ответы ЭТМ. Роль электротехнических материалов
 Скачать 1.55 Mb.
|
|
РОЛЬ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Электротехническими материалами (ЭТМ) — называются материалы, обладающие специфическими свойствами по отношению к электромагнитному полю, и которые используются в технике с учетом этих свойств. Современные технические достижения цивилизации, такие как электрические станции, радиоприемники, магнитофоны, телеви- зоры, мобильные телефоны, электротранспорт, полеты в космос и многое другое, были бы невозможными без электротехнических материалов. Появление новых идей, конструкций и агрегатов ведет к разработке новых ЭТМ и, наоборот, появление новых ЭТМ стимулирует возникновение новых технических решений, усовершенствование старых конструкций, агрегатов и разработку новых. С целью иллюстрации значимости ЭТМ ниже приводятся примеры их использования в различных сферах науки и техники, при этом внимание уделяется одной из задач, требующих решения. Космонавтика. В данной области основной задачей является повышение рабочей температуры, так как при движении космических тел при входе в плотные слои атмосферы Земли из-за их трения о слои атмосферы возникает аэродинамический нагрев с температурой приблизительно равной 5000 – 10000 °с. Поэтому возникла задача создания радиопрозрачных теплозащитных материалов (РПТЗМ) для межконтинентальных баллистических ракет и космических аппаратов, в том числе управляемых. И проблема входа в плотные слои атмосферы Земли без разрушения искусственных космических аппаратов и баллистических межконтинентальных ракет была, как известно, успешно решена. Радиоэлектроника. В данной области основной задачей является миниатюризация радиоэлектронных изделий, то есть уменьшение размеров, массы, потребления энергии и повышение надежности. Хронология развития радиоэлектронных изделий 1945 Радиолампа 1950 Транзистор 1990 Сверхбольшие интегральные схемы на основе микротехнологий (СБИС) 2005 меньше СБИС (предел современной микротехнологии) После 2015 Ультрабольшие интегральные схемы на основе нанотехнологий (УБИС) Электротехника. В данной области основной задачей является сокращение потерь электроэнергии, обусловленных, в первую очередь, наличием электрического сопротивления у проводников. Уменьшению потерь энергии, таким образом, будет способствовать применение сверхпроводников (СП) у которых при критической тем- пературе перехода из нормального состояния в сверхпроводящее и обратно (Тс) удельное электрическое сопротивление (ρ) становится равным нулю. Это открыло большие перспективы для широкого использования сверхпроводимости в технике, в результате в настоящее время во многих промышленно развитых странах, включая Россию, разра- ботаны опытные и промышленные образцы силовых кабелей, трансформаторов, двигателей, в конструкции которых используются ВТСП. Таким образом, подводя итог на основе приведенных примеров, следует констатировать, что электротехнические материалы действительно играют очень важную роль в науке и технике, во многом обес- печивая современный уровень цивилизации. Исходные компоненты ЭТМ получают в основном из Земной коры, а также из атмосферы и океанской воды путем переработки с помощью металлургической или химической промышленности. Основные требования к ЭТМ: высокая степень чистоты (низкое содержание примесей); контролируемое введение примесей для целенаправленного изменения свойств. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПО ПОВЕДЕНИЮ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ По поведению в электрическом поле все ЭТМ подразделяются на проводники, диэлектрики и полупроводники. Критерием для классификации является величина удельной электропроводности (γ) или обратная ей величина — удельное электрическое сопротивление (ρ). Электропроводность — способность вещества пропускать электрический ток под действием электрического поля. Электропроводность связана с направленным движением носителей электрического заряда, обусловленным воздействием электрического поля. По этому признаку ЭТМ подразделяются на три класса: Проводники — материалы с высокой и ярко выраженной электропроводностью и с учетом этих свойств они используются в технике. Представители проводников: твердые тела: металлы (серебро (Ag), медь (Cu), алюминий (Al) и др.) и сплавы; жидкие тела: расплавы и электролиты; газообразные тела: ионизированные газы (плазма). Применение проводников определяется, в первую очередь, передачей электрической энергии. Диэлектрики — материалы, основным свойством которых является способность к поляризации, и в которых могут существовать электростатические поля. Электропроводность у диэлектриков очень низкая. Реальный диэлектрик тем ближе к идеальному, чем ниже его электропроводность. Представители диэлектриков: твердые тела: оксиды металлов (Al2O3, MgO, SiO2, ВеО и др.), высокомолекулярные вещества /полимеры/ (полиэтилен, политетрафторэтилен /фирменные названия: в РФ — фторопласт-4; керамика, стекло и другие; жидкие тела: нефть, нефтяные масла (кабельное, конденсаторное, трансформаторное), синтетические масла (углеводородные и кремнийорганические жидкости, фторорганические жидкости), бензин, бензол, сжиженные газы и другие. газообразные тела: все газы (неионизированные). Диэлектрики применяются, в первую очередь, в качестве электроизоляционных материалов. Полупроводники — материалы, у которых величины электропроводности и электрического сопротивления находятся между проводниками и диэлектриками. Представители полупроводников: кремний (Si), из него в настоящее время изготавливаются приблизительно 95 % всех полупроводниковых электронных приборов; германий (Ge); карбид кремния (SiC); арсенид галлия (AsGa) и другие. Применение — изготовление полупроводниковых электронных приборов, таких как: транзисторы, тиристоры, микропроцессоры, солнечные элементы и другие. Количественная оценка ЭТМ производится по параметрам: γ — удельная электропроводность. При нормальных условиях (20 °С и 760 мм рт. ст.) ЭТМ подразделяются следующим образом: проводники: ρ менее 10- 5 Ом·м. диэлектрики: ρ более 108 Ом·м. полупроводники: ρ более10- 6 и менее 109 Ом·м. Распределение ЭТМ по поведению в электрическом поле В широком интервале температур при росте температуры у полупроводников и диэлектриков увеличивается удельная электропроводность; при уменьшении температуры, наоборот, электропроводность диэлектриков и полупроводников уменьшается. При температуре близкой к 0 К все полупроводники переходят в группу диэлектриков с величиной γ, стремящейся к 0. Что же касается проводников, то при температуре 0 К у проводников, кроме случая сверхпроводников, ρ больше 0. Причина такого поведения в том, что проводящее состояние для проводников является основным, в то время как для диэлектриков и полупроводников это возбужденное состояние. Таким образом, при температуре близкой к абсолютному нолю, по величине γ все полупроводники являются диэлектриками, в то время как проводники остаются проводниками. 3. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПО ПОВЕДЕНИЮ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ М  агнитные свойства материалов, в первую очередь, определяются характером движения электронов в атоме. Влияние движения нуклонов в атомных ядрах на магнитные свойства веществ пренебрежимо мало. Электроны в атоме, в первом приближении, участвуют в двух видах движения: вращение электрона вокруг собственной оси («спин») и орбитальное (круговое) движение электрона вокруг атомных ядер. Эти движения создают круговые токи. Из электродинамики известно, что движение электрического заряда (в данном случае — электрона) приводит к возникновению магнитного момента и магнитного поля в окружающем пространстве. Это поле будет взаимодействовать как с внешним магнитным полем, так и с внутренними магнитными полями, в результате движения электронов в атомах, составляющих вещество. Последнее предопределяет зависимость магнитных свойств материала от его структуры. Критерием для классификации является величина относительной магнитной проницаемости. Относительная магнитная проницаемость определяется следующим выражением: B-магнитная индукция (Тл); Н — напряженность магнитного поля, (А/м); µ0 = 4π·10- 7 Гн/м — магнитная постоянная. По величине относительной магнитной проницаемости все материалы подразделяются на слабомагнитные и сильномагнитные материалы. Слабомагнитные ЭТМ (µ приблизительно равно 1). Слабомагнитные материалы по поведению в магнитном поле подразделяются на диамагнетики, парамагнетики и антиферромагнетики. Диамагнетики имеют µ меньше 1 при отсутствии зависимости µ от напряженности магнитного поля и температуры µ ≠ f (Н, Т). Представители: водород (Н2), все инертные газы, серебро (Ag), медь (Cu), золото (Au), бериллий (Be), хлорид натрия (NaCl), сверхпроводники при температуре менее Тс, нефть, вода, кремний, герма- ний и другие. (Например, µ меди = 0,9999906). Характерная особенность — диамагнетики выталкиваются из магнитного поля. Диамаг- нетизм присущ в той или иной степени всем веществам, независимо от их структуры. Парамагнетики с величиной µ больше 1 при отсутствии зависимости µ от напряженности магнитного поля µ ≠ f (Н) и при наличии зависимости µ от температуры. Представители: кислород (O2), оксид азота (NO2), воздух, платина (Pt), алюминий (Al), натрий (Na) и другие. (Например, µ воздуха = 1,000003). Антиферромагнетики с величиной µ больше 1 при наличии зависимости µ от напряженности магнитного поля и температуры µ = f (Н, Т). Представители: марганец (Mn), хром (Cr), РЗО (редкоземельные оксиды) и РЗЭ (редкоземельные элементы (лантаноиды): № 57 (лантан) ÷ № 71 (лютеций)). Антиферромагнетики при нагреве претерпевают фазовый переход и становятся парамагнетиками. При расчетах в технике для слабомагнитных материалов принимают значение µ равное 1. Сильномагнитные ЭТМ (µ много больше 1 (до 106 ) и µ = f (Н, Т)) — представляют большой интерес для техники в отличие от слабомагнитных материалов и широко применяются. Сильномагнитные материалы имеют специфическую структуру, которая обусловлена наличием доменов. («Домéн» от французского слова «domine» — область). Доменная структура присуща и слабомагнитным материалам, но влияние этой структуры, кроме случая антиферромагнетиков, менее ярко выражено, чем в сильномагнитных материалах. Внутри доменов имеет место спонтанная ориентация магнитных моментов частиц, что приводит к большому суммарному магнитному моменту домена. Домены имеют макроскопические размеры с объемом 0,001 ÷ 10 мм3 . В отсутствии внешнего магнитного поля (Н) магнитные моменты доменов ориентируются хаотически и компенсируют взаимное влияние. При наличии внешнего магнитного поля появляется преимущественная ориентация магнитных моментов , все дипольные моменты в доменах выстраиваются пре- имущественно по направлению магнитного поля, и материал приобретает большую намагниченность и имеет высокое значение магнитной проницаемости. Доменная структура магнитного материала После отключения магнитного поля магнитные моменты с некоторым запаздыванием опять разориентируются. Зависимость магнитной индукции от напряженности внешнего магнитного поля имеет вид петли гистерезиса . Под воздействием повышенной температуры ориентация магнитных моментов нарушается и при, так называемой, температуре Кюри (Тк) магнитная проницаемость µ материала резко уменьшается. Сильномагнитные материалы подразделяются по химическому составу на две группы: ферромагнетики и ферримагнетики. Ферромагнитные ЭТМ имеют µ много больше 1 (до 10^6 ) и µ =f (Н, Т). Представители: железо (Fe), кобальт (Co), никель (Ni) и их сплавы, а также некоторые РЗЭ (гадолиний (Gd), эрбий (Er), диспро- зий (Dy) и др. Температура Кюри некоторых ферромагнитных материалов Материал Тк, °С Гадолиний (Gd) 18 Никель (Ni) 358 Железо (Fe) 769 Кобальт (Co) 1131 Ферримагнитные ЭТМ имеют µ много больше 1 (до 10^6 ) и µ = f (Н, Т). Удельное сопротивление ферромагнетика много меньше, чем удельное сопротивление ферримагнетика, то есть ферромагнетик — это проводник, а ферримагнетик — это полупроводник: Иногда ферримагнетики называют «магнитными полупроводниками». Ферримагнетики отличаются, как было отмечено выше, от ферромагнетиков химическим составом. Они представляют собой смесь оксидов металлов; если в смеси есть оксид железа, то такой ферримагнетик называется феррит. Общая формула феррита: МеО·Fe2O3, где МеО — оксид металла. Примеры ферритов: MnO – ZnO – Fe2O3 — марганец-цинковый фер- рит; NiO – ZnO – Fe2O3 — никель-цинковый феррит; BaO·6Fe2O3 — бариевый феррит. Ферриты — это керамика, которая получается из порошкообразных оксидов путем формования (например, прессования) и высокотемпературной обработки (спекание) в строго контролируемой газовой среде. Технологический цикл изготовления ферритов Керамика значительно более дешевый материал, чем никель и кобальт. Это, а также возможность использования ферритов при высоких частотах, предопределили широкое использование ферритов в современной радиоэлектронике. Выводы (по сильномагнитным материалам): в технике используются сильномагнитные материалы; ферромагнетики (железо, кобальт, никель и их сплавы) применяются при низких частотах, а ферриты при средних и высоких, в том числе при сверхвысоких частотах (СВЧ) ; остаточная намагниченность (Br) у ферромагнетиков больше, чем у ферримагнетиков: ферромагнетики: Br = Br max = 2,4 Тл; ферримагнетики: Br = Br max = 0,15 – 0,5 Тл. Остаточная намагниченность материала имеет большое значение, в частности, для постоянных магнитов. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПО ПРИМЕНЕНИЮ В ТЕХНИКЕ Критерием для классификации является область техники, в которой применяется материал и его отдельные электрофизические свойства. Исходя из существования трех, взаимно дополняющих друг друга, классификаций ЭТМ по поведению в электрическом и магнитном полях и по применению в технике, общую классификацию электротехнических материалов можно представить следующим образом . ЭТМ по применению в технике делятся на проводники, полупроводники, диэлектрики и магнитные материалы. Классификация ЭТМ Проводники (ρ20 °С менее 10^- 5 Ом·м). По применению в технике проводники делятся на: проводники с высокой электропроводностью ρ20 °С менее 5·10^- 8 Ом·м. Эти проводники должны иметь минимальное содержание примесей, порядка 10^- 4 %. Применяются для монтажных проводов, кабелей, интегральных схем, компакт-дисков и др.; проводники с высоким удельным электрическим сопротивлением более 10^- 6 и менее 10^- 5 Ом·м. Данные проводники, как правило, представляют собой сплавы, например, нихром (Ni – Cr – Fe), или проводящие модификации углерода. Применяются в нагревательных приборах, резисторах, термопарах, подвижных электрических контактах. П  олупроводники (10^- 6< ρ20 °С < 10^9 Ом·м). В полупроводниках содержание примесей должно быть меньше или равно 10^- 8 %, причем примеси должны быть строго контролируемыми для изменения типа проводимости. Важнейшие полупроводники: Si, Ge, SiC, GaAs. Полупроводники применяются для создания полупроводниковых электронных приборов (транзисторы, тиристоры, микропроцессоры, лазеры, солнечные элементы и другое). Диэлектрики (ρ20 °С более 10^- 8 Ом·м). Мерой поляризации диэлектрика является относительная диэлектрическая проницаемость, обозначаемая в соответствии с символом εr . Согласно одному из уравнений электромагнитного поля  г  де εа — абсолютная диэлектрическая проницаемость, определяемая выражением Таким образом, относительная диэлектрическая проницаемость равна где D — электрическая индукция, (Кл/м 2 ), которая характеризует количество заряда, протекающего через некоторую поверхность, отнесенного к этой поверхности; Е — напряженность электрического поля, (В/м); ε0 = 8,85·10- 12 Ф/м — электрическая постоянная. Относительная диэлектрическая проницаемость (ε) показывает во сколько раз емкость конденсатора (Сд) с диэлектриком больше емкости того же конденсатора, между обкладками котороговакуум(Со):  По применению в технике диэлектрики делятся на пассивные и активные. Пассивные или линейные диэлектрики характеризуются отсутствием зависимости относительной диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля меньшей величины электрической прочности диэлектрика. Пассивные диэлектрики — это электроизоляционные материалы. Yдельное электрическое сопротивление должно стремиться к максимуму. При этом следует различать два случая: если материал используется только как электрический изолятор, то относительную диэлектрическую проницаемость стремятся уменьшить до минимума. Это будет способствовать уменьшению вероятности возникновения паразитных наводок в электрической схеме. Кроме того, при использовании пассивного диэлектрика в печатных платах уменьшение ε способствует увеличению быстродействия;  если пассивный диэлектрик используется как конденсаторный материал, то относительную диэлектрическую проницаемость стремятся увеличить до максимума, так как это приводит к увеличению электрической энергии (W), запасенной в конденсаторе: Представители пассивных диэлектриков: оксид алюминия (Al2O3), оксид магния (MgO), диоксид кремния (SiO2), полиэтилен, полипропилен, тефлон и др. Активные диэлектрики — диэлектрики, у которых имеются специфические зависимости ε, γ, коэффициента прохождения электромагнитной волны через материал, а также показателя преломления света от напряженности электрического поля. Активный диэлектрик также называется нелинейным диэлектриком или управляемым, так как его свойства изменяются под воздействием электрического поля или другого внешнего энергетического фактора. Ассортимент и виды активных диэлектриков постоянно расши- ряются, особенно в последние десятилетия, что связано с развитием электро- и радиотехники, оптоэлектроники. Существует достаточно большое количество различных групп активных диэлектриков. Основные группы представлены и кратко охарактеризованы ниже. |