Материалы электронных средств

Фадеева Н.Е. Материалы электронных средств Конспект лекций для студентов заочной, заочной ускоренной и заочной дистанционной форм обучения Новосибирск 2018 СОДЕРЖАНИЕ 1. Кристаллография 1.1. Атомы, ионы, молекулы 1.1.1. Гомеополярная (ковалентная) связь 1.1.2. Гетерополярная (ионная) связь 1.1.3. Металлическая связь 1.1.4. Молекулярная связь 1.2. Особенности строения твёрдых тел 1.2.1. Кристаллы 1.2.2. Индексы Миллера 1.2.3. Дефекты в строении кристаллических тел 1.2.4. Полиморфизм 1.2.5. Стёкла и другие аморфные тела 1.3. Гетерогенное равновесие в системах, содержащих жидкую и твердую фазу 1.3.1. Фазовое равновесие 1.3.2. Правило фаз 1.3.3. Физико-химический анализ 1.3.4. Диаграммы плавкости 1.3.5 Количественный структурно-фазовый анализ сплава 2. Основы зонной теории 3. Диэлектрические материалы 3.1. Поляризация диэлектриков 3.1.1. Электронная поляризация 3.1.2. Ионная поляризация 3.1.3. Дипольная поляризация 3.1.4. Миграционная поляризация 3.2. Электропроводность диэлектриков 3.2. 3.2.1. Электропроводность твердых диэлектриков 3.2.2. Электропроводность жидкостей 3.2.3. Электропроводность газов 3.2.4. Поверхностная электропроводность диэлектриков 3.3. Потери в диэлектриках 1. 2. 3. 3.1. 3.2. 3.3. 3.3.1. Релаксационные диэлектрические потери 3.3.2. Диэлектрические потери, обусловленные сквозной проводимостью 3.3.3. Ионизационные диэлектрические потери 3.3.4. Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры 3.3.5. Диэлектрические потери в газах 3.3.6. Диэлектрические потери в жидкостях 3.3.7. Диэлектрические потери в твердых диэлектриках 3.4. Пробой диэлектриков 3.4. 3.4.1. Общая характеристика пробоя 3.4.2. Пробой газов 3.4.3. Пробой жидких диэлектриков 3.4.4. Пробой твердых диэлектриков 3.5. Химические свойства диэлектриков 3.6. Классификация диэлектрических материалов 3.5. 3.6. 3.6.1. Органические полимеры 3.6.2. Смолы 3.6.3. Битумы 3.6.4. Гибкие пленки 3.6.5. Волокнистые материалы Пластические массы 3.6.6. Эластомеры 3.6.7. Стекла 3.6.8. Керамические диэлектрические материалы 3.7. Активные диэлектрики 3.7. 3.7.1. Классификация активных диэлектриков 3.7.2. Сегнетоэлектрики 3.7.3. Пьезоэлектрики. 3.7.4. Пироэлектрики 3.7.5. Электреты 3.7.6. Жидкие кристаллы 3.7.7. Материалы для твердотельных лазеров 4. Полупроводниковые материалы 4. 4.1. Общие сведения 4.2. Собственные (чистые) полупроводники 4. 4.1. 4.2. 4.2.1. Концентрация собственных носителей заряда 4.3. Примесные полупроводники 4.3. 4.3.1. Донорные примеси 4.3.2. Акцепторные примеси 4.3.3. Основные и неосновные носители зарядов 4.4. Электропроводность полупроводников 4.5. Воздействие внешних факторов на электропроводность полупроводников 4.4. 4.5. 4.5.1. Влияние температуры на электропроводность полупроводников 4.5.2. Влияние деформации на электропроводность полупроводников 4.5.3. Влияние света на электропроводность полупроводников 4.5.4. Влияние сильных электрических полей на электропроводность полупроводников 4.6. Токи в полупроводниках 4.6. 4.6.1. Диффузионный ток 4.6.2. Дрейфовый ток 4.7. Германий 4.8. Кремний 4.9. Полупроводниковые соединения типа АIIIВV 4.7. 4.8. 4.9. 4.9.1. Твердые растворы на основе соединений АIIIВV 4.10. Полупроводниковые соединения типа АIIВIV 4.11. Полупроводниковые соединения типа АIVВVI 4.12. Методы легирования полупроводников и создания p-n переходов 4.12.1 Подготовительные операции 4.12.2 Эпитаксия 4.12.3 Термическое окисление 4.12.4 Легирование 4.12.5 Ионная имплантация. 4.12.6 Нанесение тонких пленок 4.12.7 Термическое (вакуумное) напыление. 4.12.8 Катодное напыление. 4.12.9 Ионно-плазменное напыление. 5. Проводниковые материалы 5. 5.1. Общие сведения о проводниках 5.2. Электропроводность металлов 5.3. Свойства проводников 5. 5.1. 5.2. 5.3. 5.3.1. Удельная проводимость и удельное сопротивление проводников 5.3.2. Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов 5.3.3. Изменение удельного сопротивления металлов при плавлении 5.3.4. Изменение удельного сопротивления металлов при деформациях 5.3.5. Удельное сопротивление сплавов 5.3.6. Теплопроводность металлов 5.3.7. Термоэлектродвижущая сила 5.3.8. Механические свойства проводников 5.4. Материалы высокой проводимости 5.4. 5.4.1. Медь 5.4.2. Алюминий 5.4.3. Железо 5.4.4. Натрий 5.5. Сверхпроводники и криопроводники 5.6. Сплавы высокого сопротивления 5.5. 5.6. 5.6.1. Манганин 5.6.2. Константан 5.6.3. Сплавы на основе железа 5.7. Тугоплавкие металлы 5.7. 5.7.1. Вольфрам 5.7.2. Молибден 5.7.3. Тантал 5.7.4. Титан 5.7.5. Рений 5.8. Благородные металлы 5.9. Неметаллические проводники 6. Магнитные материалы 6. 6.1. Классификация веществ по магнитным свойствам 6.2. Магнитные характеристики материалов 6. 6.1. 6.2. 6.2.1. Абсолютная магнитная проницаемость 6.2.2. 6.2.3. 6.2.2. Температурный коэффициент магнитной проницаемости 6.2.3. Индукция насыщения 6.2.4. Остаточная магнитная индукция 6.2.5. Удельные потери на гистерезис 6.2.6. Динамическая петля гистерезиса 6.2.7. Потери энергии на вихревые токи 6.2.8. Коэффициент прямоугольности петли гистерезиса 6.2.9. Удельная объемная энергия 6.3. Классификация магнитных материалов 6.4. Металлические магнитно-мягкие материалы 6. 6.2. 6.3. 6.4. 6.4.1. Карбонильное железо 6.4.2. Пермаллои 6.4.3. Альсиферы 6.4.4. Низкоуглеродистые кремнистые стали 6.5. Металлические магнитно-твердые материалы 6.5. 6.5.1. Легированные стали, закаливаемые на мартенсит 6.5.2. Литые магнитно-твердые сплавы 6.5.3. Магниты из порошков 6.5.4. Пластически деформируемые сплавы и магнитные ленты 6.6. Ферриты 6.7. Магнитодиэлектрики Список рекомендованной литературы 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. 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 различным 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: 1. диэлектрики 2. полупроводниковые материалы 3. проводниковые материалы 4. магнитные материалы, в каждой из которых описаны свойства, характеристики, способы получения и области применения соответствующих материалов. Различия между проводниками, полупроводниками и диэлектриками можно показать с помощью диаграмм (где Wg – ширина запрещенной зоны): Рисунок 1 Магнитные материалы делятся на сильномагнитные (ферромагнетики, ферримагнетики) и слабомагнитные (диамагнетики, парамагнетики, антиферромагнетики) материалы. Данный курс является базовым для курсов «Физические основы электроники», «Электроника», «Физические основы оптоэлектроники» и «Электронные твердотельные приборы СВЧ и оптического диапазона». 1. КРИСТАЛЛОГРАФИЯ. ▲ 1.1. Атомы, ионы, молекулы. ▲ Газы, жидкие и твердые тела могут состоять из атомов, молекул или ио­нов. Размеры атомов порядка одного или нескольких ангстрем (1 А = 10-10 м), размеры положительных ионов — атомов, лишен­ных части электронов (меньше, чем атомов), и размеры отрицатель­ных ионов, присоединивших дополнительные электроны (больше, чем размеры соответствующих атомов), нескольких элементов пока­заны на рис. 1.1. Рисунок 1.1. - Размеры атомов, положительных и отрицательных ионов некоторых элементов в ангстремах. При сближении атомов до расстояния порядка нескольких анг­стрем между ними проявляются силы взаимодействия. В зависимости от характера движения электронов в соседних атомах эти силы могут быть силами отталкивания или притяжения. В последнем случае атомы могут соединяться с выделением энергии, образуя устойчивые химичес­кие соединения. Электроны внутренних полностью заполненных обо­лочек прочно связаны с ядром и не участвуют в образовании химичес­ких связей. Химические свойства атомов определяются строением внешней, не полностью заполненной электронами оболочки. Электроны, находящиеся во внешней оболочке, называют валентными. Различают несколько видов химической связи. 1.1.1. Гомеополярная (ковалентная) связь. ▲ При этой связи у веществ объединение атомов в молекулу достигается за счет электронов, которые становятся общими для пар атомов. Плотность отрицательно заряжен­ного электронного облака между положительно заряженными ядра­ми получается наибольшей. Следует отметить, что перекрытие электронных облаков, приводящее к обобществлению электронов, не сводится к простому наложению друг на друга двух электронных орбит, а сопровождается существенным пе­рераспределением электронной плотности и изменением энергии сис­темы. При обобществлении электронов происходит втягивание элект­ронных облаков в пространство между ядрами. Появление состояния с повышенной плотностью электронного заряда в межъядерном прост­ранстве и приводит к возникновению сил притяжения. В основе гомеополярной связи лежит обменное взаимодействие или обменный эффект, обусловленный обменом атомов электронами и име­ющий чисто квантовую природу. Силы такого взаимодействия называ­ют обменными силами, а их энергия — обменной энергией. Важнейшей особенностью обменных сил является их сильная зависимость от на­правления спинов электронов, осуществляющих связь между взаимо­действующими атомами. Связь будет сильной только в том случае, если спины антипараллельны. Гомеополярные связи определенным об­разом ориентированы в пространстве не образуются только между бли­жайшими соседними атомами. Молекулы с гомеополярной связью бывают неполярными или по­лярным (дипольными) в соответствии с симметричным или асиммет­ричным строением. Молекулы, в которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают, называют неполярными. Если же в молекулах центры противоположных по знаку зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга, то такие молекулы называют полярными или дипольными. Примеры неполярной и поляр­ной молекул показаны на рис. 1.2. Рисунок 1.2 - Примеры неполярной (симметричной) и полярной (несимметричной) молекул. Дипольная молекула характеризуется дипольным моментом, который определяется произведением заряда на расстояние между центрами положительных и отрицательных зарядов: p=ql. Заряд q ≈2*10-19 Кл, расстояние l=(1 — 3)*10-10 м. Поэтому обычно дипольные моменты молекул р = 5*10-29— 10-30 единиц СИ. Гомеополярная связь типична для ор­ганических молекул. Вместе с тем она может наблюдаться и у твердых веществ неорганического происхождения, если их кристаллические решетки состоят из атомов. Примерами подобных веществ являются алмаз, кремний, герма­ний, карбид кремния (SiС) и др. Ковалентная связь характери­зуется высокой прочностью. Под­тверждением этому является высо­кая твердость и высокая темпера­тура плавления таких веществ как алмаз, карбид кремния. 1.1.2. Гетерополярная (ионная) связь. ▲ Гетерополярная (ионная) связь возникает вследствие перехода валентных электронов от металлического атома к металлоидному и электростатического притяжения разноименно заряженных ионов друг к другу. Этот вид химической связи реализуется в ионных кристаллах. Типичным примером ионных кристаллов являются галоидные соли щелочных металлов. На рис. 1.3. показаны структуры кристаллов хлористого натрия и хлористого цезия. Ионные решетки характеризу­ются высоким координационный числом, показывающим количество ближайших ионов противоположного знака. Например, для кристал­лов NaCl координационное число равно 6, а для кристаллов СаСl—8. Рисунок 1.3. Структура и плотная упаковка хлористого натрия (а) и структура и неплотная упаковка ионов хлористого цезия (б). В ионном кристалле комбинации противоположно заряженных ионов нельзя отождествлять с индивидуальными молекулами вследствие регу­лярного чередования в узлах решетки ионов различного сорта. Пра­вильнее считать весь монокристалл ионного соединения одной ги­гантской молекулой, в которой каждый ной испытывает сильное воз­действие со стороны всех соседних частиц. Способность атомов захватывать электрон при образования хими­ческой связи характеризуется его электроотрицательностью. За при­ближенную меру электроотрицательность атома х приникают полусум­му энергии ионизации Wи, и сродства к электрону Wс, т. е. x = 0,5 * (Wи - Wс). Наименьшей электроотрицательностыо обладают атомы щелочных металлов, которые легко отдают электрон и отличаются малой энергией сродства. Наоборот, наиболь­шую электроотрицательность име­ют атомы галогенов, которые охот­но принимают электрон для завер­шения внешней электронной обо­лочки. Чем больше разность электроотрицательностей атомов, участвующих в образовании химической связи, тем больше степень ионности соединения. 1.1.3. Металлическая связь. ▲ Металлическая связь существует в системах, построенных положительных атомных остовов, находящихся в среде свободных коллективизированных электронов (рис. 1.4, а). Притяжение между положительными атомными остова­ми и электронами обусловливает целостность металла. Рисунок 1.4. Схема строения металлического проводника (а) и образования межмолекулярной связи Ван-дер-Ваальса (б). Металлическую связь можно рассматривать до некоторой степени как ковалентную связь, поскольку в их основе лежит обобществление внешних валентных электронов. Специфика металлической связи состоит в том, что в обобществлении электронов участвуют все атомы кристал­ла, и обобществленные электроны не локализуются вблизи своих атомов, а свободно перемещаются внутри всей решетки, образуя «электронный газ». Не имея локализованных связей, металлические кристаллы (в отличие от ионных) не разрушаются при изменении поло­жений атомов, т. е. им свойственна пластичность (ковкость) при дефор­мациях. Благодаря наличию свободных электронов металлы обладают высокими электро- и теплопроводностью. 1.1.4. Молекулярная связь▲ Молекулярная связь, или связь Ван-дер-Ваальса, наблюдается у ряда веществ между молекулами с ковалентным характером внутри­молекулярного взаимодействия. Наличие межмолекулярного притяже­ния в этом случае возможно при согласованном движении валентных электронов в соседних молекулах (рис. 1.4,б). В любой момент времени электроны должны быть максимально удалены друг от друга и макси­мально приближены к положительным зарядам (ядрам). Тогда сила притяжения валентных электронов ядром соседней молекулы оказы­ваются сильнее сил взаимного отталкивания электронов оболочек эти молекул. Подобное притяжение между флуктуирующими электрическими диполями получило название дисперсионного взаимодействия. Связь Ван-дер-Ваальса является наиболее универсальной, она возни­кает между любыми частицами, но это наиболее слабая связь, энергия ее примерно на два порядка ниже энергии ионной и ковалентной свя­зей. Поскольку дисперсионное взаимодействие оказывается очень слабым, молекулярные связи четко проявляются лишь в тех случаях, когда они возникают между атомами или молекулами. Молекулярная связь легко разрушается тепловым движением. Поэтому молекулярные кристаллы обладают низкими температурами плавления (например, у парафина Тпл = 50 ~ 52°С). 1.2 Особенности строения твердых тел. ▲ Большинство электротехнических материалов представляют собой твердые тела. Поэтому далее особое внимание уделяется строению вещества в этом состоянии. 1.2.1. Кристаллы. ▲ Представлению о порядке в мире атомов отвечает кристаллическая решетка, обусловливающая периодическое электро­статическое поле. Периодичность структуры является наиболее ха­рактерным свойством кристаллов. В периодической решетке всегда можно выделить элементарную ячейку, транслируя которую в прост­ранстве легко получить представление о структуре всего кристалла Образование каким-либо элементом или соединением определенной пространственной решетки в основной зависит от размеров атомов и электронной конфигурации их внешних оболочек. Русский ученый Е. С. Федо­ров почти за 40 лет до того, как были найдены методы рентгеноструктурного анализа, рас­считал возможные расположе­ния частиц в кристаллических решетках различных веществ. Геометрически возможны лишь 14 различных пространственных решеток, являющихся основой шести кристаллических систем. Геометрическая классифика­ция кристаллов недостаточна для разделения структур, кажу­щихся тождественными. Они могут различаться по двойному лучепреломлению, по пьезо- и пироэлектрическим свойствам и т. п. Это обусловлено различны­ми видами симметрии, которые насчитывают 32 класса, а всего существует 230 возможных групп. Кристаллические тела могут быть в виде отдельных крупных крис­таллов — монокристаллов или состоять из совокупности большого числа мелких кристалликов (зерен). В случае поликристалла в пределах каждого зерна атомы расположены периодически, по при перехо­де от одною зерна к другому на границах раздела регулярное расположение частиц нарушается. Монокристаллы характеризуются анизотро­пией свойств. В поликристаллических телах анизотропия в большинст­ве случаев не наблюдается, однако с помощью специальной обработки могут быть получены текстурированные материалы с ориентированным расположением кристаллов. Промежуточным является блочное строе­ние твердого тела. Так как монокристаллы анизотропны, то при определении электрических, механических и других свойств необходимо указывать расположение кристаллографических плоскостей и направ­ления в кристаллах. Для этого используют индексы Миллера. 1.2.2. Индексы Миллера. ▲ Допустим необходимо фиксировать в кристал­ле плоскость, которая пересекает три оси X, У, Z в точках А, В, С. Обозначим расстояния ОА, ОВ и ОС (измеренные в единицах периода решетки) через H, K, L, а обратные им величины — через Н', К' и L'. Наименьшие целые числа с теми же отношениями, что и между Н', К', L', обозначают символами h, k, l и называют индексами Миллера. Поскольку период решетки принят за единицу, все атомные плоскости представляются целыми числами или нулями. Пусть, например, зна­чения H, K, L равны соответственно 1, 4 и 2, тогда числа Н', К', L' суть I, 1/4 и 1/2, и индексы Миллера данной плоскости будут (412). В кубических кристаллах индексы (100) относятся к плоскости, параллельной осям У и Z; индексы (010) — к плоскости, параллельной осям X и Z, в (001) — к плоскости, параллельной осям X и Y, В кристаллах с ортогональными осями эти плоскости вместе с тем перпендику­лярны соответствию осям X, Y и Z. Для обозначения направлений в кристалле применяют индексы в виде наименьших целых чисел, относящихся между собой как компо­ненты вектора, параллельного данному направлению. В отличие от обозначения плоскостей их пишут в квадратных скобках. В кубических кристаллах эти направления перпендикулярны плоскости с теми же индексами. Положительное направление оси X обозначают [100], положительное направление оси Y — [010], отрица­тельное направление оси Z — [001], диагональ куба — [111] и т.д. Обозначения кристаллографических плоскостей и направлений при­ведены на рис. 1.5. Рисунок 1.5. Примеры обозначения кристаллографических плоскостей и направлений в кубических кристаллах с помощью индексов Миллера. 1.2.3. Дефекты в строении кристаллических тел. ▲ Кристаллов с идеально правильным строением в природе не существует. В реальных усло­виях всегда наблюдаются те или иные отклонения от регулярного расположения частиц. Такие отклонения принято называть дефектами структуры. Их условно подразделяют на динамические (временные) и статические (постоянные). Динамические дефекты возникают при ме­ханических, тепловых или электромагнитных воздействиях на крис­талл, при прохождении через него потока частиц высокой энергии и т. п. Наиболее распространенным видом динамических дефектов явля­ются фононы — временные искажения регулярности решетки, выз­ванные тепловым движением атомов. Среди статических дефектов различают атомные (точечные) и про­тяженные несовершенства структуры. Атомные дефекты могут прояв­ляться в виде незанятых узлов решетки — вакансий, в виде смешений атома из узла в междоузлие, в виде внедрения в решетку чужеродного атома или иона. К протяженным дефектам относятся дислокации, поры, трещины, границы зерен, микровключения другой фазы. Слово «дислокация» в переводе на русский язык означает «смещение». Прос­тейшими видами дислокаций являются краевая и винтовая дисло­кация. Некоторые разновидности дефектов показаны на рис. 1.6. Рисунок 1.6. Дефекты кристаллической решетки: а – посторонний атом в узле решетки; б – пустой узел (вакансия) и собственный атом в междоузлии. Хотя относительная концентрация атомных дефектов может быть небольшой, но изменения физических свойств кристалла, вызываемые ими, могут быть огромными. Например, тысячные доли атомного процента некоторых примесей могут изменять электрическое сопротив­ление чистых полупроводниковых кристаллов в 105 — 106 раз. Протя­женные дефекты структуры оказывают сильное влияние на механичес­кие свойства кристаллов. 1.2.4. Полиморфизм. ▲ Некоторые твердые вещества обладают способ­ностью образовывать не одну, а две и более кристаллические структу­ры, устойчивые при различных температурах и давлениях. Такое свой­ство материалов называют полиморфизмом, а отвечающие им кристал­лические структуры называют полиморфными формами или аллотропными модификациями вещества. Модификацию, устойчивую при нор­мальной и более низкой температуре, принято обозначать буквой α; модификации, устойчивые при более высоких температурах, обозна­чают соответственно буквами β, γ и т. д. Полиморфизм широко распространен среди технических материа­лов и имеет важное значение для их обработки и эксплуатации. Клас­сическим примером полиморфизма является низкотемпературное пре­вращение белого олова (β-Sn) в серое (α-Sn), известное в технике как «оловянная чума». Практический интерес представляет полиморфизм углерода — существование его в виде алмаза или графита- В обычных условиях графит является более устойчивой модификацией, чем алмаз. Однако при повышении давления устойчивость алмаза растет, а графита па­дает, и при достаточно высоких давлениях алмаз становится более ус­тойчивым. Если при этом повысить температуру, чтобы увеличить под­вижность атомов, то графит можно перевести в алмаз. На этом принци­пе основано получение искусственных алмазов. В Советском Союзе их промышленное производство началось в 1961 г. Синтез проводят под давлением порядка 10м Па при температуре на уровне 2000°С. Получае­мые таким образом искусственные алмазы имеют более высокую проч­ность и твердость, нежели природные кристаллы. 1.2.5. Стекла и другие аморфные тела. ▲ Не все твердые тела имеют крис­таллическую структуру, хотя кристаллическое состояние большинства твердых тел является естественным, потому что анергия при упорядоченном расположении атомов меньше, чем в случае их нерегулярного расположения, а любая система стремится перейти в состояние с мини­мальной свободной энергией. Однако атомы не всегда имеют благоприятную возможность располагаться упорядочение в процессе затверде­вания. Препятствием этому может быть резкое уменьшение скорости диффузии атомов при охлаждении среды. Твердые тела, которые ха­рактеризуются случайным хаотичным расположением частиц, назы­вают аморфными. В отличие от кристаллов аморфные тела изотропны по свойствам, не имеют определенной температуры плавления и харак­теризуются достаточно широким температурным интервалом размягче­ния. Наглядным примером аморфных веществ могут служить стекла и многие пластики. В стеклах при отсутствии периодичности в строении можно наблюдать определенный ближний порядок, т. е. закономерное расположение ближайших соседей относительно каждого атома. Стек­лообразное состояние можно рассматривать как состояние сильно пере­охлажденной жидкости, т. е. жидкости с очень высокой вязкостью. Именно высокая вязкость ограничивает диффузионную активность ато­мов и препятствует образованию кристаллической фазы. Однако та­кое состояние термодинамически неустойчиво. Поэтому при отжиге может происходить «расстекловывание» материала, т. е. переход в более устойчивое кристаллическое состояние. 1.3 Гетерогенное равновесие в системах, содержащих жидкую и твердую фазу. ▲ Чистые металлы находят применение в тех случаях, когда используются именно их специфические свойства (например, серебро – для электрических контактов). Гораздо чаще металлы используются в виде сплавов – веществ, получающихся при смешивании двух и более металлов. В расплавленном состоянии металлы обычно смешиваются друг с другом с образованием однородной жидкой фазы, при охлаждении которой и последующем затвердевании образуются сплавы различного фазового состава в зависимости от характера взаимодействия исходных компонентов. Сплавы могут стать гомогенными твёрдыми растворами внедрения или замещения, образовать несколько фаз или интерметаллические соединения. 1.3.1 Фазовое равновесие ▲ Фазой называется однородная обособленная часть системы, имеющая в каждой точке одинаковые состав, кристаллическое строение и свойства. Она отделена от остальных частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяются скачком. Число фаз системы зависит от её состава и внешних факторов. Например, насыщенный раствор хлорида калия при наличии любого числа кристаллов в осадке и пара над раствором состоит из трёх фаз: кристаллической, жидкой и газообразной. Равновесие перехода вещества из одной фазы в другую без изменения химического состава называется фазовым равновесием. Примером фазового равновесия может быть следующий процесс: плавление твёрдое вещество жидкость кристаллизация Фазовое равновесие является динамическим равновесием, то есть скорость прямого процесса равна скорости обратного процесса. Как и для химического равновесия, условием фазового равновесия является равенство энергии Гиббса процесса нулю: G = 0. Для фазового равновесия соблюдается принцип Ле Шателье: внешнее воздействие на систему, находящуюся в состоянии равновесия, вызывает процесс, ведущий к уменьшению результата этого воздействия. Соответственно при повышении температуры равновесие сдвигается в сторону эндотермического процесса, например, плавления. С увеличением давления равновесие смещается в сторону процессов, при которых газ или пар преходят в жидкое или твёрдое состояние. 1.3.2 Правило фаз ▲ К наиболее общим законам гетерогенного равновесия (химического и фазового) относится правило фаз, сформулированное Дж. Гиббсом в конце XIX века и позволяющее определить условия, при которых удается сохранить данное фазовое состояние. Согласно правилу фаз, число степеней свободы С, число фаз Ф, чисто независимых компонентов К и внешних условий n, влияющих на равновесие, взаимосвязаны соотношением: С = К – Ф + n (1.1) На фазовое равновесие обычно влияют температура и давление, в этом случае n = 2 и правило фаз можно переписать в виде: С = К – Ф + 2 (1.2) Компонент — это однородная по химическим свойствам часть термодинамической системы, которая может быть выделена из неё. В случае фазового равновесия число независимых компонентов равно общему числу компонентов. При протекании химических реакций число независимых компонентов равно общему числу компонентов за вычетом числа реакций, связывающих эти компоненты. Числом степеней свободы С называется число внешних факторов (температура, давление, концентрация), варьирование которых в определенных пределах не меняет числа и вида фаз. При С=0 (нонвариантная (инвариантная) система) сплав из данного числа фаз может существовать только в совершенно определённых неизменяемых условиях. Например, если С=1 (моновариантная система), то один из параметров состояния системы можно изменять в определённых пределах без изменения числа и вида фаз, а другие параметры состояния полностью зависят от первого. При С=2 (бивариантная (дивариантная) система) два из параметров состояния системы можно изменять в определённых пределах без изменения числа и вида фаз, а другие параметры состояния полностью зависят от них и так далее. 1.3.3 Физико-химический анализ ▲ Основной «инструмент» изучения фазового равновесия в термодинамических системах – так называемая фазовая диаграмма. В принципе – это обычная диаграмма состояния (графическое изображение соотношений между параметрами состояния), но построенная в координатах, позволяющих определить условия устойчивости фаз и фазового равновесия. Диаграммы состояния используются в технологии микроэлектроники, в материаловедении, химической технологии и так далее. Метод физико-химического анализа основан на изучении зависимости физических свойств химической системы (тепловых, электрических, магнитных, оптических и других) от факторов, определяющих её равновесие (температуры, давления и состава). В этом методе применяют геометрический анализ диаграмм, построенных в координатах физическое свойство – фактор равновесия. Эти зависимости обычно получают в виде диаграммы состав – свойство (диаграмма состояния) и состав – температура плавления или кристаллизации (диаграмма плавкости). Анализ таких диаграмм позволяет установить протекающие в системе качественные изменения, области существования и составы равновесных фаз, характер взаимодействия между компонентами, образование интерметаллических соединений и их состав. Для выполнения поставленных задач используются два основных принципа физико-химического анализа: Принцип непрерывности: при непрерывном изменении параметров состояния системы свойства её фаз изменяются непрерывно. Принцип соответствия: каждой фазе или совокупности фаз соответствует определённый геометрический образ на фазовой диаграмме (например, фазе соответствует часть плоскости, фазовому равновесию – отрезок линии, равновесию трёх фаз – точка). 1.3.4 Диаграммы плавкости ▲ На рисунке 1 показано построение диаграмм плавкости (рисунок 1.б) на основании так называемых кривых охлаждения (рисунок 1.а) для систем, при охлаждении расплава которых образуется механическая смесь кристаллов исходных компонентов. Для получения кривых охлаждения берут два чистых вещества и готовят из них смеси различного состава. Каждую смесь расплавляют и затем медленно охлаждают, отмечая через определенные промежутки времени температуру остывающего сплава. Пока в системе не происходит фазовых превращений, график зависимости температуры системы от времени представляет собой прямую, угол наклона которой к оси абсцисс зависит лишь от скорости теплообмена с окружающей средой. Точка перегиба прямой – точка начала кристаллизации системы. Переход индивидуального вещества из жидкого состояния в твёрдое (кривые A, B) сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации, поэтому пока вся жидкость не закристаллизуется, температура остаётся постоянной (горизонтальный участок на кривой охлаждения). Образовавшийся слиток охлаждается равномерно, если изучаемое вещество не имеет никаких превращений ниже температуры кристаллизации. Рисунок 1.7 – Построение по кривым охлаждения (а) диаграммы плавкости (б) двухкомпонентной системы Кривые охлаждения смесей имеют более сложный характер и соответствуют кривым 1, 2, 3, 4 на рисунке 1.а. Так как в соответствии с законом Рауля температура кристаллизации раствора ниже, чем чистого растворителя, то выделение первых кристаллов твёрдой фазы: кристаллов растворителя (компонента смеси, находящегося в избытке) – начинается выше температуры кристаллизации раствора. При выделении кристаллов одного из веществ состав жидкого расплава изменяется (становится все более концентрированным относительно второго компонента) и температура его затвердевания непрерывно понижается по мере кристаллизации. Выделяющаяся при кристаллизации теплота несколько замедляет ход охлаждения и поэтому крутизна линии кривой охлаждения уменьшается. Однако в точке Е обогащение расплава заканчивается. При температуре ТE раствор оказывается насыщенным по отношению к компоненту А и компоненту В одновременно, и они оба будут одновременно кристаллизоваться из расплава. Это отвечает появлению на кривой охлаждения горизонтального участка. Когда кристаллизация заканчивается, наблюдается дальнейшее падение температуры сплава. Таким образом, кристаллизация жидкой смеси в отличие от чистого вещества растягивается на некоторый температурный интервал, который тем значительнее, чем ближе состав расплава к чистому веществу (кривая 1). Если взять смесь, содержащую второй компонент в несколько большем количестве, то момент начала выпадения первого компонента наступает при более низкой температуре (кривая 2). Состав, имеющий наиболее низкую температуру плавления, называется эвтектическим (от греческого eutektos – легко плавящийся), или эвтектикой. Этот состав насыщен относительно обоих компонентов и при его охлаждении начинают кристаллизоваться оба вещества сразу при постоянной температуре. Поэтому кривая охлаждения эвтектической смеси (кривая Е) аналогична кривым А и В для чистых веществ. Температура эвтектики − это температура, при которой заканчивается кристаллизация расплава любого состава при охлаждении. Эвтектический сплав состоит из очень мелких кристаллов индивидуальных веществ (рисунок 2.б). Рисунок 1.8 – Схема микроструктур сплавов: а – доэвтектического, б – эвтектического, в – заэвтектического Минимальная температура, при которой заканчивается кристаллизация при охлаждении расплава любого состава (или начинается плавление при нагревании твёрдой бинарной системы), называется эвтектической. Этой температуре на рисунке 1.б отвечает прямая линия FEG, называемая линией солидуса (от латинского solid – твёрдый), ниже линии FEG жидкая фаза существовать не может. Другой характерной линией на рисунке 1.б является линия AEB, называемая линией ликвидуса (от латинского liquid – жидкий). Эту линию образует совокупность точек, при температурах которых начинается кристаллизация при охлаждении расплава заданного состава (или заканчивается плавление при нагревании твёрдой бинарной системы), выше линии AEB твёрдая фаза существовать не может. Точка пересечения ликвидуса и солидуса Е называется эвтектической, а соответствующий расплав – эвтектическим. Он находится в равновесии одновременно с кристаллами обоих компонентов. Эта смесь мелких кристаллов чистых компонентов называется твёрдой эвтектикой. Кристаллизация эвтектики происходит при постоянной температуре, в эвтектической точке Е система условно инвариантна: Сусл = 2 – 3 + 1 = 0. Это значит, что трёхфазное равновесие в конденсированной двухкомпонентной системе возможно только при одном единственном значении состава и температуры, то есть в точке. В этом состоит сходство эвтектики с чистыми компонентами. Главное же различие между ними заключается в том, что при изменении давления, как следует из правила фаз, меняется и температура плавления, и состав эвтектики, тогда как у чистых компонентов изменяется только температура плавления. На основании кривых охлаждения смесей разного состава строят диаграмму состояния, перенося с них точки, отвечающие температурным остановкам или резкому изменению скорости охлаждения, на диаграмму состав – температура кристаллизации (диаграмму плавкости) рисунок 1.б. Каждый тип сплава имеет свою, характерную для него диаграмму плавкости. Диаграммы плавкости с простой эвтектикой, состоящей из чистых компонентов, встречаются довольно часто среди металлических и солевых систем с различной формой кристаллических решёток. Так, например, олово и свинец – металлы главной подгруппы IV группы периодической системы элементов, но олово (α − форма) кристаллизуется в объёмноцентрированной кубической (ОЦК) структуре, а свинец − в гранецентрированной кубической (ГЦК) структуре. В расплаве атомы обоих металлов смешиваются неограниченно и распределены статистически беспорядочно. При кристаллизации такого раствора металлы выделяются в свободном состоянии в соответствии с общими законами и не образуют твёрдых растворов. Кроме рассмотренного выше, возможны и другие случаи. Например, типичные интерметаллические соединения (интерметаллиды) образуются между парами металлов, сильно отличающихся по электроотрицательности и химическим свойствам (например, Cu – Be, Cu – Al, Cu − Zn, Ag – Al, Mg − Sn), то есть расположенными в различных группах периодической системы химических элементов. В соединения с металлами могут вступать и неметаллы с относительно низкой электроотрицательностью, такие, как углерод, кремний, бор, азот, фосфор, сера и даже кислород. Интерметаллиды имеют свою собственную кристаллическую структуру и свойства, существенно отличающиеся от свойств исходных металлов. Так, кристаллы интерметаллических соединений почти всегда хрупки, характеризуются низкими значениями электрической проводимости и теплопроводности, отличаются высокими теплотами образования и химической стойкостью. Некоторые интерметаллиды являются полупроводниками. Интерметаллиды могут рассматриваться как новые компоненты сплавов. Данные сплавы неоднородны, состоят из кристаллов отдельных металлов, смешанных с кристаллами химических соединений металлов. На диаграмме появляются как максимумы, которые отвечают образованию химических соединений, так и минимумы, обусловленные образованием эвтектик. 1.3.5 Количественный структурно-фазовый анализ сплава▲ Графические количественные расчёты различных процессов с помощью физико-химических диаграмм состояния основаны на следующих правилах. Первое правило. При термодинамически обратимом охлаждении расплава между его твёрдой и жидкой фазами соблюдается термодинамическое равновесие. Фигуративная точка системы и фигуративные точки двух любых составных частей, образующих систему, лежат на одной прямой. Второе правило. Чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область, и называют её коннодой (нодой). Проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз. Правило рычага. Ноды используют для предварительного определения массы кристаллов, образующихся при охлаждении расплавов. Расчёт ведут при помощи так называемого правила рычага – отношение масс равно отношению противолежащих плеч рычага. Если состав бинарной системы выражен в мольных процентах, вместо отношения масс рассчитывают отношение количеств веществ. Название «правило рычага» связано с формальным сходством математического выражения правила рычага в физико-химическом анализе с уравнением для рычага в механике. 2.ОСНОВЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ ▲ Зонная теория является основой современных представлений о механизмах различных физических явлений, происходящих в твердом кристаллическом веществе при воздействии на него электромагнитного поля. Зонная теория твердого тела – это теория валентных электронов, движущихся в периодическом потенциальном поле кристаллической решетки. В изолированном атоме электроны способны занимать лишь дискретные энергетические уровни, определяемые силами притяжения к ядру и силами отталкивания от других электронов. В твердом теле атомы расположены настолько близко друг к другу, что между ними возникают новые силы взаимодействия – это силы отталкивания между ядрами и между электронами соседних атомов и силы притяжения между всеми ядрами и всеми электронами. Под действием этих сил энергетические состояния в атомах изменяются: энергия одних электронов увеличивается, других – уменьшается. В результате вместо дискретных уровней изолированного атома образуются энергетические зоны, состоящие из очень близко расположенных энергетических уровней, плотность которых возрастает по мере удаления от краев зоны по параболическому закону, достигая максимума в середине зоны. Механизм образования энергетических зон схематически показан на рисунке 2.1. Рисунок 2.1.Оразование энергетических зон По мере сближения атомов (уменьшения расстояний) сначала расщепляются самые высокие энергетические уровни, затем, при дальнейшем сближении – более низкие. Число уровней в энергетической зоне определяется числом взаимодействующих атомов, т.е., атомов, составляющих твердое тело. А это значит, что в кристалле конечных размеров расстояние между уровнями обратно пропорционально числу атомов. В соответствии с принципом Паули на каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов, причем с противоположным направлением спинового момента. Поэтому число электронных состояний в зоне оказывается конечным и равным числу соответствующих атомных состояний. При сближении атомов на расстояние а0 образуется устойчивая кристаллическая структура, которой соответствует энергетическая диаграмма, показанная в левой части рисунка. Разрешенные зоны отделены друг от друга запрещенными зонами, в которых отсутствуют разрешенные уровни. Ширина разрешенных зон по мере перемещения вверх по энергетической шкале возрастает, а ширина запрещенных зон соответственно уменьшается. Во многих случаях может иметь место перекрытие разрешенных энергетических зон. Подобно энергетическим уровням в изолированных атомах, энергетические зоны могут быть полностью заполненными электронами, частично заполненными и свободными. Все зависит от структуры электронных оболочек изолированных атомов и межатомных расстояний в кристалле. Внутренние оболочки изолированных атомов полностью заполнены электронами, поэтому соответствующие им зоны также оказываются заполненными. Самую верхнюю из зон, частично или полностью заполненную электронами, называют валентной зоной, а ближайшую к ней незаполненную – зоной проводимости или свободной зоной. Взаимное положение этих зон зависит от структуры оболочек изолированных атомов и определяет большинство процессов в твердом теле. Рисунок 2.2. Переходы электронов при образовании свободных носителей заряда Из всего вышеизложенного следует, что с точки зрения зонной теории все твердые тела можно разделить на две основные группы: материалы, у которых валентная зона перекрывается зоной проводимости и материалы, у которых валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной зоной. В первом случае незначительное внешнее энергетическое воздействие переводит электроны на более высокие энергетические уровни, что обусловливает хорошую электропроводность материалов. Во втором случае переходы на более высокие энергетические уровни связаны с необходимостью внешнего энергетического воздействия, превышающего ширину запрещенной зоны. Материалы, в энергетической диаграмме которых отсутствует запрещенная зона, относятся к категории проводников, материалы с узкой запрещенной зоной (менее 3 эВ) – к категории полупроводников и материалы с широкой запрещенной зоной (более 3 эВ) – к категории диэлектриков. а б в Рисунок 2.3. Зонные диаграммы металлов (а), полупроводников (б) и диэлектриков (в). 3. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ▲ Диэлектрики - материалы, обладающие незначительной электропроводностью. Основным электрическим свойством диэлектриков является их способность к поляризации. 3.1. 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. Поляризация – процесс упорядочения его связанных электрических зарядов под действием электрического поля. Качественно интенсивность поляризации диэлектрика определяется поляризованностью Р, равной отношению индуцированного электрического момента объема диэлектрика к этому объему, когда последний стремится к нулю: . (3.1) 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. 3.1.1. Электронная поляризация. ▲ Электронная поляризация - это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра. Рисунок 3.1. Электронная поляризация диэлектриков. 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 - 10-16 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, но и возрастает заряд ядра. 3.1.2. Ионная поляризация. ▲ Ионная поляризация - смещение друг относительно друга разноименно заряженных ионов в веществах с ионными связями под действием сил внешнего электрического поля. 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. Рисунок 3.2. Ионная поляризация диэлектриков. Ионная поляризация устанавливается также за малое время (хотя и большее, чем электронная) - 10-13 с. Ионная поляризуемость больше у тех веществ, где ионы слабо связаны друг с другом и несут большие электрические заряды, т. е. являются многовалентными. 3.1.3. Дипольная поляризация. ▲ Дипольная поляризация характерна для полярных диэлектриков, молекулы которых представляют собой твердые диполи, электрические моменты которых ориентированы произвольно. Сущность этого метода поляризации заключается в повороте в направлении электрического поля молекул, имеющих постоянный электрический момент. Рисунок 3.3. Дипольная поляризация диэлектриков. 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 каждого вещества 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 вязких аморфных 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: (3.2) Постоянную времени этого процесса τ называют временем релаксации дипольной поляризации. Если период приложенного переменного напряжения меньше τ, 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 τ сильно возрастает. 3.1.4. Миграционная поляризация. ▲ Миграционная поляризация - перемещение (миграция) зарядов в полупроводящих включениях до их границ и накопления зарядов на границах раздела. Наблюдается в некоторых диэлектриках и системах изоляции, в частности в неоднородных диэлектриках, особенно с полупроводящими включениями. Этот вид поляризации заключается в процессе установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленные - секунды, минуты, часы. Поэтому миграционная поляризация обычно наблюдается лишь при весьма низких частотах. 3.2. Электропроводность диэлектриков. ▲ Все диэлектрические материалы под воздействием постоянного напряжения пропускают некоторый незначительный ток, называемый током утечки. Чем выше удельное сопротивление материала , 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 - сквозной поверхностный ток IS. Поэтому необходимо учитывать наряду с объемным и поверхностный ток, полагая общий ток участка изоляции равным: . (3.3) Следовательно, проводимость G = I / U складывается из проводимостей объемной G = IV / U и поверхностной G = IS / U: . (3.4) Величины обратные указанным проводимостям, называют сопротивлениями участка изоляции - объемным RV и поверхностным RS. Общее сопротивление изоляции определяют как результирующее двух параллельно включенных сопротивлений: . (3.5) Под удельным сопротивлением диэлектрика ρ обычно понимают удельное объемное сопротивление, а для характеристики RS вводят понятие удельного поверхностного сопротивления 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 этого часто в течение минут и даже часов. Ток абсорбции [Iабс] - медленно меняющаяся составляющая тока, обусловленная перераспределением свободных зарядов в объеме диэлектрика 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: (3.6) 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. 3.2.1. Электропроводность твердых диэлектриков. ▲ Электропроводность твердых диэлектриков чаще всего носит не электронный, а ионный характер. Это связано с тем, что ширина запрещенной зоны в диэлектриках Wg >> 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: , (3.7) где q – заряд иона, е – заряд электрона. Носителями заряда в диэлектриках обычно оказываются ионы малых размеров, подвижность которых выше. Удельная электрическая проводимость твердых диэлектриков (см/м), как и полупроводников, растет с ростом температуры по экспоненциальному закону: . (3.8) где µ - подвижность, м²/(В*с), n – число носителей в единице объема (концентрация), q – заряд носителя, W – энергия активации. В широком диапазоне температур зависимость логарифма удельной проводимости γ от обратной величины абсолютной температуры Т должна состоять из двух прямолинейных участков с различными значениями угла наклона к оси абцисс. При температуре выше точки излома А электропроводность определяется в основном собственными дефектами – это область высокотемпературной, или собственной электропроводности. Ниже излома, в области низких температур, зависимость более пологая. Рисунок 3.4 - Зависимость удельной электрической проводимости от температуры. Однако зависимость  (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  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. 3.2.2. 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: , (3.9) где W- энергия диссоциации. Отсюда удельная проводимость: . (3.10) Здесь + и – – 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)  = 103 - 105 Ом*м, для слабо полярных (касторовое масло)  = 108 - 1010 Ом*м, для неполярных (бензол, трансформаторное масло)  > 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. 3.2.3 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 ионов постоянно Nр =  N+ N–, где  - 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 + = +E и – = –E, где + и – - подвижности положительного и отрицательного ионов. Если напряженность поля Е очень мала, так что протекающий ток не меняет концентрации ионов в газе, плотность тока (3.11) Принимая во внимание, что J = Е, получаем выражение для удельной проводимости газа: (3.12) При малых значениях напряженности внешнего электрического поля, когда Nр, , + и – 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 Ј = Епр не наступает пробой газа. 3.2.4. 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 ρs: , (3.13) где h - расстояние между параллельными друг другу кромками электродов, b -длина электродов. У проводниковых материалов поверхностные токи 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 S диэлектриков от различных факторов (температуры, влажности, величины приложенного напряжения) сходен с характером изменения . Однако при изменениях влажности окружающей среды значения S изменяются быстрее, чем значения . Рост поверхностной проводимости для растворимых диэлектриков объясняется наличием на их поверхности ионов, а для пористых - влаги. Кроме того, S падает при загрязнении поверхности диэлектрика. Удельная поверхностная проводимость тем ниже, чем меньше полярность вещества и чем чище поверхность диэлектрика. Причем наличие загрязнений на поверхности относительно мало сказывается на удельной поверхностной проводимости гидрофобных диэлектриков и сильно влияет на проводимость гидрофильных диэлектриков. К первым в основном относятся неполярные диэлектрики, чистая поверхность которых не смачивается водой, ко вторым – полярные и ионные диэлектрики со смачиваемой поверхностью. Наиболее значительное увеличение удельной поверхностной проводимости имеет место у полярных диэлектриков, частично растворимых в воде, у которых на поверхности образуется пленка электролита. Кроме того, к поверхности полярных диэлектриков могут прилипать различные загрязнения, также приводящие к росту поверхностной проводимости. Высокой поверхностной проводимостью обладают и объемно-пористые материалы, так как процесс поглощения влаги в глубь материала стимулирует также и образование ее пленки на поверхности диэлектрика. С целью уменьшения поверхностной проводимости применяют различные приемы очистки поверхности – промывку спиртом, водой с последующей просушкой и т. п. Наиболее эффективной очисткой поверхности достаточно нагревостойкого изделия, не впитывающего воду, является продолжительное кипячение в дистиллированной воде. Покрытие керамики и стекол пленками кремнийорганических лаков способствует сохранению низкой поверхностной проводимости изделий во влажной среде. 3.3. Потери в диэлектриках. ▲ Диэлектрическими потерями - энергия, рассеиваемая 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  между I и U в емкостной цепи. В случае идеального диэлектрика I в такой цепи будет опережать вектор U на 90, при этом угол  будет равен нулю. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в тепло, тем меньше угол сдвига фаз  и тем больше угол диэлектрических потерь  и его функция tg . 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.3.5,а). Если в линейном диэлектрике имеет место замедленная поляризация, связанная с потерями энергии, то кривая зависимости заряда от напряжения приобретает вид эллипса (рис.3.5,б). Рисунок 3.5 - Зависимость заряда от напряжения для линейного диэлектрика без потерь (а), с потерями (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 напряжений U, потери в диэлектрике возникают вследствие ионизации газовых включений внутри диэлектриков, особенно интенсивно происходящей при высоких частотах. Рассмотрим схему, эквивалентную конденсатору с диэлектриком, обладающим потерями, находящемуся в цепи переменного напряжения U. Последовательная и параллельная схема представлены на рис.3.6, там же даны соответствующие диаграммы токов и напряжений. Рисунок 3.6 - Векторные диаграммы и эквивалентные схемы диэлектрика с потерями: а – параллельная; б –последовательная. 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  равны и значения активной мощности одинаковы. Для последовательной схемы (рис. 3.6а): (3.14) (3.15) Для параллельной схемы (рис. 3.6 б): (3.16) , (3.17) . Находим соотношения между Cp и Cs и между r и R: , (3.18 а) . (3.18 б) Для доброкачественных диэлектриков можно пренебречь значением tg2 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: , (3.19) где Ра измеряется в (Вт), U - в (В),  - в (с-1), С - в фарадах (Ф). 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: , (3.20) где p - удельные потери ( Вт/м3);  - 2f - угловая частота ( с-1); Е - напряженность электрического поля(В/м). Действительно, емкость между противоположными гранями куба со стороной 1 м будет С1 = 0, реактивная составляющая удельной проводимости: ; (3.21) а активная составляющая . (3.22) 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 напряжении 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. Следует отметить, что диэлектрические потери в любых материалах зависят от температуры, частоты, влажности, напряженности поля. Частотная зависимость потерь является характеристикой материала и определяется для каждого диэлектрического материала не только свойствами молекул материала, но и наличием и составом примесей. Как правило, потери имеют максимум при одной или нескольких частотах, в зависимости от типа молекул. Положение максимумов характеризуется собственными частотами установления поляризации. Они могут быть связаны с поворотом полярных молекул в жидком диэлектрике или с поворотом домена в сегнетоэлектрике. Температурная зависимость потерь обычно имеет монотонный характер, потери растут с ростом температуры, хотя у некоторых дипольных диэлектриков наблюдаются локальные максимумы, имеющие ту же природу, что и максимумы в частотной зависимости. С ростом влажности потери также растут, зачастую весьма значительно. Это связано, как с увеличением сквозной проводимости, так и с поляризацией растворенной и эмульгированной воды. Увеличение напряженности поля сопровождается ростом tgδ, что объясняется ростом электропроводности. Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе можно подразделить на четыре основных вида: 1.диэлектрические потери, обусловленные поляризацией; 2.диэлектрические потери сквозной электропроводности; 3.ионизационные диэлектрические потери; 4.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. 3.3.1. 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 сегнетоэлектриках 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 tg характерно также и для резонансного механизма потерь, однако в данном случае t на положение max не влияет. 3.3.2. 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: , (3.23) где f - в Гц и  - в Омм. Диэлектрические потери этого вида не зависят от частоты поля; tg уменьшается с частотой по гиперболическому закону. Рисунок 3.7 - Зависимость tg от частоты f и температуры Т. Диэлектрические потери, обусловленные электропроводностью, возрастают с t по экспоненциальному закону: , где A,b - постоянные материала, или в соответствии с приближенным выражением: , где Pt - потери при температуре t С, Р0 - потери при температуре 0С, d - постоянная материала, tg в зависимости от температуры изменяется по тому же закону, который использован для аппроксимации температурной зависимости Р, т.к. температурным изменением емкости можно пренебречь. 3.3.3. Ионизационные диэлектрические потери. ▲ Ионизационные диэлектрические потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии. Механизм этого вида потерь приведен далее при рассмотрении диэлектрических потерь в связи с агрегатным состоянием вещества. 3.3.4. 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 3.1 Таблица 3.1 - 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. Сегнетоэлектрики. 2. Обусловленные электропроводностью ект Независимость потерь от частоты (tg угла потерь с частотой снижается по гиперболе) и заметное возрастание с t. Жидкие и твердые диэлектрики с большой электропроводностью. 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. 3.3.5. 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. Удельное объемное сопротивление газов - порядка 1016 Омм,   1 и tg при f = 50 Гц (в отсутствие ионизации) менее 410-8. При высоких U и в неоднородном поле, когда напряженность в отдельных местах превзойдет некоторые критические значения, молекулы газа ионизируются, вследствие чего в газе возникают потери на ионизацию. Ионизационные потери могут быть вычислены по формуле: , (3. 24) где А1 - постоянный коэффициент, f - частота поля, U - приложенное напряжение, Uи - напряжение, соответствующее началу ионизации. Формула справедлива при U > Uи и линейной зависимости tg от Е. Ионизационное Uи зависит от давления, при котором находится газ, поскольку развитие ударной ионизации молекул связано с длиной свободного пробега носителей заряда. С увеличением давления газа величина Uи возрастает. При Uи начинается ионизация газа в порах и tg заметно возрастает. При U1, когда газ во включениях уже ионизирован и энергия на процесс ионизации не затрачивается, tg уменьшается. Кривую tg = 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 Uи. Рисунок 3.7 - Изменение tg в зависимости от напряжения для твердой изоляции с газовыми включениями. 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. 3.3.6 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, tg которого очень мал и может быть рассчитан по формуле: , (3.25) где f - в Гц и  - 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 tg падает, то потери Ра становятся постоянными в соответствии с формулой: , где Ра - Вт, U - в В,  - в с-1, С - фарадах. Таким образом, характер зависимости диэлектрических потерь Ра от частоты не соответствует характеру частотной зависимости tg. Дипольно-релаксационные потери в маловязких жидкостях при низких частотах незначительны могут быть меньше потерь сквозной электропроводности. Ниже для сравнения приведены значения  и tg для неполярной и полярной жидкостей при частоте 50 Гц. Трансформаторное масло  = 2,3; tg = 0,001; Совол  = 5; tg = 0,02; Как видно, tg диэлектрических потерь неполярной жидкости - трансформаторного масла значительно меньше, чем полярной жидкости - совола. 3.3.7 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: 1. диэлектрики молекулярной структуры; 2. диэлектрики ионной структуры; 3. диэлектрики сегнетоэлектрики; 4. 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 (tg не зависит от частоты); б) потери, заметно возрастающие с температурой по закону экспоненциальной функции и мало зависящие от частоты (tg 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 3.2 - Влияние термической обработки на tg потерь стекол при 20С и f = 1 МГц. Способ обработки tg 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 3.2 показана зависимость tg 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). 3.4 Пробой диэлектриков. ▲ 3.4.1. Общая характеристика пробоя. ▲ Пробой диэлектрика – это явление, когда диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свои электроизоляционные свойства, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. 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, 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. Существует несколько разновидностей пробоя: Электрический пробой возникает тогда, когда некоторое количество носителей зарядов, ускоренных электрическим полем, приобретает энергию, достаточную для ударной ионизации атомов. Это приводит к появлению новых носителей заряда, которые также ускоряются полем, и в итоге возникает лавинообразный процесс увеличения тока, который развивается в течение 10-7 — 10-5 с. Этот процесс обычно локализован в узкой области диэлектрика, поэтому следствием его является появление разрядного канала, внутри которого повышается давление, что приводит к появлению трещин или к полному разрушению диэлектрика. Тепловой пробой возникает тогда, когда количество теплоты, выделяемой в диэлектрике, будет больше количества теплоты, отводимой от него в окружающую среду. В результате происходит нагрев диэлектрика, приводящий к его расплавлению или обугливанию. Электрохимический пробой наступает при длительном действии напряжения и может быть вызван электрохимическими процессами, происходящими в диэлектрике под действием электрического поля . Из изложенного следует, что пробой газов – явление чисто электрическое, а в разрушении жидких и особенно твердых диэлектриков существенную роль играют тепловые процессы. 3.4.2. 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·Uλ, где q – заряд, Uλ – падение напряжения на длине свободного пробега λ. 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. При заданных значениях давления газа и температуры ударная ионизация начинается при определенной напряженности поля, поскольку q и λ 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.3.8. Рисунок 3.8 - 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. 3.4.3. 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, показано на рис. 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. 3.4.4. Пробой твердых диэлектриков. ▲ Различают четыре вида пробоя твердых диэлектриков: 1. электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков; 2. электрический пробой неоднородных диэлектриков; 3. тепловой (электротепловой) пробой; 4. электрохимический пробой. 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: U2ωCtgδ(Т) = σS(Tраб – T0), (3.26) где U – напряжение, В; U2ωC– реактивная мощность, В·А; ω – угловая частота, с-1; С – емкость изолятора, Ф; tgδ – тангенс угла потерь при рабочей температуре; σ – 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: (3.27) где λ– коэффициент теплопроводности диэлектрика ( Вт/м·К); f – частота ( Гц); tgδн – тангенс угла потерь диэлектрика при начальной температуре (до приложенного напряжения); εн – диэлектрическая проницаемость; φ(k,λ,λэ,h) – коэффициент, зависящий от толщины слоя h, коэффициента теплоотдачи k от электродов в окружающую среду, λ и λэ – коэффициент теплопроводности 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. 3.5. 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. 3.6. 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. 3.6.1. 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 Н Н | | – C = C – | | Н С6Н5 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 Н Н Н Н Н Н | | | | | | – С – С – С – С – С – С – | | | | | | Н С6Н5 Н С6Н Н С6Н5 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. 3.6.2. 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. 3.6.3. 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. 3.6.4. 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. 3.6.5. Волокнистые материалы. ▲ Это материалы, которые состоят преимущественно из частиц удлиненной формы – волокон, промежутки между которыми заполнены воздухом или какими – либо смолами. 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. 3.6.6. Пластические массы. ▲ Пластмассы 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). 3.6.7. 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: …- СН2 – С = СН - СН2 – СН2 – С = СН - СН2 –… | | СН3 СН3 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. 3.6.8. Стекла. ▲ Стекла – неорганические аморфные вещества – представляют собой сложные системы различных оксидов. Кроме стеклообразующих оксидов, т.е. таких, каждый из которых способен сам по себе в чистом виде образовывать стекло (SiO2, B2O3)б 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. 3.6.9. 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. 3.7. Активные диэлектрики. ▲ 3.7.1. Классификация активных диэлектриков. ▲ Активные диэлектрики - диэлектрики, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий и использовать эти воздействия для создания функциональных элементов электроники. Активные диэлектрики позволяют осуществить генерацию, усиление, модуляцию электрических и оптических сигналов, запоминание или преобразование информации. К числу активных диэлектриков относят сегнето-, пьезо- и пироэлектрики, электреты, материалы квантовой электроники, жидкие кристаллы, электро-, магнито- и акустооптические материалы, диэлектрические кристаллы с нелинейными оптическими свойствами и др. Свойствами активных диэлектриков могут обладать не только твердые, но также жидкие и даже газообразные вещества (активная среда газовых лазеров). По химическому составу это могут быть органические и неорганические материалы. По строению и свойствам их можно подразделить на кристаллические и аморфные, полярные и неполярные диэлектрики. Резкой границы между активными и пассивными диэлектриками не существует. Один и тот же материал в различных условиях его эксплуатации может выполнять либо пассивные функции изолятора или конденсатора, либо активные функции управляющего или преобразующего элемента. В зависимости от технического назначения существенно различны и требования к материалам. Так, одно из главных требований, предъявляемых к пассивным диэлектрикам, заключается в сохранении стабильности свойств при внешних воздействиях. В то же время требования к активному материалу совершенно противоположные: чем сильнее изменяются его свойства при внешних возмущениях, тем лучше может выполнять активный элемент функции управления энергией или преобразования поступающей информации. 3.7.2. Сегнетоэлектрики. ▲ Сегнетоэлектриками - вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. В отсутствие внешнего электрического поля сегнетоэлектрики имеют доменную структуру. Домены представляют собой макроскопические области, обладающие самопроизвольной поляризацией, которая возникает под влиянием внутренних процессов в диэлектрике. Направления электрических моментов у различных доменов различно. Поэтому суммарная поляризованность образца в целом может быть равна нулю. Внешнее электрическое поле изменяет направления электрических моментов доменов, что создает эффект очень сильной поляризации. Этим объясняются свойственные сегнетоэлектрикам сверхвысокие значения диэлектрической проницаемости (до сотен тысяч). Следствием доменного строения сегнетоэлектриков является нелинейная зависимость их заряда от прикладываемого напряжения. Нелинейность поляризации по отношению к полю и наличие гистерезиса обуславливают зависимость диэлектрической проницаемости и емкости сегнетодиэлектрического конденсатора от режима работы. По типу химической связи и физическим свойствам их принято подразделять на две группы: ионные кристаллы и дипольные кристаллы. У первой группы характерным структурным элементом решетки является кислородный октаэдр, поэтому их называют кислородно-октаэдрического типа (титанат бария BaTiO3, титанат свинца PbTiO3, ниобат калия KniO3, танталат лития LiTaO3, йодат калия KJO3, барий-натриевый ниобат Ba2NaNb5O15 БАНАН и др.). У кристаллов второй группы имеются готовые полярные группы атомов, способные занимать различные положения равновесия (сегнетова соль, дигидрофосфат калия, нитрит натрия и др.). У значительной части сегнетоэлектриков этой группы точка Кюри лежит значительно ниже комнатной температуры. Ионные и дипольные сегнетоэлектрики существенно различаются по свойствам. Все соединения первого типа нерастворимы в воде, обладают значительной механической прочностью, легко получаются в виде поликристаллов по керамической технологии. Дипольные же сегенетоэлектрики обладают высокой растворимостью в воде и малой механической прочностью. В техническом применении сегнетоэлектриков наметилось несколько направлений, важнейшими из которых следует считать: -изготовление малогабаритных НЧ конденсаторов с большой удельной емкостью; -использование в вычислительной технике в качестве ячеек памяти; -использование для диэлектрических усилителей, модуляторов и др. управляемых устройств; -использование кристаллов сегнето- и антисегнетоэлектриков для модуляции и преобразования лазерного излучения; -изготовление пьезоэлектрических и пироэлектрических преобразователей. 3.7.3. Пьезоэлектрики. ▲ Это диэлектрики, обладающие сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений, т.е. возникающий на каждой из поверхностей диэлектрика электрический заряд изменяется по линейному закону в зависимости от механических усилий. При обратном пьезоэлектрическом эффекте происходит изменение размеров диэлектрика в зависимости от напряженности электрического поля. Различают также продольный и поперечный пьезоэффекты. Под первым понимают такой эффект, когда возникновение зарядов на противоположных гранях пластинки определяют в том же направлении, в котором были приложены механические усилия. При поперечном пьезоэлектрическом эффекте возникающие заряды или деформации измеряют в направлении, перпендикулярном направлению механических усилий или электрического поля соответственно. Пьезоэффект наблюдается лишь в веществах с гетерополярной химической связью, т.е. пьезоэлектриками могут быть либо ионные, либо сильнополярные диэлектрики. Вторым необходимым условием существования пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в структуре диэлектрика. Известно более 1000 веществ, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, в том числе – все сегнетоэлектрики. Важнейшее применение нашел монокристаллический кварц - одна из модификаций двуокиси кремния – в качестве фильтров с высокой избирательной способностью, а также для стабилизации и эталонирования частоты генераторов. Помимо кварца в различных пьезопреобразователях применяют кристаллы сульфата лития, сегнетовой соли, дигидрофосфата аммония, а также ниобат и танталат лития. Последние составляют значительную конкуренцию кварцу, превосходя его по добротности в диапазоне ВЧ и СВЧ. Также находит широкое применение пьезокерамика – поляризованная сегнетокерамика, предназначенная для использования в пьезоэлектрических преобразователях. Пьезокерамика имеет перед монокристаллами то преимущество, что из нее можно изготовить активный элемент практически любой формы и любого размера. Основным материалом для изготовления пьезокерамических элементов являются твердые растворы цирконата-титаната свинца PbZrO - PbTiO ЦТС. Эта керамика широко используется для создания мощных ультразвуковых излучателей в широком диапазоне частот для целей гидроакустики, дефектоскопии, механической обработки материалов, в химической промышленности и полупроводниковой технологии. Из пьезокерамики делают малогабаритные микрофоны, телефоны, громкоговорители, слуховые аппараты, детонаторы. Двойное преобразование энергии положено в основу работы пьезорезонансных фильтров, линий задержки и пьезотрансформаторов. Кроме керамики ЦТС для изготовления различных пьезоэлектрических преобразователей применяют керамические материалы на основе твердых растворов BaNb O –PbNb O и NaNbO – KNbO . Последние разработаны специально для ВЧ преобразователей (10-40МГц). 3.7.4. Пироэлектрики. ▲ Пироэлектрическим эффектом называют изменение спонтанной поляризованности диэлектриков при изменении температуры. К пироэлектрикам относят диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пироэлектрическим эффектом. Температурное изменение спонтанной поляризованности обусловлено двумя основными причинами: с одной стороны, повышение температуры нарушает упорядоченность в расположении элементарных дипольных моментов (первичный или истинный пироэффект), а с другой стороны, нагревание вызывает изменение линейных размеров диэлектрика и пьезоэлектрическую поляризацию, обусловленную деформацией (вторичный пироэффект). Пироэлектрическими свойствами обладают некоторые линейные диэлектрики (турмалин, сульфат лития) и все сегнетоэлектрики. Сегнетоэлектрики проявляют пироэлектрические свойства только в монодоменизированном состоянии, для которого характерна одинаковая ориентация спонтанной поляризованности всех доменов. Пироэлектрический эффект проявляется и в поляризованной сегнетокерамике, хотя ее пироэлектрические свойства хуже, чем у монокристаллов. Пиро- и пьезоэлектрические свойства обнаружены у некоторых полимеров, в частности, у поляризованных пленок пливинилденфторида и поливинилденхлорида. Интерес к ним вызван простотой технологии, невысокой стоимостью, возможностью изготовления образцов практически любой геометрии. К тому же они характеризуются малой инерционностью пироэффекта на ВЧ. 3.7.5. Электреты. ▲ Электретом называют тело из диэлектрика, длительно сохраняющее поляризацию и создающее в окружающем пространстве электрическое поле. Различают термо-, фото- и короноэлектреты. Первые получают из расплава полярных диэлектриков, охлаждая его в сильном электрическом поле, вторые – из материалов, обладающих фотопроводимостью при одновременном воздействии света и электрического поля, третьи – только при воздействии электрического поля, но настолько большого, что над поверхностью диэлектрика возникает газовый разряд. Образование электретного состояния в диэлектрике обусловлено накоплением электрических зарядов обоих знаков на поверхностях электрета под поляризующими электродами. Заряды, перешедшие из поляризующего электрода или из воздушного зазора на поверхностные ловушки твердого диэлектрика и имеющие тот же знак заряда, что и на электроде, называют гомозарядами. Заряды с противоположным знаком полярности электродов, возникающие в электрете за счет различных релаксационных механизмов поляризации, называют гетерозарядами. Разность гомо- и гетерозарядов определяет результирующий заряд поверхности электрета. У органических полярных электретов преобладают гетерозаряды, у неорганических (керамических) материалов и органических неполярных диэлектриков – гомозаряды. Время жизни электретов в нормальных условиях может достигать десятков лет. Оно быстро уменьшается с повышением температуры и влажности окружающей среды. В настоящее время наибольшее практическое применение находят электреты на основе полимерных пленок (полиэтилентерефталат, поликарбонат и др.). В условиях повышенной влажности наиболее стабильны электреты из политетрафторэтилена. Электреты могут быть использованы для изготовления микрофонов и телефонов, измерения механических вибраций в качестве дозиметров радиации, измерителей атмосферного давления и во мн. др. случаях. 3.7.6. Жидкие кристаллы. ▲ Жидкими кристаллами называют такие вещества, которые находятся в промежуточном (мезоморфном) состоянии между изотропной жидкостью и твердым кристаллическим телом. С одной стороны, они обладают текучестью, способностью находиться в каплевидном состоянии, а с другой – для них характерна анизоторопия свойств и, прежде всего оптическая анизотропия. Малость межмолекулярных сил, обеспечивающих упорядоченную структуру жидкого кристалла, является принципиальной основой сильной зависимости свойств от внешних факторов (температуры, давления, электрического поля и др.), которая открывает богатые возможности при разработке индикаторных устройств различного назначения. Жидкокристаллическое состояние образуют в основном органические соединения с удлиненной палочкообразной формой молекул. Значительную часть жидких кристаллов составляют соединения ароматического ряда, т.е. содержащие бензольные кольца. В настоящее время известно более 3000 органических соединений, способных существовать в мезоморфном состоянии. Среди них есть и такие вещества, у которых температурный интервал существования мезофазы включает комнатную температуру. По признаку общей симметрии все жидкие кристаллы подразделяются на три вида: смектические, нематические и холестерические. Смектические характеризуются слоистым строением. Центры тяжести удлиненных молекул находятся в плоскостях, равноудаленных друг от друга. Текучесть обеспечивается лишь взаимным скольжением слоев, поэтому вязкость среды достаточно велика. Из-за этого они не получили широкого распространения в технике. В нематических кристаллах длинные оси молекул ориентированы вдоль одного общего направления, называемого нематическим директором. Однако центры тяжести молекул расположены беспорядочно, так что возникает симметрия более низкого порядка, чем у смектических кристаллов. При таком строении вещества возможно взаимное скольжение молекул вдоль нематического директора. Холестерические кристаллы на молекулярном уровне похожи на нематические, но вся их структура дополнительно закручена вокруг оси, перпендикулярной молекулярным осям. Такая структура ведет себя по отношению к падающему излучению подобно интерференционному фильтру, т.е. световые лучи испытывают селективные отражения. Область применения жидких кристаллов пока в основном ограничивается индикаторными устройствами: дисплеи, крупноформатные табло, цифровые индикаторы для микрокомпьютеров, циферблаты электронных часов и цифровых измерительных приборов. Основные преимущества таких индикаторов: 1) хороший контраст при ярком освещении; 2) низкая потребляемая мощность; 3) совместимость с интегральными схемами; 4) сравнительная простота в изготовлении и низкая стоимость. Отметим, что в жидких кристаллах для индикации используется окружающий свет, благодаря чему их потребляемая мощность значительно меньше, чем в других индикаторных устройствах (10-4 - 10–6Вт/см2). Это на несколько порядков ниже, чем в светодиодах, порошковых и пленочных электролюминофорах, а также в газоразрядных индикаторах. Принципиальными недостатками устройств на жидких кристаллах являются невысокое быстродействие, а также подверженность процессам электро- и фотохимического старения. 3.7.7. Материалы для твердотельных лазеров. ▲ Лазер (light amplification by stimulated of radiation) представляет собой источник оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии. В основе принципа действия лазеров лежит открытое А.Эйнштейном явление вынужденного (стимулированного) излучения. Оно заключается в практически одновременном испускании согласованных по частоте и направлению электромагнитных волн (фотонов) огромным количеством атомов или молекул под действием внешнего электромагнитного поля. Основными элементами лазеров на твердых диэлектриках являются активная среда (рабочее тело), оптический резонатор и система оптической накачки. Оптической средой служит кристаллическая или стеклообразная матрица, в которой равномерно распределены активные ионы (активаторы люминесценции). Все процессы поглощения и излучения света связаны с переходами электронов между уровнями активного иона; при этом матрица играет пассивную роль. Тип активного иона в основном определяет спектр излучения лазера. Рабочее тело лазера изготавливают, как правило, в виде цилиндрического стержня. Торцевые поверхности которого обрабатываются с высокой степенью точности. Параллельность торцов выдерживается в пределах нескольких угловых секунд. Для возбуждения активных ионов используется оптическая накачка с помощью мощных газоразрядных ламп. Несмотря на то, что матрица не участвует в процессах генерации колебаний, многие физические свойства активной среды определяются именно матрицей. Поэтому вещество кристаллической или стеклообразной основы должно удовлетворять ряду требований: 1. Неактивированная матрица должна быть оптически прозрачной как для излучения накачки, так и для излучения активных ионов, вводимых в матрицу; 2. Вещество основы должно обладать высокой теплопроводностью, чтобы эффективно рассеивать энергию, выделяющуюся при безызлучательных переходах; 3. Матрица должна быть оптически однородной. Механические напряжения, различные микровключения, пузырьки, границы зерен увеличивают пороговую мощность генерации, вызывают паразитное поглощение и рассеяние энергии. Вследствие этого увеличивается расходимость лазерного луча, ослабляется его интенсивность; 4. Материал основы должен обладать высокой нагревостойкостью и механической прочностью, чтобы выдерживать тепловые перегрузки при высокой плотности излучения накачки и генерации; 5. Матрица должна быть устойчива к воздействию ультрафиолетового излучения ламп накачки; 6. Материал должен быть технологичным, т.е. доступным для массового производства цилиндрических стержней необходимых размеров; 7. Структура кристаллической решетки матрицы должна допускать введение активатора в заданной концентрации. Перечисленным требованиям в той или иной мере удовлетворяют высокотемпературные кислородные соединения (окислы, гранаты, вольфраматы,молибдаты, ниобаты и др.), фториды различных металлов, а также оксидные и фторбериллатные стекла. Основу последних составляет BeF2. Одним из наиболее освоенных материалов лазерной техники является рубин. Рубинами называют кристаллы -корунда (Al2O3), в которых часть ионов алюминия замещена ионами хрома. Количеством хрома определяется цвет рубина. Розовые рубины, использующиеся в лазерной технике, имеют концентрацию ионов хрома 1.6 ·1025 в одном кубическом метре. Кристалл рубина обладает оптической анизотропией и имеет почти кубическую симметрию. Ценными качествами рубина являются высокие механическая прочность и теплопроводность. Наряду с рубином важнейшим материалом лазерной техники является иттрий-алюминиевый гранат, в кристаллической решетке которого часть ионов иттрия замещена ионами неодима. Низкая пороговая энергия возбуждения при комнатной температуре, высокая механическая прочность и хорошая теплопроводность дают возможность применять этот материал в лазерах, работающих в непрерывном и высокочастотном режимах. Лазеры находят применение в системах оптической локации, в телевидении, в голографии, информационно-измерительной технике, в медицине. С их помощью осуществляется дальняя космическая связь. Широкое распространение получила лазерная обработка оптически непрозрачных материалов: импульсная сварка, плавление, пайка, отжиг, сверление отверстий, резание и др. Примеры решения задач по теме «Диэлектрические материалы». Задача №1. Конденсаторная керамика при 0˚С имеет проводимость γ0=10-11 Сим/м. Какова температура окружающей среды при проводимости керамики γ2=3.77·10-24 Сим/см и температурном коэффициенте сопротивления α=0.8? Дано: Т1=0˚С γ1=10-11 Сим/м γ2=3.77·10-24 Сим/см α=0.8 Т2 - ? Решение: Для решения данной задачи воспользуемся зависимостью удельного сопротивления диэлектрика от температуры: ρ=ρ0е-αТ, где е – экспонента (е≈2.7). Так как ρ=1/ γ. Имеем: 1/ γ=(1/ γ0·еαТ). γ0=γ1 еαТ1 и γ0=γ2 еαТ2. Приравняв выражения по γ0, выведем формулу для искомой температуры: γ1/ γ2=[eαT2/ eαT1]; Ln[γ1/ γ2]=αT2- αT1; T2=T1+(Ln[γ1/ γ2])/α. Приведём все величины к одинаковым размерным единицам: 3.77·10-24 Сим/см = 3.77·10-22 Сим/м. T2=(Ln[10-11/ (3.77·10-22)])/0.8=30˚С. Задача №2. Определить толщину диэлектрического материала h в электрическом поле, если пробивное напряжение между электродами конденсатора Uпр=35.1 кВ на рабочей частоте f=10 кГц. Вычисления проводить при заданной температуре Т=70˚С, тангенсе диэлектрических потерь tgδ0=1·10-2, диэлектрической проницаемости ε=3, коэффициенте теплоотдачи материала σ=25 Вт/см2·град и при коэффициенте температурного сопротивления αtgδ=0.05 1/K. Дано: Uпр=35.1 кВ f=10 кГц Т=70˚С tgδ0=1·10-2 ε=3 σ=25 Вт/см2·град αtgδ=0.05 1/K T0=20˚C ε0=8.854·10-12Ф/м h - ? Решение: Исходя из формулы пробивного напряжения диэлектриков имеем: и c учётом формулы для ёмкости С=εε0S/h и , где е – основание экспоненты (е≈2.7), получаем Отсюда выражаем . Приведём все величины к одинаковым размерным единицам: 25 Вт/см2·град = 25·104 Вт/м2·град; 10 кГц = 10·103Гц; 35.1 кВ = 35.1·103 В. =0.2·10-3(м). Вопросы для самоконтроля: 1. В чем внешне проявляется поляризация диэлектриков? 2. Почему диэлектрики в электрическом поле нагреваются? 3. Почему в диэлектриках характер собственной электропроводности ионный, а не электронный? 4. Чем вызвана поверхностная электропроводность твердых диэлектриков? 5. Чем вызваны диэлектрические потери в диэлектрике? 6. От каких факторов зависят диэлектрические потери в диэлектриках? 7. Что такое пробой диэлектрика? Виды пробоя. 8. Может ли произойти пробой вакуума? Почему? 9. Когда в электроизоляционном материале имеет место электрохимический пробой? 10. Когда в электроизоляционных материалах наступает тепловой пробой? 11. Когда в электроизоляционном материале имеет место электрохимический пробой? 12. Что характеризует электрическая прочность диэлектрика? 13. Как электрическая прочность зависит от площади поверхности электродов? Почему? 14. Чем объясняется уменьшение электрической прочности при увеличении толщины диэлектрика? 4. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ▲ 4.1. 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 около десяти. В современной технике особое значение приобрели кремний (Si), германий (Ge) и, частично, селен (Se). Материалы Атомный № DW, 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 DW, 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 DW, 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 DW, 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. 4.2. 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. Рисунок 4.1. 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. 4.2.1. 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. ni=pi, ni+pi=2 ni (4.1) В результате процессов генерации и рекомбинации при любой температуре тела устанавливается равновесная концентрация (cм-3) возбужденных носителей: (4.2) 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. k – постоянная Больцмана. В случае собственной электропроводности ni=pi, но JnJp (4.3) т.к. подвижность электрона больше подвижности дырки. А подвижность µ есть средняя скорость перемещения носителя заряда при единичной напряженности электрического поля в ПП: = (4.4) 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. 4.3. 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. 4.3.1. 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. Рисунок 4.2 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. Рисунол 4.3 - Энергетическая диаграмма донорного полупроводника. 4.3.2. 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. Рисунок 4.4 - 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. Рисунок 4.5 - Энергетическая диаграмма акцепторного полупроводника. 4.3.3. 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 в состоянии термодинамического равновесия справедливо соотношение (закон действующих масс ): p·n = ni2 (4.5) 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. 4.4. 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: γi = ni е (μn + μp) (4.6) В примесном полупроводнике n  p, поэтому электропроводность выражается следующей формулой: γ = е (μnn + μpp) (4.7) 4.5. Воздействие внешних факторов на электропроводность полупроводников. ▲ 4.5.1. 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. 4.6. Рисунок 4.6 -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. Рисунок 4.7 - Температурная зависимость подвижности носителей заряда для невырожденного полупроводника при различных концентрациях примеси. 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.4.7.). Рассмотрев влияние температуры на концентрацию и подвижность носителей заряда, можно представить и характер изменения удельной проводимости при изменении температуры (рис.4.8). Рисунок 4.8 - Температурные зависимости удельной проводимости полупроводников от температуры при различных концентрациях примеси (NД1 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. 6.2.3. Индукция насыщения. ▲ Индукция Вs, характерная для всех магнитных материалов, называется индукцией насыщения (см.рис.6.4). 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: Рисунок 6.4 - 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. 6.2.4. 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. 6.2.5. 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. 6.2.6. 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. 6.2.7. 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. 6.2.8. Коэффициент прямоугольности петли гистерезиса. ▲ Для оценки формы гистерезисной петли пользуются коэффициентом прямоугольности петли гистерезиса: Кп = Вr /Вm (6.6) Чем больше Кп, тем прямоугольнее петля. Для магнитных материалов, применяемых в автоматике и ЗУ ЭВМ, Кп = 0.7-0.9. 6.2.9. Удельная объемная энергия. ▲ Это характеристика , применяемая доля оценки свойств магнитно-твердых материалов, выражается формулой: Wм = 1/2(Bd·Hd), (6.7) где Bd и Hd соответственно индукция и напряженность магнитного поля, соответствующие максимальному значению удельной объемной энергии (рис.6.5). Рисунок 6.5 - Кривые размагничивания и магнитной энергии Чем больше объемная энергия, тем лучше магнитный материал и постоянный магнит, из него изготовленный. 6.3. 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 1.металлические 2.неметаллические 3.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). 6.4. Металлические магнитно-мягкие материалы. ▲ Основными магнитно-мягкими материалами, применяемыми в радиоэлектронной аппаратуре, являются карбонильное железо, пермаллои, альсиферы и низкоуглеродистые кремнистые стали. 6.4.1. 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. 6.4.2. 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. Легированные пермаллои применяют для деталей аппаратуры, работающих на частотах 1 – 5 МГц. В магнитных усилителях применяют пермаллои с прямоугольной петлей гистерезиса. 6.4.3. 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. 6.4.4. 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 не нагретом состояниях, поэтому различают горячекатаную и холоднокатаную сталь. Улучшенные магнитные характеристики холоднокатаных сталей наблюдаются только при совпадении направления магнитного потока с направлением прокатки. В противном случае свойства горячекатаных сталей выше. Сравнительные характеристики горячекатаной и холоднокатаной сталей приведены в таблице 6.1. Стали применяют в менее ответственных узлах РЭА. Таблица 6.1. μн μм Нс, А/м Горячекатаная 300 - 400 6000 - 8000 31 – 33 Холоднокатаная 600 - 900 2000 - 35000 9.5 – 14 6.5. Металлические магнитно-твердые материалы. ▲ По составу, состоянию и способу получения магнитно-твердые материалы подразделяются на: 1. легированные стали, закаливаемые на мартенсит; 2. литые магнитно-твердые сплавы; 3. магниты из порошков; 4. магнитно-твердые ферриты; 5. 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. 6.5.1. 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. 6.5.2. 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. 6.5.3. 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). 6.5.4. Пластически деформируемые сплавы и магнитные ленты. ▲ К таким сплавам относятся викаллой, кунифе, кунико и некоторые другие. Основные представления об этих сплавах приведены в таблице 5.2. Таблица 6.2. 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 6.6. 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, (6.8) 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. 6.7. 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. Примеры решения задач по теме «Магнитные материалы». Задача №1. Определить напряжённость поля старта H0 при заданных параметрах: коэрцитивная сила Hc=3А/м, коэффициент переключения Sф=14·10-6к/м, время переключения τ=14 мкс. напряжённость магнитного поля, соответствующая максимальной магнитной индукции Hm=4 А/м. Дано: Hc=3А/м Sф=14·10-6к/м τ=14 мкс H0 - ? Решение: Исходя из формулы для коэффициента переключения Sф=τ(Hm- H0), найдём H0=Hm- Sф/τ. Зная, что напряжённость магнитного поля, соответствующая максимальной магнитной индукции Hm=[4Hc]/3, получим H0=[4Hc]/3- Sф/τ. Приведём все величины к одинаковым размерным единицам: 14 мкс = 14·10-6с. H0=[4·3]/3-[14·10-6]/ [14·10-6]=3(А/м). Задача №2. Магнитодиэлектрик выполнен из порошков никелево-цинкового феррита и полистирола с объёмным содержанием магнитного материала α=0.1. Определить магнитную μа и диэлектрическую εm проницаемости магнитного наполнителя, при следующих параметрах магнитодиэлектрика: μ=1.821, ε=3.3 и εд=2.5. Дано: α=0.1 μ=1.821 ε=3.3 εд=2.5 μа - ? εm - ? Решение: Зная, что диэлектрическая проницаемость магнитодиэлектрика ε=εmα εд1-α, то Исходя из того, что μ= μаα, найдём μа=. Так как все величины даны в одинаковых размерных единицах, то подставляем числовые значения: μа==400. Вопросы для самоконтроля: 1. Чем обусловлены магнитные свойства материалов? 2. Какой параметр магнитного материала определяется наклоном предельной петли гистерезиса? 3. Что характеризует и как определяется относительная магнитная проницаемость? 4. Как оценить потери энергии в магнитном материале по предельной петле гистерезиса? 5. В постоянном или переменном магнитном поле потери в магнитных материалах выше? Почему? 6. На каком основании магнитные материалы относят к магнитотвердым? 7. На каком основании магнитные материалы относят к магнитномягким? 8. Какие наиболее важные параметры магнитотвердых материалов? Почему? 9. Какие наиболее важные параметры магнитномягких материалов? Почему? 10. Что такое ферриты и в чем их достоинства? 11. В чем проявляется парамагнитный эффект? 12. Как ведет себя парамагнетик в неоднородном магнитном поле? Почему? 13. Что такое диамагнитный эффект? Для каких материалов он характерен? 14. Как ведет себя диамагнетик в неоднородном магнитном поле? Почему? СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Литература основная 1. Пасынкрв В.В., Сорокин В.С., Материалы электронной техники: Учебник. 5-е изд.,стер.- СПб.: Издательство «Лань», 2003.- 368с., ил. 2. Демаков Ю.П., Радиоматериалы и радиокомпоненты ч.1; Радиотехнические материалы - Б.М., 1997г. 3. Демаков Ю.П., Радиоматериалы и радиокомпоненты ч.2, Компоненты электронных схем. Характеристики, применение, расчет - Б.М., 1999г. 4. Тихомиров Н.Н., Радиоматериалы и радио компоненты.: Учебное пособие -М., 1999г. Литература дополнительная 1. Голев И.М., радиоматериалы.: Учебное пособие - Воронеж, 1994г - 91с. 2. Хандогин М.С., Учебное пособие по курсу Радиоматериалы, радиокомпоненты и основы микроэлектроники - Минск.: МРТИ, 1991г. - 141с. 3. Свитенко В.Н., Элементы и компоненты РЭУ. Радиоматериалы.: Учебное пособие для специальности Радиотехника - Киев, 1990г. - 93 с. 4. Конструкционные и электротехнические материалы под редакцией В.А. Филипова - М.: Высшая школа,1990г 5. Конструкционные и электротехнические материалы под редакцией В.А. Филипова - М.: Высшая школа,1990г 6. Никулин Н.В., Электроматериаловедение - М.: Высшая школа, 1989г 7. Пасынков В.В., Сорокин В.С., Материалы электронной техники - М.: Высшая школа, 1986г 8. Богородицкий Ш.П. и др., Электротехнические материалы - Ленинград : Энергоатомиздат, 1985г 9. Калинин Н.Н и др., Электроматериалы - М.: Высшая школа, 1981г 10. Угай Я.А.. Введение в химию проводников - М.: Высшая школа, 1975г. 11. Электрорадиоматериалы. Под ред. Тареева Б.М. Учебное пособиедля студентов – М.: Высшая школа, 1978г.