Контрольна робота
з дисципліни «хімія та електроматеріали».
Варіант № 1
Заданіе1. Основні фізико-хімічні властивості міді, загальні відомості про метод отримання, основні області застосування.
Переваги міді, що забезпечують їй широке застосування як провідникового матеріалу, такі: 1) мале питомий опір (з усіх металів тільки срібло має дещо менше питомий опір, ніж мідь), 2) досить висока механічна міцність, 3) задовільна в більшості випадків застосування 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), 4) хороша оброблюваність: мідь прокочується в листи, стрічки і простягається в дріт, товщина якої може бути доведена до тисячних часток міліметра, 5) відносна легкість пайки та зварювання.
У електровакуумним виробництві застосовують більш чисту мідь. Мідь ре кристалізується при температурі 270 ° С. Вплив відпалу на властивості міді такі, що при відпалі значніше змінюються механічні властивості міді і слабкіше змінюється її питомий опір. Як провідниковий матеріал використовують тверду і м'яку мідь. При холодної протяжці отримують тверду мідь (МТ), яка завдяки впливу наклепу має високу межу міцності при розтягуванні (360 - 390 МПа) і мала відносне подовження перед розривом, а також володіє твердістю і пружністю при вигині; дріт з твердої міді не пружинить. Якщо ж мідь піддавати відпалу, тобто нагрівання до кількох сотень градусів з наступним охолодженням, то вийде м'яка мідь (ММ), яка порівняно пластична, має малу твердість і невелику міцність (260 - 280 МПа), але дуже велике подовження при розриві і більш високу питому провідність.
Мідь отримують найчастіше шляхом переробки сульфідних руд. Після низки плавок руди та обжигов з інтенсивним дуттям мідь, призначена для електротехнічних цілей, обов'язково проходить процес електролітичної очищення. Отримані після електролізу катодні пластини міді переплавляють в болванки масою 80-90 кг, які прокочують і простягають у вироби потрібного поперечного перерізу. При виготовленні дроту, болванки спершу піддають гарячої прокатки в так звану катанку діаметром 6,5-7,2 мм; потім катанку протравлюють в слабкому розчині сірчаної кислоти, щоб видалити з її поверхні окис міді CuO, що утворилася при нагріванні, і потім вже простягають без підігріву в дріт потрібних діаметрів - до 0,03-0,02 мм.
Тверду мідь вживають там, де треба забезпечити особливо високу механічну міцність, твердість і опірність стирання; для контактних проводів, для шин розподільних пристроїв, для колекторних пластин електричних машин і пр.
М'яку мідь у вигляді дротів круглого і прямокутного перерізу застосовують головним чином як струмопровідних жил кабелів і проводів обмотувальних, де важлива гнучкість і пластичність (не повинна пружинити при вигині), а не міцність.
Завдання № 1 (провідникової матеріал).
Визначити опір дротяного резистора, виконаного з мідного дроту завдовжки 10 метрів і перерізом 0,05 мм 2
Рішення:
Опір постійному струму мідного дроту прямо пропорційно довжині дроту і назад пропорційного площі поперечного перерізу:
Де R - опір у Ом,
- Питомий опір міді (0,01754 мкОм × м),
l - довжина провідника (10 м),
S - площа поперечного перерізу провідника (0,05 мм 2).
Підставляючи значення у формулу, отримаємо:
Завдання 2.Основні фізико-хімічні властивості полістиролу, загальні відомості про метод отримання, основні області застосування.
Полістирол [СН (С 6 Н 5) СН 2] n - твердий прозорий матеріал. Він є неполярних діелектриком, з чим і пов'язані його високі електроізоляційні властивості. Основними параметрами полістиролу є: r = 10 14 -10 15 Ом × м, нагревостойкость 70-80 ° С, холодостійкість -60 ° С, межа міцності при розтягуванні 35-60 МПа, щільність 1,05 мг / м 3. Температура розм'якшення полістиролу складає + (70-85) ° С. Відносна діелектрична проникність полістиролу 2,4 ... 2,6. Недоліками його є: крихкість при знижених температурах, схильність до поступового утворення поверхневих тріщин, мала стійкість до дії розчинників (зокрема, рідких вуглеводнів) і невисока нагревостойкость.
Полімеризація стиролу призводить до утворення довгих ланцюгів, побудованих з ланок - СН (С 6 Н 5) СН 2 -; Окремі ланцюга практично не пов'язані між собою поперечними зв'язками. Хоча можна отримувати і ізотактичний ланцюга, у яких все бензольні кільця розташовані на одній стороні ланцюга, такий полімер дуже крихкий для більшості практичних цілей. Тому в промисловості отримують в основному атактичний полістирол, в молекулах якого бензольні кільця орієнтовані хаотично. В силу міцності зв'язків між бензоловими кільцями полімерного ланцюга і обумовлених ними труднощів при русі одного ланцюга щодо іншої полістирол менш гнучким, ніж поліетилен. Втім, еластичний полістирол можна отримати за допомогою пластифікаторів. Нерегулярний характер структури полімерних ланцюгів і невпорядкованість їх упаковки в твердому полімері зумовлюють високу прозорість чистого полістиролу. Бензольні кільця надають полістиролу чутливість до дії ультрафіолетового чи іншого високоенергетичного випромінювання, тому зазвичай в полістирол вводять добавки антиоксидантів. Такі добавки особливо необхідні, якщо полістирол призначений для виготовлення кріплень для ламп денного світла, тому що останні частково генерують і ультрафіолетове випромінювання. Якщо полістирол не захищений антиоксидантами, то вже на сонячному світлі він швидко жовтіє і руйнується. У промисловості полістирол застосовують для виготовлення каркасів високочастотної ізоляції, завдяки малому значенню кута діелектричних втрат. Ударостійкий полістирол застосовують для виготовлення каркасів індуктивності котушок, підстав та ізоляторів для ізоляції приладів, корпусів радіоприймачів, телевізорів.
Завдання № 2. (Діелектричний матеріал)
Розрахувати ємність плоского конденсатора і допустима пробивну напругу, де в якості діелектрика використовується полістирол з геометричними розмірами 0,5 х5х5 мм.
Рішення:
Ємність плоского конденсатора розраховується за формулою:
- Діелектрична постійна (+0,0885);
відносна діелектрична постійна полістиролу (2,55);
S - площа паралельних пластин (0,25 см 2);
d - товщина діелектрика (0,05 см).
Підставляючи вихідні дані у формулу, отримаємо:
Допустиме пробивну напругу розраховується за формулою:
Де Р реактдоп = 0,5 Вт - допустима реактивна потужність;
f = 10000 Гц - частота змінного струму;
С-ємність конденсатора, Ф.
Підставляючи вихідні дані у формулу отримаємо:
Завдання 3.Основні фізико-хімічні властивості заліза і низьковуглецевої сталі, загальні відомості про метод отримання, основні області застосування.
Низьковуглецевий сталь - це сталь із вмістом вуглецю менше 0,1%, виплавляється в електричних або мартенівських печах. Випускається у вигляді листів товщиною 0,2-4 мм, марок Е, ЕА, ЕАА, ЕП355, ЕП620.
Найбільшою мірою погіршують магнітні властивості матеріалу домішки вуглецю і сірки. Їх зміст не повинен перевищувати сотих часток відсотка. Сталь надходить від підприємства - виробника в не отожженном стані з посередніми магнітними властивостями. Високі магнітні властивості (проникність індукція насичення та ін) матеріал набуває в результаті спеціальної термообробки, яка полягає в повільному нагріванні до 900 ° С, витримці (2-4 години) і повільному охолодженні (не більше 40 ° С в годину) до 600 ° С. Для оберігання від окислення матеріал весь цикл термообробки знаходиться або в захисному середовищі, що оберігає метал від окислення, або в активному середовищі (азот + водень), що забезпечує додаткове очищення сталі від домішок. В результаті термообробки, крім очищення матеріалу відбувається збільшення розмірів окремих кристалічних зерен, скорочення числа зерен в одиниці об'єму і внаслідок цього поліпшення магнітних властивостей матеріалу.
Магнітні властивості сталей цих марок після термообробки характеризуються такими параметрами:
m мах = 3500-4500, Н з = 64-96 А / м, b 2,5 = 1,65.
Цей матеріал відрізняється низькою вартістю, технологічністю, легко обробляється і штампується, має в той же час порівняно високими магнітними властивостями в постійних магнітних полях. У змінних магнітних полях через низький електричного опору порядку 0,1 мкОм × м в цих сталях виникають великі втрати на вихрові струми, особливо при великих значеннях індукції. Це обмежує застосування листових низьковуглецевих сталей на низьких частотах переважно областю слабких магнітних полів. З них виготовляють, наприклад, сердечники трансформаторів, деталі реле, елементи магнітних електричних і індукційних приладів.
Завдання № 3. (Магнітний матеріал)
Розрахувати індуктивність котушки з числом витків 50 і розмірами сердечника діаметром 5 мм і висотою 10 мм, виконаного з заліза або вуглецевої сталі.
Рішення: Індуктивність котушки з заданими параметрами сердечника із заданого матеріалу розраховується за формулою:
Десь магнітна постійна (12,6),
- Початкова магнітна проникність матеріалу (600),
W - кількість витків (50),
S c - площа перетину магнітного матеріалу (см 2),
l c - середня довжина магнітних силових ліній.
Для розрахунку площі перерізу скористаємося формулою
Де D - діаметр сердечника в сантиметрах.
l c » h серд - висота сердечника (1 см)
Підставивши дані в формулу, отримаємо:
Завдання 4. Зонна теорія власного напівпровідника.
Напівпровідники, у відомому сенсі, займають проміжне положення між традиційними провідниками і діелектриками. З точки зору зонної теорії власні напівпровідники можуть розглядатися як діелектрики з дуже вузькою забороненою зоною. Найбільш поширеними представниками власних напівпровідників є кристали кремнію і германію. При понад низьких температурах такі кристали проявляють діелектричні властивості, оскільки електрони виявляються нездатними подолати вузьку заборонену зону, що відокремлює їх від зони провідності. Однак, навіть кімнатних температур виявляється досить для того, щоб зазначений енергетичний бар'єр виявився переборним для електронів. В результаті частинки, що перейшли в наступну дозволену зону (зону провідності) набувають здатність прискорюватися електричним полем і, отже, переносити струм.
При переході електрона в зону провідності із заповненої зони (валентної зони) в зону провідності в першій залишається незаповнене місце, яке легко може отримати будь-яку електрон з тієї ж зони. В результаті утворилася вакансія здобуває можливість переміщатися в межах валентної зони. Її поведінка багато в чому нагадує поведінку частинки з позитивним зарядом.
Для спрощення опису ансамблю з великого числа електронів у майже заповненій валентній зоні часто виявляється більш зручним стежити за наявними вакансіями, розглядаючи їх як деякі гіпотетичні частинки - дірки (простим гідромеханічним аналогом дірки може служити бульбашка в склянці з газованим напоєм). Не є реальними об'єктами природи дірки, часто мають досить екзотичними властивостями. Так їх ефективна маса не обов'язково повинна виражатися позитивним числом, а найчастіше виявляється тензорною величиною. Поряд з фотонами дірки являють собою квазічастинки, що вводяться в теорію на основі аналогій з формулами, що описують поведінку реальних об'єктів. Подібно позитивним часткам дірки прискорюються електричним полем і вносять свій внесок у провідність напівпровідникових кристалів.
Зазначимо, що електрони провідності так само є квазічастинками. З точки зору квантової механіки всі електрони кристала є принципово нерозрізненими, що робить безглуздими спроби відповіді на питання, який саме електрон перейшов у зону провідності. Електричний струм у кристалі обумовлений досить складною поведінкою всіх без винятку наявних у ньому електронів. Однак описують це поведінка рівняння виявляють близьку схожість з рівняннями руху лише дуже невеликого числа заряджених частинок - електронів і дірок.
Поряд з напівпровідниками з власною провідністю існують домішкові напівпровідники. Останні отримують впровадженням у кристали власних напівпровідників (що складаються з атомів четирехвалентних елементів) домішок із трьох або п'яти валентних атомів (донорні і акцепторні домішки відповідно). Через малих концентрацій атомів домішок їх енергетично рівня в зони не розщеплюються. У результаті виявляються на домішкових рівнях електрони і дірки не мають рухливість. З точки зору енергетичної схеми не бере участь в утворенні валентних зв'язків п'ятий електрон атома донорной домішки виявляється на рівні в безпосередній близькості від зони провідності і легко переходить в цю зону. Утворюється при цьому дірка виявляється локалізованої поблизу атома домішки. Т.ч. в домішкових напівпровідниках донорного типу переважно реалізується електронний характер провідності. У напівпровідниках з акцепторною домішкою ситуація виявляється точно протилежною. Атом третьої групи захоплює відсутній для утворення хімічного зв'язку електрон у четирехвалентних сусідів. В результаті у валентній зоні виникають рухливі дірки, які є носіями зарядів у таких системах.
При контакті домішкових напівпровідників з електронної і діркової провідністю виникає прикордонний шар, що володіє властивостями випрямними - т.зв. pn - перехід. В даний час напівпровідникові випрямлячі практично витіснили їх електровакуумні аналоги.
Два pn - переходу, розділених вузьким напівпровідниковим проміжком з домішкової провідністю утворюють транзистор - найпростішу напівпровідникову структуру, що володіє підсилювальними властивостями.
Список використаної літератури:
Н.П. Богородицький, В.В. Пасинків, Б.М. Тареев. Електротехнічні матеріали, 1977р.;
Р. М. Терещук, К.М. Терещук, С.А. Сєдов. Напівпровідникові Приймально-підсилювальні пристрої. Довідник радіоаматора, 1989р.;
П. Еткінс. Молекули, 1991р.;
4. М.М. Калінін та ін Електрорадіоматеріали, 1981р.