6.4 Проводниковые материалы высокой проводимости
К наиболее распространенным металлам высокой электропроводности относятся медь и алюминий.
6.4.1 Медь получают путем переработки сульфидных руд. Твердую медь применяют там, где необходима высокая прочность: это контактные провода трамваев, троллейбусов и коллекторные пластины электрических машин. Мягкую медь применяют в виде проволок для обмотки машин, трансформаторов, гибких кабелей, где важна гибкость, а прочность р не имеет существенного значения.
Медь-дорогой и дефицитный материал. Cu в земной коре содержится только 0.01%. Поэтому на потребление меди наложено ограничение в виде применения только в качестве обмоточных проводов электрических машин, коллекторных пластин, контактных проводов, проводящих жил гибких кабелей и монтажных проводов в радиотехнике, электротехнике и связи.
6.4.2 Алюминий Al - весьма распространенный элемент, в составе земной коры он находится до 8.8% по весу. Входит в состав очень многих минералов в виде окиси Al2O3. В чистом виде - серебристо-белый металл. Технически чистый металл содержит 99.5-99.7%Al. Удельное сопротивление Al = 0.0286 мкОм м, что выше, чем у меди на 60о, но, учитывая, что алюминий в 3.3 раза легче меди, электропроводность алюминия по весу в 2 раза выше, чем у меди. Алюминий применяется в электротехнике для изготовления проводов воздушных линий, сборных шин, обмоток трансформаторов, жил и защитных оболочек кабелей и др.
6.4.3 Железо Fе как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий высокой механической прочностью, в ряде случаев используется как проводниковый материал с довольно высоким удельным сопротивлением
= 0,098.
7 Лекция №7. Полупроводники
Содержание лекции:
Цели лекции: уяснить физический смысл типов электропроводности полупроводников и ее зависимости от различных факторов; изучить свойства полупроводников и области их применения в электроэнергетике.
7.1 Полупроводниковые материалы
Полупроводники по удельному сопротивлению, которое при комнатной температуре составляет 10-6 – 109 Ом м, занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Удельное сопротивление полупроводников в большой степени зависит от внешних факторов, от вида и количества содержащихся в них примесей. Полупроводники имеют положительный температурный коэффициент удельной проводимости.
Рисунок 7.1- Зависимость γ = φ(Т) для металлов-а и полупроводников-б
К полупроводникам относится ряд химических элементов (простые полупроводники): германий Ge, кремний Si, Селен Se и др.
Сложными полупроводниками являются бинарные соединения от АВI ()V (KSb и др. до АVIIIВVI (Fe2О3 и др.), тройные соединения от АIВVВVI2 (СuSbS и др.) до AIVBVBVI2 (PbBiSe2 и др.), твердые растворы: GeSi; GaAs1-x Px; и др.
К многофазным полупроводникам относятся карбид кремния, графит, сцепленный керамической или другой связкой, т.е. тирит, силит и др. В настоящее время разрабатываются стеклообразные и жидкие полупроводники.
Специфические свойства полупроводников обусловили широкое техническое применение их для изготовления самых различных приборов – полупроводниковых диодов, транзисторов, тиристоров, фотодиодов, фототранзисторов, светодиодов, полупроводниковых лазеров, датчиков давлений, магнитных полей, температур, излучений и т.п. Полупроводниковая электроника открыла новые пути к микроминиатюризации электронного оборудования. Изготовленные из полупроводников приборы обладают целым рядом преимуществ: большой срок службы, малые габариты и вес, простота и надежность конструкии, большая механическая прочность (не боятся тряски и ударов) полупроводниковые приборы, отсутствие цепей накала, потребление небольшой мощности и малая инерционность. При массовом производстве они экономически целесообразны.
7.2 Электропроводность полупроводников
Собственными называют полупроводники, не содержащие примесей. Примесными называют полупроводники, содержащие донорные или акцепторные примеси. Если в Si или Gе в качестве примеси ввести мышьяк
As - элемент V группы таблицы Менделеева, имеющего 5 валентных
электронов, то пятый электрон As в ковалентной связи не участвует. Со своим атомом он связан кулоновский силой.
Рисунок 7.2 - Плоская модель кристаллической решетки
полупроводника n - типа (кремния Si легированного мышьяком As)
Примесь, имеющая валентных электронов больше, чем необходимо для завершения связей с ближайшими атомами, называют донорной, а полупроводник с такой примесью - полупроводник с электронной электропроводностью (или n – типа).
Если в полупроводник IV группы ввести примесь элемента III группы, например Al, то все три валентных электрона алюминия будут участвовать в образовании ковалентных связей. Подобную примесь называют акцепторной, а полупроводник с такой примесью - полупроводник с дырочной электропроводностью (или р-типа).
Рисунок 7.3 - Плоская модель кристаллической решетки полупроводника р-типа (кремния Si, легированного алюминия Al)
7.3 Связь электропроводности полупроводника с концентрацией и подвижностью носителей заряда
При наличии внешнего электрического поля плотность тока, протекающего через полупроводник
In = nevn, (7.1)
где n - концентрация электронов зоны проводимости; е - заряд электрона; vn - скорость электронов.
Полная плотность тока через полупроводник
I = In + Ip = (neun + рeuр)E, (7.2)
γсоб = γn + γр = neun + рeuр = eni (un + up), (7.3)
где n = p = ni (i – intrinsig - собственный).
Удельная проводимость электронного полупроводника равна сумме γпр и γсоб удельных электрических проводимостей
γn = γпр + γсоб , (7.4)
где γпр = nдeun; nд – концентрация свободных электронов за счет донорной примеси. В дырочном полупроводнике
γр = γпр + γсоб, (7.5)
где γпр = раeuр ; ра - концентрация дырок за счет акцепторной примеси.
7.4 Зависимость электропроводности полупроводников от воздействия внешних факторов
Подвижность носителей зарядов с повышением температуры
увеличивается в соответствии с выражением
u
Т3/2 , (7.6)
Рисунок 12.4 - Зависимость удельной проводимости полупроводника: от температуры Т (концентрация примеси n2>n1)-а; от напряженности
электрического поля Е при различных температурах (Т2>Т1)-б; от освещенности L-в
7.5 Простые полупроводники
Германий - один из первых полупроводников, получивший широкое практическое применение в производстве полупроводниковых приборов. Его используют для изготовления выпрямительных и импульсных диодов, транзисторов, фотодиодов, фоторезисторов, тиристоров, тензометров и т.д.
Кремний - элемент IV группы таблицы Менделеева. В технологическом отношении кремний более сложен, чем Ge, т.к. имеет высокую температуру плавления 1420оС и в расплавленном состоянии весьма активен. Кремний применяют для различных диодов, транзисторов, тиристоров, стабилитронов, фотодиодов, датчиков Холла, тензометров, интегральных схем и других полупроводниковых приборов.
Из простых элементов для изготовления полупроводниковых приборов применяются элементы элемент VI группы (Se) и теллур (Те).
7.6 Сложные полупроводники
Карбид кремния SiC - это соединение элементов IV группы кремния и углерода (AivBiv), соответствующее формуле SiCх (х=1), содержит 70% Si и 30% C (по весу). SiС производят в дуговых электропечах спеканием кварцевого песка SiO2 и кокса (С). Чистые кристаллы SiС бесцветны, примеси и преобладание Si или С окрашивают в разные цвета. Электропроводность () кристаллов SiC при 200С примесная и колеблется в широких пределах.
Зерна в варисторах SiC скрепляются связующим веществом. В качестве связки используют глину, ультрафарфор, жидкое стекло и др. В общем виде эквивалентная схема резистора, состоящего из зерен SiC, показана на рисунке 13.1.
Рисунок 13.1 - Эквивалентная схема резистора, состоящего из зерен порошка SiC-а; ВАХ отдельных контактов с напряжениями перегиба U12345-б и результирующая ВАХ на переменном токе -в
8 Лекции №8. Магнитные материалы
Содержание лекции:
классификация магнитных материалов;
процесс намагничивания;
магнитомягкие и магнитотвердые материалы.
Цель лекции: уяснить природу ферромагнетизма; знать основные характеристики магнитных материалов и области их применения.
8.1 Общие свойства магнитных материалов
Магнитные материалы необходимы для того, чтобы с их помощью резко усилить магнитный поток, используемый при генерировании электрической энергии, при трансформировании токов низкого напряжения в токи высокого напряжения и, наоборот, при превращении электрической энергии в механическую и т.д.
Все вещества в природе являются элементарными магнетиками, т.е. они обладают магнитными свойствами, создают магнитное поле. Поля создаются элементарными частицами на уровне атомов. Магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами электронов. Магнетизм других частиц относительно мал. В результате образуется доменная структура ферромагнетиков. Объём ферромагнетика самопроизвольно разбивается на большое число локальных областей - доменов, каждый из которых представляет магнит в состоянии технического насыщения. В доменах элементарные магнетики атомов самопроизвольно или спонтанно ориентированы в одном направлении. Существование доменов было подтверждено экспериментально. Линейные размеры доменов составляют от 0.001 до 0.1 мм. Направление магнитных моментов доменов в не намагниченном объеме ферромагнетика равновероятно. Поэтому результирующий магнитный момент макрокуска будет равен нулю.
Домены разделены между собой граничными стенками, в которых происходит постепенное изменение направления вектора намагниченности одного домена к другому.
Теория образования доменных структур и перестройка их магнитных моментов под действием внешнего поля, определяющего ход кривых намагничивания, является важнейшим разделом теории магнетизма, и связана с техническими свойствами магнитных материалов.
По виду кривой намагничивания и фигуры петли гистерезиса все магнитные материалы делятся на 3 группы:
магнитомягкие материалы (ММ);
магнитотвердые материалы (МТ);
магнитные материалы специализированного назначения.
Характерными свойствами магнитомягких материалов (ММ) являются их способность намагничиваться до насыщения, даже в слабых магнитных полях (высокая магнитная проницаемость), и малые потери при перемагничивании. Эти свойства ММ материалов делают их особо пригодными для магнитопроводов электрических машин, в измерительных приборах, телефонах и для других целей, связанных с концентрацией магнитного поля.
Магнитотвердые материалы (МТ) применяются для постоянных магнитов, обладают большой удельной энергией, большой площадью петли гистерезиса и большими потерями при перемагничивании.
8.2 Основные свойства магнитных материалов
Зависимость магнитной индукции (В) в материале от напряженности магнитного поля (Н) называют кривой намагничивания.
Все магнитные материалы имеют свои кривые намагничивания, которые зависят от химического состава и кристаллического строения.
Процесс ориентации магнитных доменов в магнитном поле совпадает с ростом линейных размеров частиц магнитного вещества и носит название магнитострикции. Величина магнитострикции различна для разных направлений в кристалле металла.
а) б)
1 - железо особо чистое; 2 - железо чистое (99.88 %);
3 – железо технически чистое (99,92 % Fe); 4 - пермаллой (78 % Ni); 5 - никель (100 % Ni); 6 - сплав железо - никель (26 % Ni).
Рисунок 8.1- Кривые намагничивания (а) и магнитной проницаемости (б)
а) б) в) а - железо; б - никель; в - кобальт.
Рисунок 8.2 - Направление легкого среднего и трудного намагничивания в монокристаллах
Монокристаллы ферромагнитных веществ характеризуются магнитной анизотропией, сводящейся к различной легкости намагничивания вдоль разных кристаллических осей. На рисунке 8.2 показаны легкие средние и трудные направления намагничивания для Fe, Ni и Со.
Когда анизотропия в поликристаллических магнетиках выдержана достаточно резко, принято говорить, что ферромагнетик обладает магнитной текстурой. Магнитная текстура имеет большое значение и используется в технике для создания в определенном направлении повышенных магнитных характеристик материала.
Характеристикой ферромагнетиков в переменных магнитных полях является динамическая магнитная проницаемость , которая представляет отношение амплитудного значения магнитной индукции Вm к амплитудному значению напряженности магнитного поля Нm
= Вm/Hm . (8.1)
К числу важнейших для практики теории магнетизма характеристик является петля гистерезиса. Если производить намагничивание ферромагнетика во внешнем магнитном поле, а затем, начиная с какой-либо точки основной кривой намагничивания, начать уменьшать Н, то величина В будет уменьшаться, но не по основной кривой, а медленнее, вследствие явления гистерезиса (отставания).
При увеличении напряженности магнитного поля противоположного направления образец может быть размагничен, перемагничен и при новой перемене направления Н, В снова может вернуться в исходную точку.
Рисунок 8.3 - Начальная кривая намагничивания и предельная петля гистерезиса для ферромагнитного материала.
Значение В при Н = 0 в процессе размагничивания образца называется остаточной индукцией (Вr). Для того чтобы уменьшить индукцию от значения Вr до нуля, необходимо приложить обратно направленную напряженность поля Нс, называемую задерживающей (коэрцитивной) силой.
8.3 Магнитомягкие материалы (МММ)
Частотный диапазон различных МММ в значительной степени определяется величиной их удельного сопротивления . Чем оно больше, тем на более высоких частотах f можно использовать МММ.
МММ обладают высокой , небольшой Нс и малыми потерями на гистерезис Рг. Они используются там, где необходимо при наименьшей затрате энергии достигнуть наибольшей индукции В.
Сталь. Листовая электротехническая сталь - основной МММ массового потребления. Введение в состав стали кремния увеличивает ρ, что снижает потери на Рв. Кроме того, Si в стали выделяет углерод С в виде графита и полностью раскисляет сталь. Это увеличивает а, уменьшает Нс, снижает Рг. Но содержание кремния в стали увеличивает ее хрупкость и затрудняет прокатку в листы. Текстурованная сталь анизотропна и применяется для сердечников трансформаторов, изготовляемых по способу намотки. Применение этой стали в радиотрансформаторах позволяет уменьшить вес и габаритные размеры их на 40 %.
Пермаллои. Железо-никелевые сплавы, называемые пермаллоями, обладают большим значением начальной нач в области слабых полей. Это связано с отсутствием у них анизотропии и магнитострикции. Различают высоконикелевые с содержанием никеля Ni - 72-80% и низконикелевые пермаллои - с содержанием Ni -40-50%.
Высоконикелевый пермаллой применяется в сердечниках малогабаритных дросселей, малогабаритных транзисторах звукового диапазона, импульсных трансформаторах, магнитных усилителях.
Низконикелевый пермаллой имеет индукцию насыщения в 2 раза выше, чем высоконикелевый, что позволяет применять низконикелевый пермаллой в силовых трансформаторах, дросселях и др. приборах с высокой концентрацией магнитного потока.
Альсиферы.
Сплавы Fe, Si и Al - тройные сплавы называются альсиферами. Их оптимальный состав 9.5% Si; 5.6% Al; остальное - Fe. Такой сплав тверд и хрупок из-за наличия большого содержания кремния, но применяется в виде фасонных отливок.
Изделия из альсифера: магнитные экраны корпусов приборов и т.д, изготовляемые методом литья с толщиной стенок больше 2-3 мм ввиду хрупкости сплава. Альсифер можно размалывать в порошок и использовать для изготовления высокочастотных прессованных сердечников.
Ферриты, их свойства и назначения. Потери на вихревые токи в магнитных материалах Рв пропорциональны квадрату частоты f2, поэтому магнитные материалы при высоких и сверхвысоких частотах должны иметь малую электрическую проводимость γ и высокое удельное сопротивление . Этому требованию отвечают ферриты и магнитодиэлектрики.
Ряд веществ имеют антипараллельные расположения спинов с некоторыми преобладанием одного направления над другим - это ферромагнетики. Они обладают доменной структурной, точкой Кюри; к ним применимы все характеристики, которые были приведены для ферромагнетика.
Ферримагнетиками являются сложные оксидные материалы, называемые ферритами.
|
Скачать 0.69 Mb.