Провідники і напівпровідники

Задача 1

Дайте короткий опис фізичного сенсу і практичного значення пробою. Наведіть величини вимірювань величини характеристик для різних груп діелектриків

Кожен діелектрик, перебуваючи в електричному полі, втрачає властивості ізоляційного матеріалу, якщо напруженість поля перевищить деяке критичне значення. Це явище - пробою діелектрика. У результаті пробою відбувається з'єднання провідників, що знаходяться під напругою, один з одним.

- Напруга, при якому відбувається пробій - пробивна напруга, що вимірюється в кіловольт.

- Електрична міцність діелектрика, яка вимірюється в або - У практиці, - В системі СІ.

Виду пробою:

• Тепловий пробій. У результаті нагрівання діелектрика проходять через нього електричного струму, опір діелектрика безперервно зменшується. Це викликає збільшення струму, внаслідок чого підвищується температура, до тих пір, поки струм не досягне величини, при якій діелектрик термічно руйнується (плавиться). У цьому випадку залежить від температури діелектрика.

• Електричний пробій. З підвищенням напруженості електричного поля відбувається процес швидкого наростання кількості вільних електронів, який закінчується пробоєм діелектрика.

Криву залежності від часу впливу прикладеної напруги називають «кривий життя діелектрика», оскільки по ній можна визначити час життя діелектрика при заданій напруженості поля.

• Електрична проникність діелектрика при електричному пробої не залежить від температури, але при більш високих температурах діелектрика переходить в тепловий пробій.

При цьому діелектрика зменшується зі зростанням його температури.

1. Пробій газів - явище чисто електричне, залежить від ступеня однорідності електричного поля, в якому здійснюється пробою

• Пробій в однорідному полі. У такому полі пробою настає практично миттєво при досягненні суворо певного напруження, що залежить від температури і тиску газу. Між електродами виникає іскра, яка потім переходить у дугу, якщо джерело напруги має достатню потужність. Поява іскри при заданій відстані між електродами використовують для визначення значення прикладеної напруги.

Електрична міцність газу в сильній мірі залежить від тиску, якщо температура постійна. При малих змінах температури і тиску газу пробивну напругу пропорційно щільності газу:

де: - Пробивна напруга за даних температурі і тиску

- Пробивна напруга при нормальних умовах

( )

• Пробій в неоднорідному полі. Особливістю пробою в такому полі є виникнення часткового заряду у вигляді корони в місцях, де напруженість поля досягає критичних значень, з подальшим переходом корони в іскровий заряд і дугу при зростанні напруги.

2. Пробій рідких діелектриків. У рідких діелектриках на явище пробою впливає наявність домішок, так як отримати гранично чисту рідину дуже важко. Теорію електричного пробою можна застосувати до рідин максимально очищеним від домішки. Пробій рідин, що містять газові включення, пояснюються місцевим перегрівом рідин, який призводить до утворення газового каналу між електродами. Вода у вигляді крапельок в трансформаторному маслі, при нормальній температурі значно знижує . Під впливом електричного поля сферичні крапельки води поляризуються, набуваючи форму еліпсоїдів і, притягаючи між собою різнойменними кінцями, створюють між електродами ланцюжка з підвищеною провідністю, по яких і відбувається електричний пробій. Сажа і обривки волокон спотворюють електричне поле всередині рідини і також призводять до зниження електричної міцності рідких діелектриків. Очищення рідких діелектриків від домішок значно підвищує електричну міцність.

3. Пробій твердих діелектриків. Розрізняють чотири види пробою:

• Електричний пробій макроскопічно однорідних діелектриків. Цей вид пробою характеризується швидким розвитком: протікає за менше, ніж с, і не обумовлений тепловою енергією, хоча електрична міцність при електричному пробої в деякій мірі залежить від температури.

• Електричний пробій неоднорідних діелектриків. Характерний для технічних діелектриків, що містять газові включення. Розвивається досить швидко. Електрична міцність твердих діелектриків практично не залежить від температури до деякого її значення. Вище цього значення спостерігається помітне зниження електричної міцності, що говорить про появу механізму теплового пробою.

• Тепловий пробій. Виникає в тому випадку, коли кількість теплоти, що виділяється в діелектрику за рахунок діелектричних втрат, перевищує кількість теплоти, що може розсіюватися в даних умовах, при цьому порушується теплова рівновага, а процес набуває лавиноподібного характеру. Явище теплового пробою зводиться до розігріву матеріалу в електричному полі до температур, відповідних розплавлення і обвуглювання. Пробивна напруга, обумовлене нагріванням діелектрика, пов'язане із частотою напруги, умовами охолодження, температури навколишнього середовища. Також «електротеплової» пробивна напруга залежить від нагрівостійкості матеріалу. Механізм теплового пробою найбільш вірогідний при підвищених температурах, коли можна очікувати, що переважаючими будуть втрати наскрізний електропровідності. За товщиною діелектрика виходить перепад температури, середній шар виявляється нагрітим вище, ніж прилеглі до електродів, опір першого різко падає, що веде до спотворення електричного поля і підвищеним градентам напруги в поверхневих шарах. Теплопровідність матеріалу електродів також відіграє важливу роль.

(С), де:

• Електрохімічний пробій. Цей вид пробою спостерігається при постійному і змінному напругах низької частоти, коли в матеріалі розвиваються процеси, які обумовлюють необоротне зменшення опору ізоляції (електрохімічне старіння). Для його розвитку потрібен тривалий час, оскільки він пов'язаний з явищем електропровідності.

Задача 2

Дайте визначення діелектрика пластмаса. Вкажіть, до якої класифікаційної групи відноситься даний діелектрик. Наведіть основні характеристики матеріалу, одиниці виміру і величини цих характеристик. Коротко опишіть переваги і недоліки, а також перерахуйте області застосування матеріалу.

Діелектрик - електроізоляційний матеріал, вживаний в техніці з метою створінь умов, що перешкоджають нейтралізації електричних зарядів, тобто невпускаємий витоку струму.

За умовою задано діелектрик - пластмаса, що відноситься до пасивних електроізоляційних матеріалів, що володіють високою теплостійкістю, нагревостойкость, малим водопоглащением, що дозволяє використовувати їх для виготовлення електроізоляційних і конструкційних виробів.

Особливістю властивостей пластмаси є інертна високополімерний структура. Для виготовлення пластмасових виробів вихідний матеріал - пресувальні порошки, на основі резольних і новолачних смол, які є термореактивними матеріалами. Пластмаси на їх основі - Фенопласти. Вони володіють високою стабільністю властивостей і протистоять дії води, кислот і органічних розчинників. Розрізняють три типи фенопластов, що містять як наповнювачів деревну муку і мінеральні речовини. Пресспорошкі (II тип) на основі резольних смол мають поліпшені електроізоляційними властивостями, тому їх широко застосовують для виготовлення електроізоляційних деталей. З фенопластов I і III типу, що містять новолочную смолу, виготовляють низьковольтні електроізоляційні вироби. Недоліком фенопластов є їх низька стійкість до електричних іскрам і дуг, що викликають коксування виробів. Пресування виробів з фенопластов роблять при питомому тиску без попереднього підігріву пресспорошков при температурі або з попереднім підігрівом при . При попередньому підігріві час пресування зменшується.

Основні характеристики фенопластов

Вироби з пресспорошков, що містять у якості наповнювача азбестові або скляні волокна, - волокніту, мають підвищену нагрівостійкості. У цих матеріалів питома ударна в'язкість і теплостійкість значно вище, ніж у фенопластов з попередніми наповнювачами. У якості сполучні в цих пресспорошках застосовують резольной смоли.

Особливий інтерес викликають пластмаси на основі кремнійорганічних смол, тому що вони володіють високою нагревостойкость і малої залежністю електричних характеристик від температури. При введенні в такі пластмаси нагревостойких наповнювачів, відбувається зниження електричних характеристик чистих кремнійорганічних смол і різке збільшення механічних характеристик. Такі пластмаси застосовуються для виробів, що працюють при температурі до 200 ° С і умовах підвищеної вологості.

Різновидом композиційних пластмас є шаруваті пластики, в яких у якості наповнювача використовують листові волокнисті матеріали. До шаруватим пластикам відносяться гетинакс, текстоліт і склотекстоліт.

• Гетинакс отримують гарячої прессовкой паперу, просоченого феноло-формальдегіду смолою в стадії А чи іншими смолами цього ж типу. Для виробництва використовується міцна і нагревостойких просочувальна папір. Просочення виробляють за допомогою водної суспензії формальдегідної смоли. Листи бакелізірованной папери після їх сушіння збирають у пакети і ці пакети пресують на гідравлічних пресах при температурі 160 ° С під тиском 10-12 МПа. Під час пресування смола спочатку розм'якшується, заповнюючи пори між листами і волокнами, а потім твердне, переходячи в неплавкое стадію резита. У результаті волокниста основа зв'язується в міцний монолітний матеріал. Гетинакс відноситься до числа сільнополярних діелектриків, так як волокниста основа і просочуюча речовина володіють полярними властивостями.

Гетинакс використовується для виготовлення різного роду плоских електроізоляційних деталей і підстав. Буває наступних марок: А, Б, В, Г, Д, В _с - для роботи при частоті 50 Гц і А _В, Б _{В, В} В, Г _В, Д _В - для роботи на високій частоті. Гетинакс марок А і Б - володіє підвищеною електричною міцністю, Г - підвищеною стійкістю до вологи, В - підвищену механічну міцність.

• Текстоліт. Наповнювач - просочена бавовняна тканина. Випускається марками: А, Б і Г - на основі бязі і міткалю, ВЧ - на шифоні для високих частот. Властивості ідентичні властивостям гетинаксу, тільки у текстоліту межа міцності на розколювання вище і питома ударна в'язкість, яка доходила до 40 кг * см / см ^2. Текстоліт - матеріал дорожчий, ніж гетинакс, тому його слід застосовувати там, де деталь може піддаватися ударам або стирання.

• Склотекстоліт. Наповнювач - електроізоляційна бесщелочного скляна тканина. Мають підвищену вологостійкість і, в порівнянні з текстоліту і гетинакс, кращими електричними і механічними характеристиками. Виготовляється декількома марками: СТ, СТУ на основі бесщелочного скляної тканини зі сполучною - фенолформальдегидной смолою і СТК - 41 і СТК - 41/ЕП на кремнійорганічних смолах і з добавкою епоксидних смол. Відрізняються підвищеною нагревостойкость (180-200 ° С).

Завдання 3. Дайте визначення провідника. Наведіть класифікацію провідникових матеріалів. Назвіть основні показники провідників і коротко поясніть їх фізичний зміст. Для берилієвої бронзи приведіть числові значення цих показників. Коротко опишіть сам матеріал, вкажіть основні сфери його застосування. Вкажіть призначення кабелі зв'язку. Перелічіть провідникові матеріали, використовувані для їх виготовлення

Берилієва бронза, кабелі зв'язку

Провідник - металевий виріб, виготовлене з матеріалів, які мають високу електропровідність, щоб не допускати великих втрат електричної енергії, що використовуються для обмотки машин та апаратів, ліній електропередачі шини розподільних пристроїв і т.д.

• Питома провідність. Електропровідність обумовлюється наявністю вільних валентних електронів в провіднику. При підключенні електричної напруги, електрони будуть рухатися від мінуса до плюса, що створить електричний струм. Питома провідність покаже, якою мірою той чи інший матеріал проводить створений струм.

• Питомий опір - обернена величина питомої провідності - . Це величина, за допомогою якої кількісно оцінюється електричний опір матеріалу. Визначається з формули:

• Температурний коефіцієнт питомого опору металів.

При підвищенні температури число носіїв заряду в провіднику залишається практично незмінним. Але внаслідок підсилень коливань вузлів кристалічної решітки із зростанням температури, на шляху спрямованого руху вільних електронів під дією електричного струму з'являється все більше перешкод, тобто зменшуються середня довжина вільного пробігу електрона , Рухливість електронів і, як наслідок, зменшується питома провідність і підвищується питомий опір.

• Теплопровідність - . Обмін електронами між нагрітими і холодними частинами металу в відсутність електричного поля, перехід кінетичної енергії від нагрітих частин провідника до більш холодним. За передачу теплоти через метал в основному відповідальні ті ж вільні електрони, які визначають і електропровідність металів.

• Контактна різниця потенціалів:

• і термоелектрорушійної сила (термо-ЕРС):

При зіткненні двох різних металевих провідників між ними виникає контактна різниця потенціалів. Причина появи цієї різниці потенціалів полягає у відмінності значень роботи виходу електронів з різних металів, а також у тому, що концентрація електронів, а отже, і тиск електронного газу в різних металів і сплавів можуть бути неоднаковими. Термо-ЕРС виникає, коли один з спаїв має температуру , А інший - .

Берилієва бронза. Сплав міді та олова з легуванням берилієм. Ця бронза відрізняється високою межею міцності і пружності, корозійною стійкістю в поєднанні з підвищеним опором втоми і зносу, має гарну електро-і теплопровідністю, обробляється різанням і зварюється контактним зварюванням. Недолік берилієвої бронзи - висока вартість.

З неї виготовляють пружні елементи точних приладів (плоскі пружини, пружні електроконтакти, мембрани), деталі, що працюють на знос (кулачки, шестерні, ударники, втулки), деталі ударних механізмів і ударний інструмент для вибухонебезпечних умов.

Властивості міді, що забезпечують їй широке застосування як провідникового матеріалу.

• малий питомий опір (з усіх матеріалів тільки срібло має дещо меншу питомий опір, ніж мідь);

• досить висока механічна міцність;

• задовільна в більшості випадків стійкість по відношенню до корозії (мідь окислюється на повітрі навіть в умовах високої вологості значно повільніше, ніж, наприклад, залізо, інтенсивне окислення міді відбувається тільки при підвищених температурах (див.рис. 8.1);

• добре обробляється (мідь прокочується в листи, стрічки і простягається в дріт, товщина якої може бути доведена до тисячних часток міліметра);

• відносна легкість пайки та зварювання.

Принципи розвитку міжміського зв'язку диктують необхідність створення нових широкосмугових кабелів зв'язку з великою дальністю дії, надійно захищених від взаємних та зовнішніх перешкод і володіють високою стабільністю і надійністю, причому конструкції повинні бути економічними і вимагати мінімуму витрати кольорових металів. Кабелі зв'язку виготовляють з міді і свинцю. Для економії цих кольорових металів при виробництві кабелів застосовують алюмінієві, сталеві та пластмасові оболонки. Для сердечників сталеалюміневих проводів повітряних ліній електропередачі застосовується особливо міцний сталевий дріт. У деяких випадках для зменшення витрат кольорових металів у кабелях зв'язку вигідно застосовувати так званий провідникової біметал. Це сталь, покрита зовні шаром міді, причому обидва метали з'єднані один з одним міцно і безперервно по всій поверхні їхнього зіткнення.

Незалежно від виду кабельного зв'язку у кабельну лінію передаються електромагнітні сигнали різної частоти і форми. На передавальному кінці здійснюється перетворення звукової (телефон, мовлення, звуковий супровід), механічної (телеграф, телемеханіка) або світловий енергії (телебачення, фототелеграфірованіе, відеотелефон) в електромагнітну, яка передається по лінії. На приймальному кінці має місце зворотний процес перетворення електромагнітної енергії у відповідний вид енергії, що відтворює передану інформацію.

Завдання 4. Дайте визначення напівпровідника. Наведіть класифікацію напівпровідникових матеріалів. Вкажіть, від яких чинників залежить електропровідність напівпровідників. Коротко опишіть Кремній КЕФ. Вкажіть призначення тиристора. Назвіть основну властивість напівпровідника, завдяки якому він застосовується в цьому приладі

Напівпровідниками називають речовини, значення питомого опору яких при нормальній температурі знаходяться між значеннями питомого опору провідників і діелектриків (у діапазоні 10 ^{- 3} - ¹⁰ 10 Ом · см). Основною властивістю напівпровідника є залежність його електропровідності від впливу температури, електричного поля, випромінювання, механічної енергії. Напівпровідники на відміну від провідників мають негативний температурний коефіцієнт питомого опору, провідність напівпровідників із збільшенням температури збільшується експоненціально. Залежно від наявності домішок розрізняють власні та домішкові напівпровідники.

Електропровідність напівпровідників залежить від наступних факторів:

• Вплив теплової енергії. Температурна залежність питомої провідності напівпровідника є результат зміни концентрації і рухливості носіїв заряду. В області низьких температур напівпровідник характеризується домішкової електропровідністю, а в області високих - власної електропровідністю.

• Вплив деформації. Внаслідок збільшення або зменшення міжатомних відстаней, відбувається зміна концентрації і рухливості носіїв, отже, змінюється і електропровідність. Величина, що чисельно характеризує зміну питомої провідності напівпровідників, - тензочувствітельності.

• Вплив світла. Світлова енергія, що поглинається напівпровідником, викликає поява в ньому надлишкового (у порівнянні з рівноважним при даній температурі) кількості носіїв зарядів, що приводить до зростання електропровідності.

• Електромагнітне випромінювання. Під його впливом електрична провідність збільшується - фотопровідність.

• Сильні електричні поля. Під його впливом провідність збільшується. Обумовлюється це зростанням числа носіїв заряду, тому що під впливом поля вони легше звільняються тепловим збудженням. При подальшому зростанні поля може з'явитися механізм ударної механізації, іноді призводить до руйнування структури провідника.

Початковою сировиною при отриманні кремнію є природний двоокис (кремнезем), з якої кремній відновлюють углеродсодержащими матеріалами в електричних печах. Технічний кремній являє собою дрібнокристалічний спек, що містить близько 1% домішок.

Технологія отримання кремнію напівпровідникової чистоти включає в себе наступні операції:

• перетворення технічного кремнію в Легколетюча з'єднання, яке після очищення може бути легко відновлено;

• очищення з'єднання фізичними і хімічними методами, 3) відновлення з'єднання з виділенням чистого кремнію;

• остаточна кристалізаційна очищення та вирощування монокристалів.

Кремній КЕФ - кремній електронний, легований фосфором.

Тиристори часто використовуються в різних силових пристроях: електроприводі, джерелах живлення, потужних перетворювальних установках. Для зниження втрат ці прилади працюють в основному в ключовому режимі. Основні вимоги, пропоновані до тиристора:

• малі втрати при комутації;

• велика швидкість перемикання з одного стану в інший;

• мале споживання в ланцюзі управління;

• великий струм, що комутується;

• високий робочий напругу.

Тиристори діляться на дві групи: діодні тиристори (діністори) і тріодних тиристори (тріністор). Для комутації ланцюгів змінного струму розроблені спеціальні симетричні тиристори-симистора.

Динистор - це двохелектродні прилад діодного типу, що має три pn переходу. Крайня область p називається анодом. Інша крайня область n - катодом.

Тріністор. На відміну від динистора тріністор має крім висновків анода і катода ще і керівник електрод (УЕ). У залежності від розташування УЕ тиристори діляться на тріністор з катодним управлінням (висновок УЕ із зони, прилеглої до зони катода типу p) і з анодним управлінням (висновок УЕ із зони, прилеглої до зони анода типу n).

Вольтамперна характеристика тріністора відрізняється від характеристики динистора тим, що напруга включення регулюється зміною струму в ланцюзі керуючого електрода. При збільшенні струму управління знижується напруга включення. Таким чином, тиристор еквівалентний діністор з керованим напругою живлення. Після включення УЕ втрачає управляючі властивості, отже, з його допомогою вимкнути тиристор можна. Основні схеми виключення тріністоров такі ж, як і для динистора.

Завдання 5. Для альсифера потрібно перерахувати властивості, переваги та недоліки, застосування

Альсифера - це потрійні сплави, що складаються з алюмінію, кремнію та заліза (Al - Si - Fe), що утворюють тверді розчини. Високу магнітну проникність мають в дуже вузькому інтервалі вмісту в сплаві алюмінію і кремнію. Максимум магнітних властивостей альсифера відповідає точному дотриманню складу, що можна забезпечити тільки для лабораторних зразків. Промислові вироби мають більш низькі значення магнітних властивостей.

Оптимальний склад: 9,5% - кремній, 5,6% - алюміній, решта залізо. Такий сплав відрізняється твердістю і крихкістю, але з нього можуть бути виготовлені фасонні виливки. Основні властивості:

, , ,

тобто не поступається властивостям високо пермаллои. Магнітні екрани, корпуси приладів та інші вироби з альсифера виготовляються методами лиття з товщиною стінок не менше 2 - 3 мм з - за крихкості сплаву. Ця особливість обмежує застосування даного матеріалу. Завдяки крихкості альсифера його можна розмелювати в порошок і використовувати поряд з карбонільним залізом для виготовлення високочастотних пресованих сердечників.

Список використаної літератури

1. Н. Г. Дроздов, М. В. Нікулін «Електроматеріаловеденіе», Москва, 1963 р., 350 стор

2. Н.П. Богородицький, В.В. Пасинків, Б.М. Тареев. Електротехнічні матеріали. Л.; "Енергоіздат". 1985 - 304 с.

3. Н.П. Богородицький, В.В. Пасинків. Матеріали радіоелектронної техніки. М.; «Вища школа». 1969 - 423 с.