

Iск = Iv + Is

Если к электродам, между которыми находится диэлектрик, приложить напряжение U (В), то проводимость G (См) такого участка изоляции равняется

G = Iск / U

Величина обратная G, называется сопротивлением изоляции:

R = 1/G (Ом)

Для твердых диэлектриков ток Iv определяет величину объемной проводимости Gv, а ток Is - поверхностной проводимости Gs изоляции, и соответственно объемного Rv и поверхностного Rs сопротивлений.

Электропроводимость диэлектрика характеризуют параметрами: удельной объемной σ_n и поверхностной σ_s проводимостью или удельными объемным ρ_n и поверхностным ρ_s сопротивлением.

Для газообразных и жидких диэлектриков поверхностное сопротивление и проводимость не определяются.

В системе СИ удельное объемное ρ_n сопротивление равняется сопротивлению куба с ребром в 1 мм, в мыслях вырезанного из исследуемого материала, если ток проходит сквозь куб от одной его грани к противоположной. В случае плоского образца материала при однородном поле удельное объемное сопротивление рассчитывается по формуле:

ρ_n = R×S / h (Ом м)

где R - объемное сопротивление образца, Ом;

S - площадь электрода, мм²;

h - толщина образца, мм.

Удельное поверхностное ρ_s сопротивление равняется сопротивлению квадрата (любых размеров), в мыслях выделенного на поверхности материала, если ток проходит через квадрат от одной его стороны к противоположной, и рассчитывается по формуле

ρ_s = R_s×d / L (Ом)

где R_s - поверхностное сопротивление образца материала (Ом) между параллельно поставленными электродами шириной d (мм), отдаленных один от другого на расстоянии L (мм).

Электропроводимость изоляционных материалов обуславливается состоянием вещества: газообразным, жидким или твердым, а также зависит от влажности и температуры окружающей среды. Некоторое время на проводимость диэлектрика влияет так же напряженность поля образца, при которой проводится измерение.

4 Магнитные материалы обладают способностью усиливать магнитное поле, в которое их помещают, то есть имеют большую магнитную проницаемость. Их используют для изготовления магнитопроводов в электрических машинах, трансформаторах, для экранирования магнитного поля, а так же в виде постоянных магнитов, создающих вокруг себя магнитное поле

В качестве материалов, которые работают в переменных полях, применяют те, которые имеют узкую петлю гистерезиса и владеют малой коэрцитивной силой. Такие материалы называют магнитомягкими, они отличаются малым запасом магнитной энергии, высокой магнитной проницаемостью в слабых и средних полях, способны легко перемагничиваться и размагничиваться.

В отличие от них материалы с широкой петлей гистерезиса, с большой коэрцитивной силой отличаются большим запасом магнитной энергии и стойким намагничиванием. Их называют магнитотвёрдыми и применяют для изготовления постоянных магнитов.

Магнитомягкие материалы применяются в производстве электрических машин, трансформаторов, разных аппаратов и приборов. Как правило, изготавливают их или в листах, или в рулонах (тонкие материалы), тем не менее некоторые магнитомягкие сердечники изготавливают прессованием из низкокоэрцитивного магнитного порошка одним из описанных ниже способов.

Один способ называют металлокерамическим (способ порошковой металлургии). Сущность его заключается в прессовании деталей из порошка одного или нескольких металлов или сплавов под большим давлением (порядка 10⁹ Па) с дальнейшим спеканием при высокой температуре в восстановительной газовой среде или в вакууме. При применении достаточно большого давления и при дальнейшем опрессовывании в нагретом состоянии после спекания можно получить детали, которые по плотности и магнитным свойствам приближены к литым.

Второй способ называют металлопластичным или металлоэлектрическим, а получаемые материалы – магнитодиэлеткриками. Этот способ заключается в прессовании магнитного порошка с электроизоляционным (органическим или неорганическим) смазочным маслом.

Свойства магнитодиэлектриков зависят не только от свойств ферромагнитного компонента, но и от давления при прессовании, от количества и качества связующего вещества. Особенно целесообразно использовать металлокерамический и металлопластический способы при изготовлении мелких деталей.

Магнитотвёрдые материалы применяют как постоянные магниты, которые создают собственное магнитное поле в машинах малой мощности, в разных аппаратах и приборах. В ряде случаев используются весьма мелкие детали. Некоторые магнитотвёрдые материалы могут обрабатываться обычными металлургическими приемами - ковкой, литьём; из других, из-за особенности их свойств, можно получить детали только металлокерамическим или металлопластическим способом.

Хорошие магнитные свойства некоторых металлокерамических композиций позволяет их использовать для изготовления постоянных магнитов методом прессования порошка, который состоит из измельченных магнитотвёрдых сплавов с последующим спеканием при высокой температуре. В результате такой технологии изделия выходят достаточно точных размеров и не требуют дальнейшей обработки. Металлокерамические магниты имеют высокую механическую прочность, но сниженные магнитные свойства по сравнению с литыми магнитами, что обусловлено в основному большим содержанием (до 30%) немагнитного связывающего вещества.

Промышленность выпускает 11 марок металлокерамических магнитов (МК1-МК11), в которых остаточная индукция 0,48-1,1 Тл, а запасенная магнитная энергия не больше 3-16 кДж/м³.

Экономическая эффективность металлокерамики, которая владеет магнитными свойствами, существенным образом возрастает при массовом автоматизированном производстве магнитов небольших размеров и сложной формы.

Список литературы:

1. Журавлева Л.В. Электроматериаловедение. –М.: Издательский центр «Академия», 2004 год. – 312 с.

2. Конструкционные и электротехнические материалы. Под редакцией В.А. Филикова. –М.: Высшая школа, 1990. –296 с.

3. В.М. Никифоров. Технология металлов и конструкционные материалы. –М.: Высшая школа, 1980. – 360 с.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1 КАКУЮ групПу матерИалОв можно ОТнести К матерИалаМ вЫсокоЙ провОдИМостИ?

А) серебро, медь, алюминий;

Б) нихром, фехрали, хромали;

В) манганин, константан;

Г) проводниковая металлокерамика

2 В ПОЛУПРОВОДНИКАХ ДЫРКА БУДЕТ ПЕРЕМЕЩАТЬСЯ

А) обратно к направлению электрического поля;

Б) в направлении электрического поля;

В) не будет перемещаться .

3 КАКИЕ СВОЙСТВА ПРИСУЩИ УСТРОЙСТВАМ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ ПОЛУПРОВОДНИКОВ?

А) большое сопротивление, коррозийная стойкость;

Б) большой срок службы, малые габариты и массу;

В) высокая электропроводимость.

4 КАКОЙ ХАРАКТЕР ИМЕЕТ ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТЬ ЧИСТЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ?

А) химический;

Б) электронный;

В) «дырчатый».

5 Для изготовления постоянных магнитов используют

А) магнитомягкие материалы;

Б) магнитотвердые материалы.

6 В производстве электрических машин, трансформаторов, реле используют

А) магнитомягкие материалы;

Б) магнитотвердые материалы

7 МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИЛЫ ХАРАКТЕРИЗУЮТСЯ

А) имеют узкую петлю гистерезиса;

Б) имеют широкую петлю гистерезиса;

В) отличаются малым запасом магнитной энергии;

Г) отличаются большим запасом магнитной энергии;

Д) владеют малой коэрцитивной силой;

Е) владеют большим значением коэрцитивной силы

8 МАГНИТОТВЕРДЫЕ МАТЕРИЛЫ ХАРАКТЕРИЗУЮТСЯ

А) имеют узкую петлю гистерезиса;

Б) имеют широкую петлю гистерезиса;

В) отличаются малым запасом магнитной энергии;

Г) отличаются большим запасом магнитной энергии;

Д) владеют малой коэрцитивной силой;

Е) владеют большим значением коэрцитивной силы.

9 Сопоставьте определения и характеристики

9.1	Определения 1) материалы высокой проводимости; 2) материалы высокого сопротивления; 3) сверхпроводники и криопроводники;	Характеристики А) материалы, имеющие в нормальных условиях удельное электрическое сопротивление не менее 0,3 мкОм м, обладают высокой стабильностью удельного сопротивления во времени и малым температурным коэффициентом сопротивления; Б) материалы, имеющие удельное сопротивление при нормальной температуре составляет не более 0,05 мкОм м; В) материалы, обладающие очень малым удельным сопротивлением при температурах, близких к абсолютному нулю.
9.2	Определения 1) диэлектрические; 2) электроизоляционные.	Характеристики А) класс материалов, предназначенный для создания электрической изоляции токоведущих частей в электротехнических и радиоэлектронных устройствах; Б) класс материалов, предназначенный для использования их диэлектрических свойств (создавать сопротивление прохождению электрического тока и способностью поляризоваться).
9.3	Определения 1) активные диэлектрики 2) пассивные диэлектрики	Характеристики А) материалы, параметры которых можно регулировать изменяя напряженность электрического поля, температуру, механических нагрузок и т.п.; Б) материалы, которые используют в качестве электроизоляционных материалов.