Конструкционные и эксплуатационные свойстваэлектротехнических материалов

В процессе изготовления и монтажа электрооборудования и электронной аппаратуры материалы подвергаются механическим, тепловым, химическим и другим воздействиям технологического оборудования. Во время эксплуатации электрических устройств материалы подвергаются совместному воздействию механических усилий, тепла и других факторов окружающей среды. Устойчивость материалов к этим воздействиям обеспечивает длительную и безаварийную эксплуатацию электрооборудования. Для оценки конструкционных и эксплуатационных свойств электротехнических материалов используют физические и химические характеристики.

Значения пределов механической прочности твёрдых материалов при статических нагрузках – сжатии, растяжении, изгибе, кручении – выражаются в паскалях (мегапаскалях), 1 Па = 1 Н/м². Для оценки пластичности материала используют значение относительного удлинения при разрыве ∆l/l в процентах. Хрупкость материала оценивают по стойкости к динамическим нагрузкам (ударам), здесь применяют понятие «ударная вязкость», единица измерения – джоуль на квадратный метр (Дж/м²). Кинематическую вязкость жидкостей измеряют в квадратных метрах на секунду (м²/с), а динамическую – в паскалях, умноженных на секунду (Па∙с).

Тепловые свойства материалов характеризуются теплоёмкостью, теплопроводностью, температурными коэффициентами линейного и объёмного расширения, а также значениями температуры размягчения(застывания), плавленияикипения. Для твёрдой изоляции очень важна оценка нагревостойкости и холодостойкости; для горючих изоляционых жидкостей важнейшими тепловыми характеристиками являются температура вспышки паров и температура воспламенения.

Для оценки устойчивости изоляции к воздействию воды пользуются понятиями «влажность», «влагопроницаемость». В ряде случаев следует позаботиться об устойчивости материалов к коррозии,особенно при совместном воздействии воды и химически активных веществ (кислотные дожди, морская вода), а также к воздействию плесени, грибков, термитов (тропикостойкость).

Важна также стойкость изоляции к воздействию лучей солнечногосветаи других ионизирующих излучений.

Вопрос 2. Основные свойства проводников. Классификация проводниковых материалов.

Основные свойства проводников

Основным параметром проводниковых материалов является удельное сопротивление.

Удельное сопротивление проводника с сопротивлением R, сечением S и длиной l определяется по формуле:

                                                               (Ом^.м)

Температурная зависимость удельного сопротивления металлических проводников

  В чистых металлах правильной структуры причиной, ограничивающей длину свободного пробега электронов, является тепловое колебание атомов кристаллической решетки. С ростом температуры увеличивается амплитуда тепловых колебаний атомов, что усиливает рассеяние электронов и вызывает возрастание удельного сопротивления. У чистых металлов при нагревании на 100º электросопротивление увеличивается на 45-50%. У сплавов оно увеличивается меньше.

У ряда металлов при очень низкой температуре T_св наступает состояние сверхпроводимости. При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления в 1,5-2 раза.

Рисунок 3 – График зависимости удельного сопротивления металлических проводников от температуры

В области линейной зависимости удельного сопротивления от температуры справедливо выражение

,

где и  – удельное сопротивление, и температурный коэффициент удельного сопротивления при нормальной температуре (t=20ºC);

    – удельное сопротивление при температуре T.

                         Влияние примесей и дефектов на удельное сопротивление

Причинами уменьшения проводимости металлов являются не только тепловые колебания, но и дефекты структуры кристаллов. Наибольшее рассеяние электронов происходит на примесях, которые всегда присутствуют в проводнике в виде загрязнения или легирующих элементов.

Кроме того, удельное сопротивление повышают собственные дефекты структуры – вакансии, атомы внедрения, дислокации. При деформации металл происходит искажение кристаллической решетки, что также приводит к увеличению сопротивления.

В качестве термостабильных проводниковых материалов используются сплавы, в которых удельное сопротивление определяется в основном неоднородностью структуры и в меньшей – тепловыми колебаниями.

Увеличение сопротивление также проявляется при получении металлических пленок, используемых в микроэлектроники в качестве межэлементных соединений, контактных площадок, обкладок конденсаторов и д.р. Причинами этого являются изменение структуры при осаждении пленок и размерный эффект (возрастание роли поверхностных процессов над объемными).

                                            Контактные явления

         При соприкосновении двух разных разнородных металлов между ними возникает разность потенциалов. Это объясняется разными уровнями энергии электронов, т.е. различной работой выхода. При контактировании металлов происходит переход электронов из области с большим                                     значением энергии в область, где эта энергия меньше.

 В результате металл А заряжается положительно, а металл Б – отрицательно. Возникающая контактная разность потенциалов составляет от десятых долей до нескольких вольт. Обычно электрический потенциал контакта не влияет на прохождение электрического тока. Контактные явления используются для создания термопар.                                   

                      

                              Классификация проводниковых материалов:

1) По агрегатному состоянию

      - твердые проводники – в основном металлы и металлические сплавы;

     - жидкие проводники – электролиты и расплавленные металлы. При нормальной температуре в качестве жидкого проводника может быть применена ртуть (-39 ºС) и галлий (29,8 ºС);

      - газы и пары при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками, однако если напряженность поля выше некоторой критической, газ становится проводниковым, обладающим электронной и ионной электропроводностью;                                     Сильно ионизированный газ представляет собой особую проводящую среду, называемую плазмой.

2) По величине проводимости

- материалы высокой проводимости;

- материалы высокого электрического сопротивления;

- сверхпроводящие материалы.

3) По химическому составу

- чистые металлы;

- сплавы (высокого сопротивления, для термопар, припои);

- неметаллические материалы;

- контактные материалы.

 

Вопрос 3 Материалы высокой проводимости. Медь. Получение меди. Марки меди. Специальные сорта меди. Применение.

      Медь является первым и основным проводниковым материалом. Удельное электрическое сопротивление стандартной меди при комнатной температуре 17,241 нОм·м, что соответствует удельной электропроводности 58 МСм/м. Электропроводность других металлов и сплавов часто оценивают в процентах от электропроводности стандартной меди. Только серебро имеет электропроводность выше, чем медь, однако, оно тяжелее, а главное гораздо дороже. Плотность меди 8,94 · 10³ кг/м³, она достаточно прочна; предел прочности мягкой (отожжённой) меди от 260 до 280, а твёрдой – от 360 до 390 МПа.

Медь плавится при температуре 1083 °С, а кипит при 2567 °С.

Химическая стойкость меди достаточно высока. Даже в условиях высокой влажности медь окисляется на воздухе значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах.

Медь удобно обрабатывать, она легко прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до нескольких микрон (мкм). Медь удобно паять, слабая оксидная плёнка на поверхности меди легко разрушается флюсами, для пайки можно использовать как мягкие, так и твёрдые припои.

Получение меди. Медь получают путём переработки сульфидных руд. После ряда плавок руды и обжигов с интенсивным дутьём медь, предназначенная для электротехнических целей, обязательно проходит электролитическую очистку. Побочный продукт электролиза – шлам – представляет собой ценное сырье, т. к. содержит драгоценные и редкие металлы. Полученные в процессе электролиза катодные пластины переплавляют в болванки, из которых прокатывают листы или протягивают проволоку.

При холодной протяжке получают твёрдую (твердотянутую) медь, которая маркируется МТ. Благодаря влиянию наклепа твёрдая медь имеет высокий предел прочности при растяжении и малое относительное удлинение при разрыве, а также твёрдость и упругость при изгибе; проволока из твёрдой меди несколько пружинит. Если же медь подвергнуть отжигу, т. е. нагреву до нескольких сот градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая (отожжённая) медь, которая маркируется ММ. Мягкая медь сравнительно пластична, обладает малой твёрдостью и небольшой прочностью, но большим относительным удлинением при разрыве и малым удельным сопротивлением. Отжиг меди производят в специальных печах без доступа воздуха, чтобы избежать окисления.

Марки меди. В качестве проводникового материала используют медь М1 и М0. Маркировка произведена по содержанию примесей в основном металле (соответственно не более 0,1 % и не более 0,05 %).

Специальныеэлектровакуумныесорта меди не содержат кислорода. Их получают из электролитической меди, переплавленной в вакууме или в защитной атмосфере восстановительного газа СО. Значительное ухудшение механических свойств меди вызывает водород. При взаимодействии водорода с кислородом, присутствующим в технической меди в виде закиси Cu₂O,образуется вода,разрушительно действующая на медь. После водородного отжига прочность меди может уменьшиться в несколько раз.

Недостатком меди является её подверженность атмосферной коррозии с образованием оксидных и сульфидных плёнок, которые являются полупроводниками и в контакте с медью образуют выпрямительныеэлементы. Вследствие односторонней проводимости окисленная медь непригодна для слаботочных контактов. Скорость окисления быстро возрастает при нагревании, однако прочность сцепления оксидной плёнки с металлом невелика. При высокой температуре в электрической дуге оксид меди разлагается, обнажая металлическую поверхность. Металлическое отслаивание и термическое разложение оксидной плёнки вызывает повышенный износ медных контактов при сильных токах.

Применение меди. Медь применяют в силовой электротехнике для изготовления проводов, кабелей, шин распределительных устройств, обмоток трансформаторов, электрических машин, токоведущих деталей приборов и аппаратов, анодов гальванических ванн; медные проволоки и ленты используют в качестве экранов кабелей. Твёрдую медь употребляют в тех случаях, когда нужна особенно высокая механическая прочность, твёрдость и сопротивляемость истиранию, например, для изготовления контактных проводов, коллекторных пластин. Если же требуется хорошая гибкость и пластичность, а прочность не имеет особого значения, то предпочтительнее мягкая медь (например, для гибких шнуров и монтажных проводов).

Из специальных электровакуумных сортов меди изготавливают детали магнетронов и других приборов СВЧ, аноды мощных генераторных ламп, некоторые типы волноводов и резонаторов. Кроме того, медь используют для покрытия тонкой плёнкой (фольгирования) гетинакса и текстолита, а также применяют в микроэлектронике в виде осаждённых на подложки плёнок, играющих роль проводящих соединений между функциональными элементами схемы.

                                                              

Вопрос 4 Материалы высокой проводимости. Алюминий. Получение . Марки алюминия. Поверхность алюминия. Применение.

     Алюминий является вторым по значению проводниковым материалом электротехники, важнейшим из лёгких металлов (его плотность 2,7·10³ кг/м³). Удельное сопротивление электротехнического алюминия 28 нОм·м, что в 1,63 раза больше, чем у меди. Однако, если сделать из 1 кг алюминия и из 1 кг меди провода одинаковой длины, площадь сечения алюминиевого провода будет в 3,3 раза больше, а сопротивление в 2 раза меньше, чем у медного. Это позволяет считать, что электропроводность у килограмма алюминия в 2 раза выше, чем у меди. Стоит алюминий гораздо дешевле меди, это делает его самым выгодным проводниковым материалом и стимулирует замену меди алюминием, несмотря на его недостатки – малую прочность (предел прочности мягкого алюминия достигает 80, а твёрдого – до 160 МПа), а также ломкость и химическую активность.

Алюминий – металл серебристо-белого цвета, его поверхность покрыта прочной плёнкой оксида Al₂О₃, которая является полупроводником n-типа, а по удельному сопротивлению близка к диэлектрикам. Эта плёнка предохраняет алюминий от коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов, а также делает невозможной пайку алюминия обычными методами. Для разрушения оксидной плёнки при пайке алюминия применяют специальные припои и флюсы, а также вибрацию жала паяльника с частотой ультразвука под слоем расплавленного припоя.

Оксидная изоляция прочна механически и нагревостойка. Температура плавления алюминия равна 657 °С, а оксидной плёнки – около 2050 °С. Слой оксида толщиной 0,03 мм имеет пробивное напряжение около 100 В. Плотные оксидные слои на поверхности алюминиевой фольги или провода получают с помощью электрохимической обработки (анодирования). Такая изоляция широко применяется в оксидных (электролитических) конденсаторах. Из анодированных алюминиевых проводов и шин, без применения дополнительной межвитковой изоляции, изготавливают различные обмотки, отличающиеся высокой нагревостойкостью.

Важнейшее значение имеет контакт алюминия и меди. Если область контакта подвергается воздействию влаги, то возникает местная гальваническая пара с довольно высоким значением ЭДС, вследствие чего алюминиевый проводник разрушается, превращаясь в белый порошок оксида. Поэтому места соединения медных проводников с алюминиевыми должны быть тщательно защищены от увлажнения (их покрывают изолентой и пропитывают лаком, и т. п.).

Алюминий широко распространён в природе. Его получают электролизом глинозёма Al₂О₃ в расплаве криолита Na₃AlF₆ при 950 °С. Прокатку, протяжку и отжиг алюминия производят по технологиям, аналогичным соответствующим операциям для меди. Из алюминия высокой чистоты можно прокатать очень тонкую (6–7 мкм) фольгу.

Марки алюминия. Для электротехнических целей используют алюминий технической чистоты АЕ, содержащий не более 0,5 % примесей. Проволока из алюминия АЕ, отожжённая при температуре 350 ± 20 °С, обладает при 20 °С удельным сопротивлением не более 0,029 мкОм·м при прочности 90 МПа. Алюминий высокой чистоты А97 (не более 0,03 % примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, используемой в качестве обкладок и для изготовления корпусов электролитических конденсаторов. У алюминия особой чистоты А999 примеси не превышают 0,001 %, его используют для плакирования (покрытия тонким слоем) проводов из алюминия марки АЕ с целью придать им особую стойкость к коррозии.

С целью упрочнения в алюминий добавляют до 0,5 % магния, до 0,7 % кремния и до 0,3 % железа, при этом получают сплав под названием альдрей. За счёт образования мелкодисперсного соединения Mg₂Si прочность альдрея достигает 350 МПа .                                                     

Вопрос 5 Материалы высокой проводимости. Бронзы. Латуни. Благородные металлы. Применение.

 

     Сплавы меди. Кроме чистой меди в качестве проводниковых материалов применяют сплавы меди с цинком (латуни), а также бронзы – сплавы меди с другими металлами – оловом, фосфором, бериллием, кадмием и т. д., здесь может присутствовать и цинк. Электропроводность медных сплавов несколько ниже, а механическая прочность и химическая стойкость значительно выше, чем у чистой меди.

В наименовании бронзы присутствует название этого металла, добавка которого в основном определяет её свойства. Фосфористую бронзу применяют как припой для пайки меди; бериллиевую бронзу особой прочности (до 1350 МПа) применяют для изготовления пружин и пружинящих контактов. Из кадмиевойбронзы, электропроводность некоторых марок которой достигает до 95 % от электропроводности меди, изготавливают коллекторные пластины электродвигателей и генераторов, контактные провода электротранспорта и детали других скользящих контактов.

Латуни содержат до 43 % цинка по массе и маркируются по количеству содержащейся в них меди; Л68 и т. п. Латуни прочнее, чем медь, и устойчивее к коррозии, поэтому широко применяют для изготовления штырей и гнёзд разъёмных контактов, а также в качестве твёрдого припоя для пайки меди – ПМЦ (припой медно-цинковый).

К благороднымметаллам относят золото, серебро, платину и металлы платиновой группы – палладий, иридий, родий, рутений и осмий. Это наиболее химически стойкие металлы; они встречаются в природе в виде самородков, представляющих в основном смеси этих металлов, а также как примеси присутствуют в различных рудах. В результате металлургической, химической и электролитической переработки удается получить металлы очень высокой чистоты: золото – 99,998 %; платину – 99,9998 %; серебро – 99,999 %; палладий – 99,94 %.

    Золото – высокопластичный блестящий металл жёлтого цвета. В электронной технике золото используют как контактный материал, а также для коррозионно-устойчивых покрытий резонаторов СВЧ и внутренних поверхностей волноводов. Золото добавляют в полупроводники для повышения рабочей частоты.

   Серебро – белый, блестящий металл, с наименьшим удельным электрическим сопротивлением (16 нОм·м). Серебро применяется в широкой номенклатуре контактов в аппаратуре разных мощностей. Высокие значения удельных теплоёмкости, теплопроводности и электрической проводимости серебра обеспечивают по сравнению с другими металлами наименьший нагрев контактов и быстрый отвод теплоты от контактных точек.

Серебро применяют также для непосредственного нанесения на диэлектрики в качестве электродов при производстве керамических и слюдяных конденсаторов; для этого применяют методы испарения электронным лучом и осаждения в вакууме либо вжигания. Серебром покрывают внутренние поверхности волноводов для получения слоя высокой проводимости, с этой же целью серебрению подвергают проводники высокочастотных катушек индуктивности.

  Платина – белый металл с наибольшей химической стойкостью, прекрасно поддается механической обработке, вытягивается в очень тонкие нити и ленты. В отличие от серебра платина не образует сернистых плёнок при взаимодействии с атмосферой, что обеспечивает платиновым контактам стабильное переходное сопротивление. Вследствие малой твердости платина редко используется для контактов в чистом виде, но служит основой для контактных сплавов. Наибольшее применение нашли сплавы платины с иридием. Они не окисляются, имеют высокую твёрдость, малый механический износ, допускают большую частоту включений, однако дороги и применяются в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокую надёжность контактов при малых напряжениях и слабых токах.

Платину применяют для изготовления термопар, рассчитанных на рабочие температуры до 1600 °С (в паре со сплавом платинородий). Особо тонкие нити из платины диаметром около 0,001 мм для подвесок подвижных систем в электрометрах и других чувствительных приборах получают многократным волочением биметаллической проволоки «платина – серебро» с последующим растворением наружного слоя серебра в азотной кислоте (на платину азотная кислота не действует).

Палладийспособен интенсивно поглощать водород. Водород проникает в палладий при сравнительно низкой температуре (от 150 до 300 °С) и избыточном давлении от 0,015 до 0,1 МПа. При нагреве палладия в вакууме в диапазоне температуры от 350 до 500 °С водород вновь выделяется в чистом виде. Твёрдый палладий поглощает более чем 850-кратный объём водорода по отношению к собственному объёму. Выделенный из палладия чистый водород используют в топливных элементах для получения электричества за счёт его окисления кислородом, им также наполняют газоразрядные приборы.

Палладий и его сплавы с серебром и медью применяют в качестве материалов для изготовления слаботочных контактов. В отожженном состоянии палладий обладает весьма хорошими механическими свойствами: предел прочности при растяжении – до 200 МПа, относительное удлинение при разрыве – до 40 %.

  Иридий используют для покрытия поверхностей изделий (иридирование), а также в качестве добавки в платину с целью повысить прочность и износостойкость контактов. Из чистого иридия изготавливают тигли для выращивания монокристаллов, ответственные детали контрольно-измерительных приборов.

До 1960 г. международным эталоном метра служил изготовленный из платиноиридиевого сплава брус, находящийся в Международном бюро мер и весов в Севре. На одной из плоскостей этого бруса нанесены два штриха, на расстоянии 1 м друг от друга.

   Родий и рутений, наряду с палладием, используют для защитных покрытий контактов, а родий в сплаве с платиной – для термопар.

  Осмий – компонент сверхтвердых и износостойких сплавов с иридием (детали особо точных приборов, прецизионно малые контакты), с вольфрамом и молибденом (катоды термоионных диодов).

Вопрос 6 Материалы высокого удельного сопротивления. Манганин. Константан. Нихром. Фехраль. Применение.

 

     Сплавами высокого сопротивления называют проводниковые материалы, у которых значения ρ в нормальных условиях составляют не менее 0,3 мкОм·м. Их применяют при изготовлении электроизмерительных приборов, образцовых резисторов, реостатов и электронагревательных устройств. При использовании сплавов в электроизмерительной технике от них требуется не только высокое удельное сопротивление, но и возможно меньшее значение температурного коэффициента сопротивления α_ρ, а также малая термоЭДС относительно меди. Нагревательные сплавы должны длительно работать на воздухе без разрушения при температурах не менее 1000 °С.

Наиболее распространёнными в электротехнике являются сплавы на медной основе – манганины и константаны, а также на основе железа – хромоникелевые (нихромы) и хромоалюминиевые (фехрали).

    Манганиныназваны по латинскому наименованию марганца (лат. manganum – желтоватый). Используют две группы манганинов, различающихся количеством марганца. В первой группе манганинов марганца немного, а основным металлом является медь, например, сплавы состава 85 % Cu,12 % Mn и 3 % Ni имеют удельное электрическое сопротивление ρ = 0,42…0,48 мкОм·м, температурный коэффициент сопротивления α_ρ = (5…30)10^–6 К^–1, термоЭДС в контакте с медью 1–2 мкВ/К. Во второй группе, так называемых радиоманганинов, марганец – основной металл, его количество может превышать 60 %, например, сплав 60 % Mn,30 % Ni и10 % Cuимеет удельное электрическое сопротивление ρ = 2,05 мкОм·м и отрицательное значение температурного коэффициента сопротивления, α_ρ = –10^–4 К^–1. Есть манганины с α_ρ = 0. Манганины применяют для шунтов и добавочных сопротивлений электроизмерительных приборов, а также образцовых резисторов. Манганины легко вытягиваются в тонкую проволоку до диаметра 0,02 мм, из них прокатывают ленты толщиной 0,01–1 мм и шириной 10–300 мм.

Для получения малого α_ρ и высокой стабильности сопротивления во времени манганины подвергают специальной термической обработке – отжигу при температуре 350–550 °С в вакууме с последующим медленным охлаждением и дополнительной длительной выдержкой при комнатной температуре.

    Константаны (лат. constantis – постоянный) – содержат 39–41 % никеля (с кобальтом) и 1–2 % марганца, остальное медь. Значение α_ρ константанов близко к нулю и обычно имеет отрицательный знак. Константаны хорошо поддаются обработке, их можно вытягивать в проволоку и прокатывать в ленту тех же размеров, что и из манганинов. Константаны применяют для изготовления реостатов и электронагревательных элементов в тех случаях, когда рабочаятемпература не превышает 400–450 °С. При нагреве константана на его поверхности образуется плёнка оксида, которая обладает электроизоляционными свойствами (оксидная изоляция). Покрытую такой изоляцией константановую проволоку можно наматывать плотно, виток к витку, если только напряжение между соседними витками не превышает одного вольта. Таким образом, например, изготавливают реостаты. Для получения гибкой и прочной оксидной плёнки требуется быстрый (не более 3 секунд) нагрев константановой проволоки до температуры 900 °С с последующим охлаждением на воздухе.

Константаны в паре с медью Cu или железом Fe создают большую термоЭДС. Это затрудняет использование константановых резисторов в измерительных схемах, зато константаны с успехом применяют для изготовления термопар, которые служат для измерения температуры до 600 °С. Константаны чувствительны к механическому давлению и используются в тензодатчиках.

      Нихромы различных марок содержат 55–78 % никеля, 15–23 % хрома, 1,5 % марганца, остальное железо. Их используют для изготовления нагревательных элементов электрических паяльников, плиток и печей с рабочей температурой до 1100 °С. Из нихромов можно протягивать тонкую (до 20 мкм) проволоку и прокатывать тонкую ленту. Оксидные плёнки на поверхности нихрома имеют небольшие и стабильные в широком интервале температур контактные сопротивления даже при малых контактных усилиях. Благодаря этому тонкая пластичная нихромовая проволока используется для изготовления миниатюрных высокоомных переменных резисторов с хорошими техническими характеристиками. Тонкие плёнки из нихромов широко применяются для изготовления тонкоплёночных резисторов, в частности, резисторов интегральных микросхем. Их получают путём испарения и конденсации в вакууме,

     Фехрали различных марок содержат 12–25 % хрома, 3,5–5,5 % алюминия, 0,7 % марганца, 0,6 % никеля, остальное железо. Они дешевле нихромов и отличаются большей жаростойкостью (их можно нагревать до 1200 °С), но в то же время хрупкостью и твёрдостью. Из фехралей изготавливают нагреватели для промышленных электропечей большой мощности.

Высокую жаростойкость нихромов и фехралей обеспечивает плотная оксидная плёнка, образуемая на поверхности при соединении атомов никеля, хрома и алюминия с атомами кислорода. Эта плёнка защищает сплав от дальнейшего окисления, не растрескивается при циклическом нагреве и остывании благодаря тому, что её коэффициент температурного расширения близок к коэффициенту температурного расширения сплава.

Вопрос 7  Тугоплавкие материалы. Сплавы для термопар. Применение.

Тугоплавкие металлы. К тугоплавким относятся металлы с температурой плавления выше, чем у железа. Как правило, они химически устойчивы при низких температурах, но становятся активными при повышенных; эксплуатация их при высоких температурах может быть обеспечена только в атмосфере инертных газов или в вакууме.

В плотном виде тугоплавкие металлы чаще всего получают методами порошковой металлургии — прессовкой и спеканием порошков. В электронной технике применяют различные технологии обработки чистых тугоплавких металлов: плавка электронным или лазерным лучом, зонная очистка, плазменная обработка и др. В электротехнике и электронике нашли широкое применение вольфрам, молибден, тантал, ниобий, хром и рений.

Вольфрам – очень тяжелый, твёрдый металл серого цвета. Из всех металлов вольфрам обладает наиболее высокой температурой плавления (3380 °С). Для него характерна высокая внутрикристаллическая прочность при очень слабом сцеплении между отдельными зёрнами. Поэтому спеченные изделия, обладающие мелкозернистым строением, хрупки и легко ломаются.

В результате механической обработки ковкой и волочением вольфрам приобретает волокнистую структуру; (этим объясняется гибкость тонких вольфрамовых нитей). При нагревании тянутого вольфрама до высоких температур начинается процесс рекристаллизации, то есть укрупнение зёрен. Для замедления этого процесса в вольфрам добавляют оксид тория Th₂О₃, который образует прослойки между зёрнами и вследствие этого препятствует росту кристаллов. Для повышения устойчивости формы раскалённых вольфрамовых нитей в них добавляют оксиды кремния, алюминия, кальция.

Из вольфрама изготавливают нити накаливания осветительных ламп и многие детали электровакуумной техники; его используют в мощных электрических контактах в композиции с медью или серебром, а также в качестве электрода при аргонно-дуговой сварке.

Молибден(температура плавления 2623 °С) отличается пластичностью. Для улучшения структуры и повышения механической прочности в молибден вводят оксиды кремния, тория и другие присадки. Из молибдена изготавливают сетки и электроды электронных ламп, рентгеновских трубок и различные вспомогательные детали электровакуумных приборов с напряжённым тепловым режимом.

Молибден используется также в качестве нагревательных элементов электрических печей. Такие элементы в защитной атмосфере могут устойчиво работать при температурах 1700 °С, при которых процессы рекристаллизации ещё слабо выражены.

Тантал(3014 °С) легко поглощает газы, становясь при этом хрупким, поэтому требует спекания в вакууме. Благодаря высокой пластичности из тантала легко вытянуть тонкую проволоку и прокатать фольгу. Из тантала изготавливают аноды и сетки генераторных ламп, катоды прямого и косвенного накала и другие детали. Тантал используют в вакуумной технологии в качестве испарителей при осаждении тонких плёнок различных веществ. Тонкие плёнки тантала напыляют на диэлектрик при производстве резисторов.

Особое значение тантал имеет при производстве конденсаторов. Широкое применение получили электролитические и тонкоплёночные конденсаторы с изоляцией из оксида тантала Та₂О₅. Благодаря большому значению диэлектрической проницаемости (ε = 25) такие конденсаторы обладают большой удельной ёмкостью.

Ниобий (2477 °С) по свойствам близок к танталу, высокопластичен и хорошо поглощает газы. Конструктивные детали из ниобия одновременно поддерживают вакуум в электровакуумных приборах.

У ниобия небольшая работа выхода электрона, поэтому из него изготавливают катоды прямого накала мощных генераторных ламп.

Ниобий отличается наивысшей температурой сверхпроводимости. Интерметаллиды ниобия используют как сверхпроводящие материалы, а ниобаты бария, натрия и других металлов – в акусто- и оптоэлектронике как лазерные материалы.

Хром (1890 °С) – весьма распространённый элемент, благодаря стойкости к окислению он используется для защитного покрытия изделий, в том числе эксплуатируемых при повышенных температурах. Хромирование производят электролитическим путём, либо с помощью насыщения хромом поверхностных слоёв стальных изделий посредством диффузии из внешней среды.

Хром входит в состав большого количества сплавов для нагревательных приборов, термопар, конструкционных нержавеющих, жаропрочных сталей и магнитных материалов. Из тонких плёнок хрома изготавливают резисторы и адгезионные подслои для контактных площадок и токопроводящих соединений в интегральных микросхемах, а также светонепроницаемые слои фотошаблонов.

Рений(3180 °С) – один из редких и очень тяжелых металлов. Он отличается удачным сочетанием свойств, удовлетворяющих большинству требований электровакуумной техники; в атмосфере водорода и во влажной среде он испаряется в меньшей степени, чем вольфрам. В радиоэлектронике рений применяют для защиты от коррозии и износа деталей из меди, серебра, вольфрама, молибдена. Тонкие плёнки рения используют для создания прецизионных резисторов в интегральных схемах. Их получают в высоком вакууме путём испарения электронным лучом и осаждения на подложку.

Контактная разность потенциалов и термоЭДС

При контакте проводников электроны переходят к тому, в котором они могут находиться с наименьшим уровнем энергии. В результате такого перехода один проводник заряжается положительно, а другой – отрицательно; контактная разность потенциалов между двумя проводниками может достигать нескольких вольт. Контактная разность потенциалов может явиться причиной электрохимической коррозии (разрушение

алюминия в контакте с медью). Значение контактной разности потенциалов максимально при низкой температуре и уменьшается с ростом теплового движения электронов; зависимость контактной ЭДС от температуры используют в термопарах. Термопару спаивают или сваривают из двух различных проводников в двух местах, при этом образуется замкнутая электрическая цепь. Если температура спаев разная, то значения контактной ЭДС тоже разные, эта разница вызывает ток, называемый термоэлектрическим; если цепь разорвать, то в любом месте мы обнаружим разность потенциалов, которую называют термоэлектродвижущей силой. Явление термоэлектричества открыл Томас Иоган Зеебек в 1821 г.

   Термопары широко применяют для измерения температуры. При точных измерениях используют специальные сплавы, а температуру одного из спаев стабилизируют, помещая в тающий лёд или термостат, как показано на рисунке 2.5. Для измерения температур применяют следующие сплавы: копель (56 % Cu и 44 % Ni; алюмель (94,5 % Ni, остальное – Al, Si, Mn и Co); хромель (90,5 % Ni и 9,5 % Cr); никросил (83,5 % Ni, 13,7 % Cr, 1,2 % Si); нисил (95 % Ni, 4,2 % Si); платинородий (6, 10, 13 или 30 % Rh, остальное Pt); вольфрамрений (5 или 20 % Re, остальное W). Средние значения термоЭДС (измеряют в мкВ/К) и температурный диапазон применения термопар приведены в таблице 1. В холодном спае ток направлен от первого материала ко второму, в горячем – наоборот.

Большие значения удельной термоЭДС можно получить при использовании сплавов, имеющих сложную зонную структуру и обладащих свойствами полупровод­ников. Эти сплавы используют в термоэлементах для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую.

Паразитные термоЭДС могут нарушить работу электроизмерительных приборов и других устройств, использующих сигналы с малым значением напряжения. Здесь следует подбирать материалы, имеющие малые значения контактной разности потенциалов и термоЭДС.

Таблица1.– Основные характеристики термопар

Термопара	Название	Тип МЭК	ТермоЭДС, мкВ/К	Диапазон, °С,  от до
Медь-константан	ТМК	T	~50	200	350
Железо-константан	ТЖК	J	~60		600
Хромель-копель	ТХК	L	~75		600
Хромель-алюмель	ТХА	K	~40		1000
Никросил-нисил	ТНН	N	~30	–270	1300
Платинородий (10 %Rh)-платина	ТПП10	S	~12	0	1300
Платинородий (13 %Rh)-платина	ТПП13	R	~12
Платинородий (30 % Rh)- платинородий (6 % Rh)	ТПР	B	~12	200	1700
Вольфрамрений (5 % Re)-вольфрамрений (20 % Re)	ТВР	A-1,A-2, A-3	~10	0	2200 1800

Вопрос 8 Явление сверхпроводимости. Сверхпроводящие материалы. Применение.

   В 1908 г. Xейке Камерлинг-Оннес получил жидкий гелий, а в 1911 г. открыл сверхпроводимость (Нобелевская премия 1913 г.).

При охлаждении до определённой температуры, называемой температурой сверхпроводящего перехода Т_с, некоторые вещества скачкообразно теряют электрическое сопротивление. Если в кольце из сверхпроводника индуцировать электрический ток, то он не будет затухать в течение длительного времени. По скорости уменьшения наведенного тока было оценено, что удельное электрическое сопротивление материалов в сверхпроводящем состоянии составляет около 10^–26 Ом·м, что в 10¹⁷ раз меньше сопротивления меди при комнатной температуре. Исследуя поведение сверхпроводников в магнитном поле, обнаружили, что внешнее магнитное поле не проникает в толщу образца, затухая в его тончайшем слое, а силовые линии поля огибают сверхпроводник. Это явление, получившее название эффекта Мейснера, обусловлено тем, что в поверхностном слое сверхпроводника при его внесении в магнитное поле возникает круговой незатухающий ток, глубину проникновения которого оценивают в пределах от 10^–7 до 10^–8 м (скин-эффект). Состояние сверхпроводимости может быть разрушено, если индукция магнитного поля превысит некоторое критическое значение В_с. По характеру перехода материала из сверхпроводящего состояния в состояние обычной электропроводности под действием магнитного поля различают сверхпроводники I и II рода (рисунок 2.).

Сверхпроводники I рода теряют сверхпроводимость скачкообразно, как только индукция магнитного поля достигнет критического значения; линия раздела сверхпроводящего и обычного состояния тантала Taпоказана на рисунке 2 сплошной линией. Сверхпроводники II рода переходят из одного состояния в другое постепенно; линия раздела сверхпроводящего и обычного состояния ванадия V показана на рисунке 2 пунктирной линией. Для сверхпроводников II рода различают нижнюю и верхнюю границы значений критической индукции; в интервале между ними материал находится в промежуточном состоянии, в котором сосуществуют нормальная и сверхпроводящая фазы; такой интервал для станнида ниобия Nb₃Sn показан на рисунке 2 в виде заштрихованной зоны. Таким образом, магнитное поле постепенно проникает в сверхпроводник II рода, однако, материал сохраняет нулевое сопротивление вплоть до верхнего значения критической индукции. Неоднородности структуры, создаваемые примесями, искажениями решётки, границами зёрен, пластической деформацией и т. п., не приводят к уничтожению сверхпроводимости, а вызывают лишь расширение температурного интервала перехода из одного состояния в другое.

Сверхпроводимость может быть разрушена не только внешним магнитным полем, но и током, проходящим по сверхпроводнику, если его сила превышает некоторое критическое значение I_с, а также при совместном действии этих факторов. Это ограничивает пропускную способность сверхпроводников в силовой электротехнике, но даёт возможность управления протеканием тока с помощью магнитного поля в микроэлектронных устройствах.

Техническое применение нашли интерметаллические сплавы ниобия, а также сверхпроводящая керамика.

Из сплавов ниобия следует отметить Nb₃Sn (критические параметры 18 К и 22 Тл), Nb₃Al (18 К и 35 Тл), а также сплав сложного состава Nb_0,79(Al_0,75Ge_0,25)_0,21 (20,9 К и 41 Тл).

Для получения станнида ниобия тонкая ниобиевая проволока или полоска фольги пропускается через расплавленное олово, на её поверхности образуется кристаллическая плёнка интерметаллида. Эта плёнка хрупкая и такие сверхпроводники используются в виде нитей в медном (бронзовом) проводе, как в матрице.

   Высокотемпературная сверхпроводящая керамика (ВТСП).В конце 1986 г. Карл Мюллер и Йоханес Беднорц, работая в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе, обнаружили, что керамический проводник, построенный из атомов лантана, бария, меди и кислорода, имеет температуру перехода в сверхпроводящее состояние, равную 35 К, причём лёгкое перемещение электронов ограничено проводящими слоями CuO₂; в направлении, перпендикулярном этим слоям, электропроводность очень низкая. Вскоре исследовательские группы в разных странах мира изготовили керамические материалы с температурой перехода от 90 до 100 К, например VBa₂Cu₃O₇, которые способны оставаться сверхпроводниками II рода в магнитных полях до 20 Тл. Эти материалы получили название высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП), так как их можно изучать и использовать при охлаждении сравнительно недорогим жидким азотом (77,4 К). В настоящее время внимание исследователей переключилось на безмедные ВТСП, в частности на сверхпроводящие слои арсенида железа, расположенные между слоями оксидов редкоземельных металлов.

   Применение сверхпроводниковых материалов.Сверхпроводящие элементы и устройства находят всё более широкое применение для получения сверхсильных магнитных полей, регистрации инфракрасного излучения, измерения слабых магнитных потоков и сверхмалых напряжений и токов, а также в процессорах и памяти компьютеров в виде тонкоплёночных джозефсоновских контактов, имеющих очень малые времена переключения, ничтожные потери мощности и большие объёмные плотности монтажа.

Провода из высокотемпературной сверхпроводниковой керамики изготавливаются по технологии «порошок в трубе» в оболочке из серебра с добавкой 10 % золота. Перспективны опыты по поиску заменителей золота, а также по замене серебра никелем. Ппринцмп выталкивания свехпроводника из магнитного поля положен в основу создания сверхскоростного железнодорожного транспорта.

Вопрос 9 Неметаллические проводящие материалы. Проводящие модификации углерода. Контактолы. Керметы. Оксидные проводящие материалы.

   Кроме металлов и металлических сплавов в качестве токопроводящих, контактных и резистивных материалов широко используют углеродные проводники, различные электропроводящие композиции, а также электропроводящие оксиды.

   Углеродиспользуют в проводниковых целях в виде электротехнического угля, электрографита, пиролитического углерода, фуллеренов, углеродных нанотрубок, плёнок графенов, а также в составе композиционных проводниковых материалов.

   Электротехнический уголь получают путём измельчения углеродистого сырья (кокс, природный графит, сажа, антрацит) в порошок, смешения его со связующими веществами, формования и обжига; это прочный и твёрдый аморфный материал, содержащий мелкие кристаллики углерода. Электрографит получают дальнейшим обжигом электротехнического угля при температуре свыше 2700 °С. Под действием высокой температуры выжигаются все загрязнения, из первоначальных мелких кристалликов образуются большие группы в форме чешуек, существенно возрастают электро- и теплопроводность, материал становится мягче, возрастает химическая стойкость. Для увеличения электропроводности в электроуголь и электрографит добавляют медь, для уменьшения коэффициента трения – различные смазочные материалы.

  Пиролитический углерод получают путём нагрева паров углеводородов в вакууме или инертном газе, при их разложении углерод плотной плёнкой оседает на подложку. По такой технологии изготавливают постоянные и переменные угольные резисторы.

  Фуллерены представляют собой сферические и эллипсоидные структуры с толщиной стенки в один атом углерода. Наиболее изучен фуллерен C₆₀, представляющий собой полый шар, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников (см. футбольный мяч). Углеродные нанотрубки также имеют стенки толщиной в один слой атомов углерода, у них могут быть открытые и закрытые концы, они могут ветвиться, а также образовывать кольца. Углеродная плёнка (графен) толщиной в один атом также является проводником.

Область применения углеродных проводников – щётки электрических машин, скользящие токосъёмники и другие контактные детали, от которых требуется несхватываемость с застывающим расплавленным металлом, а также электроды мощных осветительных ламп, гальванических ванн и химических источников тока. Фуллерены, нанотрубки и однослойные графены применяются в качестве проводниковых материалов наноэлектроники.

   Электропроводящие композиции представляют собой смеси мелких кристалликов, скреплённых между собой неорганической или органической связкой; их электрические свойства зависят от состава. Особенностями всех композиционных материалов является зависимость электропроводности от частоты. В ряде случаев заметно выражена нелинейность – непропорциональность между током и напряжением. В качестве компонентов проводящей фазы используют металлы, графит, сажу, некоторые оксиды и карбиды.

    Керметами называют металлокерамические композиции, в которых мелкие кристаллики керамики связаны между собой металлом; примером такой композиции может служить уже рассмотренный сплав альдрей (см. подразд. 2.4). При изготовлении силовых контактов широкое применение нашла композиция Ag+CdO с содержанием оксида кадмия 12–20 % по массе. Керметы применяют для изготовления тонкоплёночных резисторов. Достоинством керметных плёнок является возможность варьирования их удельным сопротивлением в широких пределах. В толстоплёночных интегральных микросхемах используют резисторы, получаемые на основе композиции стекла с палладием и серебром. Для этой цели стекло размалывают в порошок с зёрнами 3–5 мкм, смешивают с порошком серебра и палладия, вспомогательной органической связкой и растворителем. Получаемую пасту наносят на керамическую подложку и спекают в обычной атмосфере. Удельное сопротивление плёнок зависит от процентного содержания проводящих компонентов, а также от режима спекания.

   Контактолы представляют собой маловязкие либо пастообразные полимерные композиции. Токопроводящим наполнителем контактолов являются мелкодисперсные порошки металлов (серебра, никеля, палладия, золота, рутения). В качестве связующего вещества используют различные синтетические смолы (фенолформальдегидные, кремнийорганические, эпоксидные, и др.). Необходимая вязкость контактолов перед их нанесением на поверхность обеспечивается введением растворителей (ацетон, спирт и т. п.).

Контактолы используют в качестве токопроводящих клеев, красок, покрытий и эмалей для получения электрических соединений между металлами, а также для контактов металлов с полупроводниками, создания электродов на диэлектриках, экранирования помещений и приборов от помех, для токопроводящих коммуникаций на диэлектрических подложках, в гибких волноводах и других изделиях электронной промышленности.

Из токопроводящих паст методом экструзии изготавливают толстоплёночные резисторы переменного сопротивления, а также подстроечные резисторы.

    Электропроводящие оксиды можно использовать в качестве контактных и резистивных слоёв. Наибольший практический интерес в этом плане представляет диоксид олова SnO₂, в радиоэлектронике он используется преимущественно в виде тонких плёнок. Такие плёнки получают различными способами: термическим вакуумным испарением и конденсацией с последующим отжигом на воздухе, окислением плёнок металлического олова, осажденного на диэлектрическую подложку, реактивным катодным или ионно-плазменным распылением и другими методами.

Тонкие плёнки диоксида олова SnO₂ обладают ценным оптическим свойством – высокой прозрачностью в видимой и инфракрасной частях спектра. Повышенная электрическая проводимость позволяет применять их в качестве прозрачных электропроводящих слоёв электролюминесцентных конденсаторов и жидкокристаллических индикаторов, а также в качестве электропроводящих покрытий внутренних стенок стеклянных баллонов некоторых электровакуумных приборов – кинескопов, передающих телевизионных трубок, преобразователей и усилителей изображения и др. Плёнки оксида индия In₂О₃ находят аналогичное применение, однако только в устройствах, работающих в видимой части спектра.

Вопрос 10Материалы для подвижных контактов. Материалы для скользящих контактов. Материалы для разрывных контактов.

Материалы для подвижных контактов в процессе эксплуатации подвергаются электрической эрозии, свариванию, коррозии и механическому износу. Интенсивность эрозии, сваривания и коррозии зависят в первую очередь от природы материала и величины разрываемого тока.

Электрическая эрозия – это разрушение контактных материалов (КМ), связанное с расплавлением и переносом металла в газообразном и жидком (в виде мелких капель) состояниях с одной контактирующей поверхности на другую под действием электрических разрядов. Особенно существенно эрозия проявляется в цепях постоянного тока, образуя на контактирующих поверхностях наросты и кратеры. Чем выше значения удельной теплоемкости, температуры и удельной теплоты плавления и температуры сублимации КМ, тем ниже их эрозия.

Дугообразование характеризуется минимальными значениями тока и напряжения, при которых возникает дуговой разряд. С ростом напряжения минимальный ток дугообразования падает почти по параболической кривой (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость минимального тока I дугообразования от рабочего напряжения U для различных контактных пар

Дугообразование зависит от природы КМ и окружающей среды, состояния контактирующих поверхностей и индуктивности цепи. Самый высокий минимальный ток дугообразования имеет вольфрам (см. рис. 3).

Сваривание КМ происходит под действием высоких значений температуры и силы контактного нажатия и может приводить к деформированию контактирующих поверхностей с частичным расплавлением или даже к потере способности их к размыканию. Поэтому очень важно, чтобы КМ обладали высокой стойкостью к свариванию, которая присуща вольфраму.

Коррозия – это химическое взаимодействие КМ с окружающей средой, в результате которого на их поверхности образуются оксидные, сульфидные, карбонатные и другие пленки с низкой электропроводностью. Толщина такой пленки зависит от многих факторов и обычно составляет 10^–6–10^–5 мм; ее удельное электрическое сопротивление не менее 10³ . Распределение тока по контактирующим поверхностям неравномерно, так как структура поверхностей неоднородна.

Структура поверхностей электрического контакта состоит из четырех основных видов контактных участков (пятен) (рис. 4):

1) контактные пятна с металлическим контактом (1), через которые протекает электрический ток без заметного переходного сопротивления;

2) контактные пятна, покрытые адгезионными и хемосорбированными мономолекулярными пленками – это квазиметаллические контакты (2), легко пропускающие электрический ток благодаря туннельному эффекту;

3) контактные пятна, покрытые электроизолирующими относительно толстыми пленками оксидов и сульфидов (3), не пропускающими электрический ток;

4) не контактирующие участки (4).

Рис. 4. Схема контактной поверхности:
1 – металлические пятна (участки); 2 – квазиметаллические пятна; 3 – пятна из изолирующих толстых пленок оксидов и сульфидов; 4 – неконтактирующие участки

Соприкосновение контактирующих частей происходит только на участках 1, 2, 3, образующих истинную контактную поверхность. На участках 4 соприкосновения контактной пары не происходит. Общая площадь электрического контакта слагается из суммы площадей всех пятен (1+2+3+4) и представляет собой кажущуюся контактную поверхность, образующуюся при смятии выступов шероховатости контактных поверхностей под действием контактного давления.

Электрический ток фактически проходит только через участки (пятна) 1 и 2 истинной контактной поверхности. В сильных электрических полях в результате пробоя толстых пленок оксидов и сульфидов (участки 3) и воздушных прослоек (участки 4) они также становятся проводниками электрического тока. Однако при этом образуются искровые и микродуговые разряды, которые интенсивно разрушают поверхности контактов. Состояние контактирующих поверхностей непосредственно влияет на переходное (контактное) сопротивление и температуру нагрева контактов при протекании через них электрического тока. Высокой коррозионной стойкостью обладают золото Аu, платина Pt и их сплавы с иридием Ir, родием Rh и некоторыми другими металлами; они не имеют вообще или имеют очень тонкие оксидные пленки с высокой электропроводностью. Контакты из этих металлов работают при нажатии силой в 0,15–0,25 Н, в то время как для металлов с относительно толстыми оксидными пленками (например, у вольфрама) необходимо усилие до 10 Н, чтобы разрушить оксидные пленки при ударе контактов.

Механический износ происходит в результате удара контактных поверхностей и последующего нажатия, а также их трения. Чтобы свести к минимуму механический износ, КМ должны обладать высокими значениями износостойкости, ударной вязкости и твердости. Благородные металлы лучше применять в виде гальванических покрытий, так как у них износостойкость и твердость намного выше, чем у этих же металлов в массиве.

Подвижные контакты по условиям работы разделяют на контакты скользящие и разрывные.

Скользящие контакты нужны для перехода электрического тока от неподвижной части электротехнического устройства к подвижной, например в реостатах – от обмотки к движку, в электрических машинах – от щеток к коллектору, у электрифицированного транспорта – от контактного провода к токосъемнику. Основные недостатки этих контактов – механический износ, возможность дугообразования, а также электрическая эрозия и коррозия контактирующих поверхностей.

Разрывные контакты обеспечивают периодическое замыкание и размыкание электрической цепи. Например, в различных типах реле, выключателей, контакторов, электромеханических преобразователей. Основными сложностями при работе этих контактов является возможность дугообразования, что вызывает сваривание контактирующих поверхностей, их электрическую эрозию и коррозию, а также механический износ.

Материалы для скользящих контактов должны обладать низкими значениями удельного сопротивления и падения напряжения на контактах, высокими значениями минимального тока и напряжения дугообразования, высокой стойкостью к истиранию (износостойкостью), электрической эрозии и коррозии. Скользящие контакты, в свою очередь, можно разделить на металлические и электротехнические угольные.

К металлическим скользящим контактам относятся коллекторные пластины электрических машин, которые изготавливаются из твердой меди, бронз и других материалов. В ряде случаев используют пружинные металлические контакты, применяемые в основном в переключателях, потенциометрах, реостатах. Для изготовления пружинных металлических скользящих контактов используют специальные сорта бронз: кадмиевые, бериллиевые и хромистые (БрКд1, БрБ2, БрХ0,5), – обладающие высокой упругостью, стойкостью к истиранию и низким значением удельного сопротивления. Например, сплав Сu–Cd (Cd~l%), образует твердый раствор, который в три раза более стоек к истиранию, чем медь. Для изготовления скользящих контактов применяют также латуни (например, ЛС 59-1, ЛМц 58-2). Металлические скользящие контакты имеют наиболее высокую стойкость к истиранию в паре с электротехническими угольными материалами.

Электротехнические угольные материалы обладают относительно высокой электро- и теплопроводностью, очень низким коэффициентом трения, большим напряжением дугообразования, высокой химической стойкостью, многие из них – высокой нагревостойкостью. Эти материалы широко используют для изготовления угольных электродов различного применения, щеток для электрических машин и автотрансформаторов, угольных порошков для микрофонов. Щетки выпускают следующих марок: УГ (угольно-графитные), Г (графитные), ЭГ (электрографитированные), М и МГ (медно-графитные). Удельное давление для всех щеток составляет 20–30 кПа при коэффициенте трения по меди не более 0,3. Падение напряжения при номинальном токе составляет от 0,3 В (щетки МГ) до 3 В (щетки ЭГ).

Основным сырьем для производства электроугольных изделий являются природный графит и сажи. Для получения монолитного изделия графит и сажу смешивают со связующим веществом – каменноугольной смолой (побочный продукт коксования каменного угля) или жидким стеклом, прессуют и подвергают обжигу при температуре 2200–2500°С. Этот процесс называют графитированием. В результате графитирования увеличивается размер кристаллитов, повышается электропроводность и снижается твердость.

Природный графит – мягкое кристаллическое вещество темно-серого цвета, представляющее собой одну из двух аллотропных форм углерода; имеет слоистое строение. В направлении слоев электропроводность носит металлический характер. Для поликристаллических образцов удельное сопротивление ρ≈8 , ТКρ= К^–1. Отдельные чешуйки графита легко отделяются и скользят по его поверхности, образуя сухую смазку.

Известен искусственный графит, получаемый путем термической перекристаллизации углей при температуре 2200–2500°С.

Сажи представляют собой угольный порошок высокой степени дисперсности (частицы сферической формы достигают 10–300 нм); они имеют более мелкокристаллическую структуру, чем графит (их иногда называют коллоидным углеродом). Графитовая структура в сажах еще не вполне сформирована. Сажи получают при неполном сгорании многих органических веществ. В зависимости от способа получения и исходного сырья различают ряд марок саж. Удельное сопротивление саж в насыпном виде в зависимости от температуры прокаливания и давления изменяется в широком интервале от 0,01 до 400 .

Материалы для разрывных контактов.Разрывные контакты по величине коммутируемого тока подразделяют на слаботочные (токи от долей до единиц ампера) и сильноточные (токи от единиц до тысяч ампера). Для изготовления слаботочных разрывных контактов используют благородные и тугоплавкие металлы.

Из благородных металлов используют серебро, золото, платину и различные сплавы на их основе, например сплавы систем: золото-серебро (Аu–Ag), платина-рутений (Pt–Ru), платина-родий (Pt–Rh), серебро-кадмий (Ag–Cd), серебро-палладий (Ag–Pd), серебро-магний-никель (Ag–Mg–Ni). Контакты из серебра и его сплавов применяют в коммутирующих устройствах, работающих в бездуговом режиме. Их недостаток – возможность образования сульфидных пленок. Золото и платину в чистом виде используют для изготовления прецизионных контактов. Золото в основном используют в виде сплавов с серебром Ag, платиной Pt, никелем Ni, цирконием Zr; платину – в виде сплавов с иридием Ir, никелем Ni, серебром Ag и золотом Аu. У этих сплавов высокая твердость, хорошая эрозионная и коррозионная стойкость. Достоинством контактов на основе золота и платины является стойкость к образованию сернистых пленок, недостатком – склонность к дугообразованию.

Из тугоплавких металлов применяют вольфрам и молибден. Достоинством вольфрама является его высокая стойкость к дугообразованию и практическое отсутствие свариваемости. Однако у вольфрама сравнительно толстая оксидная пленка, поэтому требуется высокое контактное давление. Недостатком молибдена является образование оксидных пленок, которые имеют рыхлую структуру и могут внезапно полностью нарушать контактную проводимость. У вольфрама, легированного молибденом, повышены твердость и удельное сопротивление и понижены Т_пл и коррозионная стойкость.

Для изготовления разрывных контактов также широко используют медь, сплавы и биметаллы на ее основе.

В производстве сильноточных разрывных контактов широко применяют композиционные материалы, представляющие собой смесь двух фаз, одна из которых обеспечивает высокую электро- и теплопроводность контактов, другая – в виде тугоплавких включений придает контактам стойкость к механическому износу, электрической эрозии и свариванию. Сильноточные разрывные контакты из композиционных материалов получают методом порошковой металлургии. В качестве контактных материалов хорошо себя зарекомендовали композиции на основе меди и серебра: серебро–оксид кадмия, серебро–оксид меди, медь–графит, серебро–никель, серебро–графит. Применяют также тройные композиции: серебро–никель–графит, серебро–вольфрам–никель. В этих композициях медная и серебряная фазы обеспечивают электро- и теплопроводность контактам, а включения из оксида кадмия и оксида меди, а также вольфрама, никеля и графита повышают износо- и термостойкость и препятствуют свариванию контактов.

В качестве электроконтактных композиций в мощных высоковольтных масляных и воздушных выключателях нашли применение Сu–W, в высоковольтных масляных выключателях Сu–Мо, в вакуумных камерах Сr–Сu–W, Fe–Сu–Bi. В порядке уменьшения стойкости к свариванию материалы располагаются в следующем порядке: графит, вольфрам, композиции: W–Мо, W–Сu (Ag), карбид вольфрама– серебро (WC–Ag), Ag–Cd, металлокерамика Ag–CdO (CuO), Ag (Сu) – графит и т.д.

Для изготовления сильноточных разрывных контактов, эксплуатируемых при повышенных напряжениях и контактных давлениях, используют также твердую медь, что существенно удешевляет электротехнические устройства.

 

Вопрос 11Классификация и основные свойства полупроводниковых материалов.

К полупроводникам относится большая группа веществ с электронной электропроводностью, удельное сопротивление которых при нормальной температуре больше, чем у проводников, но меньше, чем у диэлектриков, и находится в диапазоне от 10^-4 до 10¹⁰ Ом·см.

В энергетике полупроводники напрямую мало используются, но электронные компоненты на основе полупроводников используются достаточно широко. Это любая электроника на станциях, подстанциях, диспетчерских управлениях, службах и т.п. Выпрямители, усилители, генераторы, преобразователи. Также из полупроводников на основе карбида кремния изготавливают нелинейные ограничители перенапряжений в линиях электропередачи (ОПН).

Интерес к полупроводникам вызван возможностью управления их свойствами путем добавления небольших количеств других веществ (рис. 5).

Собственный полупроводник – полупроводник, не содержащий примесей, влияющих на его электропроводность (рис. 5.а). При добавлении веществ-доноров электронов (например, к германию добавить мышьяк), можно создать полупроводник с электронной проводимостью (рис. 5. б). Такой полупроводник называется полупроводником n-типа. При добавлении веществ-акцепторов, легко захватывающих электроны (например, к германию добавить индий), создается полупроводник с "дырочной" проводимостью (рис. 5. в). Такой полупроводник называется полупроводником р-типа. За счет комбинации полупроводников р- и n- типа созданы различные приборы: диоды, транзисторы, тиристоры, варисторы и др.

Из полупроводниковых материалов в настоящее время наиболее широко используются германий и кремний.

На электропроводность полупроводников существенное влияние оказывают также температура, свет, электрическое поле. При этом в отличие от металлов удельное сопротивление ρ полупроводников с ростом температуры снижается (рис. 6).

Световая энергия, поглощаемая полупроводником, вызывает появление в нем избыточного количества носителей заряда, и следовательно возрастание электропроводности – явление фотопроводимости. Фотопроводимость зависит от интенсивности светового потока и длины световой волны.

Зависимость электропроводимости полупроводников γ от напряженности электрического поля Е представлена на рис. 7.

При низких значениях напряженности соблюдается законо Ома и удельная проводимость γ не зависит от Е. При более высоких напряженностях наблюдается интенсивный рост удельной проводимости по экспоненциальному закону, приводящий к разрушению структуры полупроводника.

Применение проводников основано использовании работы р-n перехода – контакта между двумя полупроводниковыми материалами разного типа проводимости. Р-n переход обладает вентильными свойствами, т.е. проводит электрический ток лишь в одном направлении, что используется при изготовлении диодов, тиристоров и транзисторов.

       Среди полупроводниковых материалов выделяют элементарные полупроводники, полупроводниковые химические соединения и твердые растворы.

Электрические свойства полупроводников определяются зонной структурой и содержанием примесей. Выращивание крупных легированных монокристаллов кремния осуществляют методом вытягивания из расплава на ориентированную затравку. Вырезаемые из этих кристаллов пластины служат основой для изготовления большинства приборов и интегральных микросхем методами планарной технологии.

Полупроводниковыми свойствами могут обладать как неорганические, так и органические вещества, кристаллические и аморфные, твердые и жидкие, немагнитные и магнитные. Несмотря на существенные различия в химическом составе, материалы этого класса имеют одно замечательное свойство – способность сильно изменять свои электрические свойства под влиянием небольших внешних энергетических воздействий.

Поликристаллические полупроводниковые материалы имеют более простые технологии получения и более низкую стоимость, но ограниченную область применения. Монокристаллические позволяют получать дискретные приборы и интегральные микросхемы с минимальным разбросом параметров у всей партии, изготовленной из одного и того же слитка, а физические процессы, протекающие в них, лучше поддаются расчетам.

Основу современной электроники составляют неорганические полупроводники. Полупроводниковые свойства проявляют 12 химических элементов, находящихся в средней части Периодической системы Д.И. Менделеева. Расположив элементы в порядке их следования в Периодической системе, можно выявить некоторые закономерности в изменении ширины запрещенной зоны: она возрастает в каждом периоде при переходе от элемента к элементу слева направо, но уменьшается в каждой группе при движении сверху вниз. Рассмотрим упрощенную классификацию полупроводниковых материалов по составу и свойствам (рис. 8).

Полупроводниковыми свойствами обладают и некоторые модификации олова и углерода. Углерод существует в двух аллотропных формах - алмаз и графит. Графит близок к проводникам, а чистые алмазы являются диэлектриками. Однако искусственные алмазы за счет вводимых примесей приобретают свойства полупроводников. Олово в нормальных условиях является хорошим проводником, но при температуре ниже 13,2°С оно переходит в a-модификацию (серое олово), что затрудняет получение кристаллов, представляющих практический интерес. Ведущее место среди полупроводниковых материалов занимают кремний и германий.

      Весьма обширна группа полупроводниковых неорганических соединений, которые могут состоять из двух, трех и большего числа элементов (InSb, Bi₂Te₃, ZnSiAs₂, CuGe₂P₃). Кристаллическая структура многих соединений характеризуется тетраэдрической координацией атомов, как это имеет место в решетке алмаза. Такие полупроводниковые соединения получили название алмазопоподобных полупроводников. Среди них наибольший научный и практический интерес представляют бинарные соединения типа А^IIIВ^V и А^IIВ^VI, которые в настоящее время являются важнейшими материалами полупроводниковой оптоэлектроники. Большинство алмазоподобных полупроводников с родственными свойствами образуют между собой изовалентные твердые растворы, в которых путем изменения состава можно плавно и в широких пределах управлять важнейшими свойствами полупроводников (шириной запрещенной зоны Е_g (табл. 4.1) и подвижностью носителей заряда).

Это открывает дополнительные возможности для оптимизации параметров полупроводниковых приборов, позволяет добиться лучшего согласования физических характеристик различных компонентов электронной аппаратуры.

   Свойства аморфных, органических и магнитных полупроводников изучены пока недостаточно, но интерес к ним возрастает. Он вызван тем, что в некоторых из них полупроводниковые свойства сочетаются с эластичностью, позволяющей изготавливать рабочие элементы в виде гибких лент и волокон.

 

 

Вопрос 12Германий. Получение. Очистка и выращивание монокристаллов. Применение.

При составлении периодической таблицы элементов Д. И. Менделеев предсказал основные свойства германия, назвав его экасилицием. Вскоре немецкий химик Клеменс Винклер обнаружил в минеральном сырье новый элемент, который назвал германием. Германий относится к числу очень рассеянных элементов, т. е. часто встречается в природе, но присутствует в различных минералах в очень небольших количествах. В настоящее время основными источниками промышленного получения германия являются побочные продукты цинкового производства, коксования углей, а также германиевые концентраты, получаемые из медно-свинцовых руд. Из исходного сырья получают тетрахлорид германия, который переводят в диоксид, а затем восстанавливают в водородной печи при температуре 650–700 °С до состояния металлического порошка и сплавляют в слитки. Возможно получение порошка германия и путём непосредственного разложения тетрахлорида. С целью получения германия, пригодного для полупроводникового приборостроения, его  очищают от загрязнения методом зонной плавки, который изображён в схематическом виде на рисунке 9.

Процесс зонной плавки германия проводится в атмосфере водорода или инертных газов, или их смеси. В кварцевую трубу 1,расположенную внутрииндуктора 2, помещают подвергаемый очистке слиток 3 в графитовой лодочке 4. По индуктору протекает высокочастотный ток, который нагревает и расплавляет зону 5шириной 40–50 мм. С помощью подвижной каретки 6расплавленную зонумедленно (со скоростью 50–100 мкм/с) перемещают вдоль образца. В ходе зонной плавки все примеси захватываются жидкой фазой и вместе с ней уносятся в хвостовую часть слитка, которая обрезается по окончании процесса очистки. Длина слитка может превышать 1 м. Требуемая степень чистоты достигается после 5–8 последовательных проходов расплавленной зоны в одном направлении, качество контролируют путём измерения удельного электрического сопротивление материала. Для ускорения процесса очистки по длине слитка создают не одну, а несколько расплавленных зон. В этом случае один проход нагревателя эквивалентен сразу нескольким циклам очистки.

Наиболее совершенные монокристаллы германия вытягивают из расплава по методу Чохральского, который схематически изображён на рисунке 10. В расплав чистого германия с помощью штока вводят монокристаллическую затравку и ждут, пока она не оплавится с поверхности, затем, непрерывно вращая, шток начинают поднимать. За затравкой тянется жидкий столбик расплава, удерживаемый поверхностным натяжением, остывая он кристаллизуется, копируя решётку затравки. Скорость вытягивания может изменяться в пределах от 10^–5 до 10^–4 м/с, диаметр вытягиваемого слитка до 100 мм, его можно по желанию изменять, несколько понижая или повышая температуру расплава за счёт регулировки тока в витках индукционного или нихромового нагревателя. Процесс вытягивания монокристаллов сопровождается их одновременным легированием. Легирующие примеси в строго контролируемых количествах вводятся непосредственно в расплав через специальную трубку.

На основе германия изготавливают приборы самого различного назначения, в первую очередь диоды и транзисторы. Достоинством германиевых диодов является малое значение потери напряжения при протекании тока в прямом направлении, а недостатком – невысокие допустимые обратные напряжения. Германий используют для создания туннельных диодов и варикапов, высокочастотных, импульсных и СВЧ-диодов. В импульсных диодах для достижения высокой скорости переключения германий легируют золотом.

Благодаря относительно высокой подвижности носителей заряда германий применяют для изготовления датчиков Холла и других магниточувствительных приборов. В нормальных условиях чистый германий прозрачен для электромагнитного излучения с длиной волны более 1,8 мкм, что позволяет использовать его для изготовления фототранзисторов и фотодиодов, оптических линз с большой светосилой (для инфракрасных лучей), оптических фильтров, модуляторов света и коротких радиоволн, а также счётчиков ядерных частиц.

   Рабочий диапазон температур германиевых приборов – от минус 60 °С до плюс 70 °С.Невысокий верхний предел рабочей температуры является основным недостатком изделий из германия.

 

Вопрос 13Кремний. Получение. Очистка и выращивание монокристаллов. Применение. Эпитаксия кремния.

Кремний является одним из самых распространённых элементов, в земной коре его содержится 29,5 % (по массе). Наиболее распространённым соединением этого элемента является диоксид кремния SiO₂ в виде минерала кварца и кварцевого песка. Впервые кремний был получен ещё в 1811 г., однако как материал полупроводниковой электроники стал широко применяться после разработки эффективных методов его очистки. По сравнению с германием у кремния меньше размеры атомов и период кристаллической решётки, что обусловливает более сильную ковалентную химическую связь и, как следствие этого, большие ширину запретной зоны, удельное электрическое сопротивление и допустимую рабочую температуру.

Технический кремний, содержащий около 1 % примесей, получают при восстановлении его из оксидов с углеродом в электрических печах. Технология получения и применения кремния полупроводниковой чистоты включает в себя следующие операции: 1) превращение технического кремния в легколетучую жидкость – трихлорсилан SiHCl₃; 2) очистка трихлорсилана физическими и химическими методами; 3) термическое разложение с выделением чистого кремния; 4) кристаллизационная очистка с применением зонной плавки; 5) выращивание монокристаллов вытягиванием из расплава; 6) эпитаксия.

При зонной плавке кремния, из-за высокой температуры, графитовые лодочки применять нельзя, поэтому слиток располагают вертикально, а расплавленный кремний удерживается силами поверхностного натяжения. Методом вытягивания из расплава выращивают монокристаллы кремния диаметром до 150 мм и длиной до метра с нужным типом проводимости и широким диапазоном значений удельного сопротивления, однако, из-за высокой температуры, эти монокристаллы загрязнены кислородом из кварцевого тигля.

Эпитаксия кремния. При изготовлении кремниевых приборов и интегральных микросхем важную роль играют технологии эпитаксиального осаждения тонких слоёв. Термин «эпитаксия» означает ориентированное наращивание кристаллической плёнки одного вещества на поверхности другого кристалла, служащего подложкой. Наиболее распространённый вариант промышленной технологии получения кремниевых эпитаксиальных слоёв основан на процессе водородного восстановления тетрахлорида кремния в соответствии с реакцией, изображённой на рисунке 11.

SiCl₄(газ) + 2H₂(газ) ↔ Si(твёрдый) + 4HCl(газ).

Реакция протекает в кварцевых реакторах 1при температурах порядка 1200 °С; подложками служат монокристаллические пластины кремния 2, расположенные на графитовой подставке 3; для нагрева используют высокочастотный индуктор 4. Подложки вырезают из слитков и предварительно подвергают механической и химической полировке.

В ряде случаев при изготовлении интегральных микросхем, эпитаксиальные слои кремния осаждают на диэлектрические подложки. В качестве материала таких подложек используют различные монокристаллы: сапфир (Аl₂О₃), шпинель (MgO·Al₂O₃), берилл (Аl₂Ве₃[Si₆O₁₈]), кварц (SiO₂) и др. Ориентированное выращивание монокристаллических плёнок кремния на диэлектрических подложках открывает возможности создания интегральных микросхем с практически идеальной изоляцией элементов.

Изоляционные оксидные плёнки из SiO₂ получают методом термического окисления чистым кислородом или парами воды при температуре 1000–1300 °С. Они имеют стеклообразную структуру и по свойствам близки к расплавленному кварцу.

Кремний является основным материалом при изготовлении интегральных микросхем, а также дискретных полупроводниковых приборов. Из кремния изготавливают выпрямительные, импульсные и СВЧ-диоды, стабилитроны, тиристоры, низкочастотные и высокочастотные, мощные и маломощные биполярные транзисторы, полевые транзисторы и приборы с зарядовой связью; рабочие частоты кремниевых приборов достигают 10 ГГц.

Кремниевые выпрямительные диоды и тиристоры могут выдерживать обратные напряжения до нескольких киловольт и пропускать ток в прямом направлении до нескольких килоампер. Кремниевые стабилитроны, в зависимости от степени легирования материала, имеют напряжение стабилизации от 3 до 400 В.

Чистый кремний прозрачен для электромагнитного излучения с длиной волны более 1,1 мкм. Кремниевые фоточувствительные приборы, особенно фотодиоды, отличаются высоким быстродействием. Спектр фоточувствительности кремниевых фотодетекторов лежит в пределах 0,3–1,1 мкм и хорошо согласуется со спектром излучения лазеров. Кремниевые фотоэлементы, под названием солнечных батарей, применяют для получения электрической энергии, их коэффициент полезного действия доходит до 10–12 %. Кремний применяют для изготовления тензодатчиков, в которых используется сильная зависимость удельного электрического сопротивления кремния от механических напряжений.

При изготовлении больших интегральных микросхем используют поликристаллический кремний, который может выполнять функции резистора, проводникового соединения, а также контактного соединения с различными областями кристаллов. Осаждение плотного мелкозернистого слоя поликристаллического кремния проводят по способу термического разложения силана  SiH₄  при температуре 700–1000 °С. Для получения высокой электропроводности поликристаллический кремний легируют.

 

Вопрос 14.  Полупроводниковые соединения А^IIIB^V. Нитриды. Фосфиды. Арсениды. Антимониды. Применение.

Соединения типа A^IIIB^V образуют трёхвалентные элементы – бор, алюминий, галлий, индий с пятивалентными азотом, фосфором, мышьяком и сурьмой. Для них характерен особый тип химической связи, называемой донорно-акцепторной; при этом одна из четырёх связей, которыми каждый атом встроен в решётку, обеспечивается неподеленной парой валентных электронов атома неметалла. Эту группу материалов принято классифицировать по неметаллическому элементу; соответственно, различают нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды. Возможности применения полупроводников характеризуются шириной запретной зоны и подвижностью электронов.

    Технология получения монокристаллов и монокристаллических плёнок этих соединений во многом использует приёмы, разработанные для германия и кремния и карбида кремния – зонную плавку, возгонку с последующей кристаллизацией, вытягивание монокристалла из расплава, эпитаксиальное осаждение плёнки, однако с учётом специфики новых материалов и составляющих. В частности, для получения фосфидов и арсенидов расплавы металлов сначала под давлением насыщают парами фосфора или мышьяка, а затем вызывают направленную кристаллизацию. Монокристаллы вытягивают из расплавов под слоем флюса, причём в среде чистого аргона. Наилучшими свойствами отличаются приборы, изготовленные методами эпитаксиального осаждения плёнок.

   Особый интерес к соединениям типа A^IIIB^V вызван потребностями оптоэлектроники в быстродействующих источниках и приёмниках излучения. Для излучения в видимой области спектра ширина запретной зоны полупроводника должна превышать 1,7 эВ, этому условию удовлетворяют фосфид галлия GaP и нитрид галлия GaN. При изготовлении светодиодов их легируют цинком, а фосфид галлия – ещё и кислородом. Материалы с более узкой запретной зоной способны эффективно излучать в инфракрасной области, лучший из них – арсенид галлияGaAs, имеющий ΔW = 1,43 эВ.

   Арсенид галлия явился первым полупроводником, на котором в 1962 г. был создан инжекционный лазер, т. е. получено когерентное излучение.  Антимонид индия InSb, благодаря узкой запретной зоне, способен принимать инфракрасное излучение с длиной волны до λ ≈ 7 мкм. Арсенид галлия является одним из лучших фоточувствительных материалов для применения в солнечных батареях. Фотокатоды из арсенида галлия р-типа, активированного плёнкой Cs₂O для снижения работы выхода электронов, обладают высочайшей чувствительностью в ближней инфракрасной области спектра. Благодаря высокой подвижности носителей зарядов арсенид галлия и антимонид индия применяют для изготовления туннельных диодов. По сравнению с германиевыми, туннельные диоды из GaAs характеризуются более высокой рабочей температурой, а из InSb – лучшими частотными свойствами. На основе узкозонных антимонида InSb и арсенида InAs индия, обладающих очень высокой подвижностью электронов, изготавливают магниторезисторы и преобразователи Холла. Для создания генераторов Ганна, работающих на частотах до 10 ГГц, применяют арсенид галлия, а также фосфид InP и арсенид InAs индия. Прогресс в технологии арсенида галлия открыл широкие перспективы применения этого материала для создания полевых транзисторов и быстродействующих интегральных микросхем.

Вопрос 15. Полупроводниковые соединения А^IIB^VI. Сульфиды, селениды и теллуриды. Применение.

К соединениям типа А^IIВ^VI относят халькогениды цинка, кадмия и ртути. Среди них можно выделить сульфиды, селениды и теллуриды. В эту группу не входят окислы указанных металлов.

Важной особенностью полупроводников типа А^IIВ^VI является то, что многие из них проявляют электропроводность лишь одного типа независимо от условий получения и характера легирования кристаллов. Так, сульфиды и селениды цинка, кадмия и ртути всегда являются полупроводниками n-типа. В отличие от них теллурид цинка обладает только дырочной электропроводностью. И лишь CdTe и НgТе могут иметь электропроводность как n-, так и р- типа, в зависимости от условий изготовления и типа легирующих примесей.

Отсутствие инверсии типа электропроводности существенно ограничивает возможности практического использования полупроводников типа А^IIВ^VI.

Проводимость соединений типа А^IIВ^VI может быть изменена путем термообработки в парах собственно компонентов. Например, удельная проводимость сульфида кадмия при термообработке в парах серы может измениться на десять порядков. Теллурид кадмия (в отличие от CdS и ZnТе) может быть электронным и дырочным полупроводником. Например, термообработка при температуре 900°С в парах кадмия под давлением больше 7·10⁴ Па приводит к появлению электронной электропроводности. Если же давление паров кадмия при термообработке меньше указанного значения, то получается материал р-типа.

Таким образом, химическая чистота является хотя и необходимым, но недостаточным условием для получения кристаллов соединений типа А^IIВ^VI с заданными свойствами. Требуется обязательно управлять степенью дефектности кристаллической решетки, т.е. концентрацией вакансий.

Халькогениды цинка . Из всех халькогенидов сульфид, селенид и теллурид цинка (ZnS, ZnSe и ZnTe) имеют наибольшую ширину запрещенной зоны. Из них наиболее широкое применение получил ZnS.

Сульфид цинка ZnS обладает высоким удельным сопротивлением (r=10⁶–10¹² Ом·м) и большой шириной запрещенной зоны (E_g=3,6–3,7 эВ), какие обычно имеют диэлектрики. Нелегированный кристаллический ZnS проявляет электронную проводимость. При легировании ZnS элементами I группы периодической системы Менделеева в нем образуется дырочная проводимость. В виде кристаллического порошка (реже в виде пленок) его широко используют в качестве люминофора в производстве осциллографических и телевизионных электронно-лучевых трубок, люминесцентных, осветительных ламп. Люминофоры на основе ZnS отличаются высокой яркостью и светоотдачей в видимой области спектра. Вводя в ZnS активаторы, можно регулировать цвет свечения. Если в ZnS добавить CdS, то спектр люминесценции сместится в область более длинных волн. Монокристаллы ZnS и спеченные поликристаллические блоки обладают высокой оптической прозрачностью в области ИК-спектра, что послужило причиной для их использования в качестве входных окон и линз в оптико-электронных устройствах. Наличие пьезоэлектрического эффекта у пленок ZnS позволило применять их в некоторых акустических устройствах. Селенид цинка ZnSe проявляет фоторезистивные, фото- и электролюминесцентные свойства, имеет высокую прозрачность в ИК-области. Оптическую керамику на основе ZnSe применяют для изготовления входных окон и линз в оптико-электронных устройствах. Теллурид цинка ZnTe обладает электролюминесцентными и фоторезистивными свойствами.

Халькогениды кадмия. Наиболее изученными и широко применяемыми соединениями этой группы полупроводников являются сульфид кадмия CdS, селенид кадмия CdSe и теллурид кадмия CdTe. Отличительная особенность этих полупроводников – очень высокая чувствительность фототока к освещенности. Например, у фоторезисторов на их основе под действием светового потока сопротивление уменьшается в 10²–10³ раз.

Сульфид кадмия CdS обычно имеет электронную проводимость из-за некоторого избытка атомов Cd относительно стехиометрического состава. Его широко используют в оптоэлектронике для изготовления фоторезисторов, люминофоров, усилителей света.

Тип и величина электропроводности селенида кадмия CdSe и теллурида кадмия CdTe зависят от степени отклонения их состава от стехиометрического. Обычно они имеют электронную проводимость из-за избытка кадмия. Избыток Se (Те) приводит к появлению дырочной проводимости. Область их применения та же, что и CdS.

Халькогениды ртути. Монокристаллы сульфида ртути HgS и селенида ртути HgSe обычно обладают электронной проводимостью из-за отклонения их состава от стехиометрического. Монокристаллы теллурида ртути HgTe могут иметь как электронную, так и дырочную электропроводность. Однако преимущественно HgTe проявляет дырочную электропроводность из-за наличия вакансий ртути. Сульфид ртути имеет высокую оптическую прозрачность в ИК-области спектра. Селенид и теллурид ртути являются полупроводниками с очень узкой шириной запрещенной зоны (особенно HgTe) и высокой подвижностью электронов. Используют их в высокочувствительных приемниках излучения и датчиках Холла.

Из всех соединений типа А^IIВ^VI по масштабам применения выделяются сульфид цинка ZnS и сульфид кадмия CdS. Первый является основой для многих промышленных люминофоров, а второй широко используется для изготовления фоторезисторов, обладающих высокой чувствительностью в видимой области спектра.

Пленки из селенида и теллурида ртути применяют для изготовления высокочувствительных датчиков Холла. Высокая эффективность излучательной рекомбинации в полупроводниках типа А^IIВ^VI позволяет использовать монокристаллы этих соединений в качестве рабочего тела полупроводниковых лазеров, возбуждаемых электронным пучком

 

Вопрос 16. Полупроводниковые соединения А^IVB^IV. Карбид кремния. Получение. Применение.

 Единственным полупроводниковым материалом бинарного химического соединения типа A^IVB^IV является карбид кремния SiC. Карбид кремния кристаллизуется в двух модификациях: кубической (β-SiC) -  низкотемпературной  и гексагональной (α-SiC) - высокотемпературной.

Большие значения ширины запрещенной зоны SiC позволяют создавать на его основе полупроводниковые приборы, сохраняющие работоспособность при температурах до 600°С. Карбид кремния имеет высокую твердость (немного уступает алмазу), высокую термическую, химическую и радиационную стойкость. Заметно окисляется при температурах выше 800°С. При комнатной температуре химически взаимодействует только с расплавленными щелочами, а также с расплавленной ортофосфорной кислотой Н₃РО₄ и смесью азотной и фтористоводородной кислот (HNO₃ и HF). Чистый карбид кремния стехиометрического состава бесцветен. Технический SiC может иметь разнообразную окраску: белую, серую, желтую, зеленую и черную. Цвет SiC зависит от сырья и технологии получения кристаллов и определяется примесью атомов, как чужеродных элементов, так и собственных, являющихся превышением над стехиометрическим составом. Примеси элементов V группы (азот N, фосфор Р, мышьяк As, сурьма Sb, висмут Bi), а также литий Li и кислород О придают карбиду кремния зеленую окраску и электропроводность n-типа. Элементы III группы (бор В, алюминий А1, галлий Ga, индий In) и элементы II группы (бериллий Be, магний Mg, кальций Са) придают голубую и черную окраску и электропроводность р-типа. Избыток кремния от стехиометрического состава SiC создает электропроводность n-типа, а избыток углерода – р-типа.

Поликристаллический SiC получают в электрических печах путем восстановления двуокиси кремния SiO₂ углеродом С:

SiO₂+3С=SiC+2CO↑

Из поликристаллического SiC выращивают монокристаллы или путем дробления получают порошки.

 Поликристаллический SiC используют в производстве нелинейных резисторов (варисторов), в которых сопротивление нелинейно снижается с ростом приложенного электрического напряжения. Для этих целей изготавливают многофазные материалы на основе порошкообразного SiC, скрепленного связующим веществом. Кроме того, на основе порошкообразного SiC производят высокотемпературные нагреватели, игнитронные поджигатели и волноводные поглотители, а на основе пленок аморфного SiC – светодиоды и солнечные элементы. (Для включения и выключения сварочного трансформатора в сеть служат специальные устройства - контакторы с так называемыми управляемыми вентилями - игнитронами и тиристорами. Игнитрон - газоразрядный (ионный) прибор, способный пропускать большие токи при подаче соответствующей электрической команды на управляющий электрод — поджигатель).

Монокристаллический SiC используют для изготовления светодиодов. Светодиоды на основе SiC по сравнению со светодиодами на основе химических соединений типа A^IIIB^V обладают очень высокой надежностью и стабильностью работы. Они могут выдерживать 100-кратные токовые перегрузки, циклические перегревы до 400°С, обладают исключительно высокой радиационной стойкостью. Монокристаллический карбид кремния можно использовать для изготовления высокотемпературных силовых полупроводниковых приборов, полевых транзисторов, туннельных диодов, счетчиков частиц высокой энергии, терморезисторов, фоторезисторов и других изделий.

Вопрос 17      Классификация и основные характеристики диэлектриков.

Диэлектрики – это вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле.

Диэлектрическими материалами называют класс электротехнических материалов, предназначенных для использования их диэлектрических свойств – большого сопротивления прохождению электрического тока и способность поляризоваться.

По назначению диэлектрические материалы можно разделить на электроизоляционные материалы (пассивные) и активные диэлектрики (управляемые электрическим полем, механическими напряжениями, светом, температурой и т.п.).

Электроизоляционные материалы – окружают и отделяют друг от друга токоведущие части электрических устройств, элементы схемы или конструкции, находящиеся под различными электрическими потенциалами. Изоляция обкладок конденсаторов позволяет получать требуемые значения электрической ёмкости.Для изоляции применяют газы, жидкости и твёрдые вещества. По химическому составу электроизоляционные материалы подразделяют на органические, элементоорганические и неорганические. Твёрдые материалы классифицируют на основе особенностей их строения. Это - полимеры и эластомеры (каучуки), волокна (пропитанные), лаки и компаунды, стёкла, кристаллы и плёнки, а также композиции диэлектриков волокнистого и кристаллического строения с аморфным связующим.

Под действием электрического поля диэлектрик поляризуется, кроме того, через него протекает небольшой ток сквозной проводимости. От этого тока, но в основном от потерь энергии при замедленных видах поляризации, диэлектрик нагревается, что может привести к пробою. Пробой возможен также в результате ударной ионизации и электрохимического старения.

 К основным электрическим характеристикам диэлектриков относятся диэлектрическая проницаемость, электропроводность, диэлектрические потери и электрическая прочность.

Диэлектрическая проницаемость – характеризуетспособность различных материалов поляризоваться в электрическом поле. Она может быть найдена по измеренной емкости кон­денсатора с диэлектриком:

где С – емкость конденсатора с диэлектриком; С₀ - емкость того же конденсатора в вакууме.

Диэлектрики подразделяются на полярные - ε_r>2 – в них проявляется несколько видов поляризации и неполярные - ε_r≤2 – проявляется только электронная поляризация. Неполярные используются для создания электроизоляционных материалов, полярные – как диэлектрики в конденсаторах.

К неполярным диэлектрикам относятся газы, жидкости и твердые вещества, обладающие только электронной поляризацией (водород, бензол, парафин, сера, полиэтилен). К полярным (дипольным) относятся жидкие и твердые вещества, имеющие одновременно несколько видов поляризаций ввиду наличия полярных молекул - диполей (кремнийорганические соединения, смолы, компаунды и др.).

Электропроводность диэлектриков объясняется наличием в них свободных ионов и электронов, которые могут передвигаться под воздействием электрического поля.

Проводимость изоляции G_из (См), определяется как отношение тока утечки через изоляцию I_из к величине приложенного постоянного напряжения: G_из= I_из/U

Величина, обратная G_из, называется сопротивлением изоляции R_из

                                            

Различают объёмную (сквозную) проводимость твердых диэлектриков, численно определяющую проводимость через толщу изоляции, и поверхностную проводимость, характеризующую наличие слоя повышенной электропроводности на поверхности раздела твёрдой изоляции с окружающей газообразной или жидкой средой.

Соответственно вводятся понятия объёмного тока утечки I_v и поверхностного тока утечки I_s, а также объёмного сопротивления изоляции R_v и поверхностного сопротивления изоляции R_s

 Для сравнительной оценки различных материалов в отношении их электропроводности пользуются значениями удельных объёмного ρ_v и поверхностного ρ_s сопротивлений.

                                                      ,

         где S - площадь электрода, м², h - толщина образца, м

                                                  ,

где b - длина электродов на поверхности диэлектрика, м

  a - расстояние между электродами на поверхности диэлектрика, м.

Удельное сопротивление твердых диэлектриков зависит от многих факторов: температуры, влажности, приложенного напряжения и напряженности электрического поля.

Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, поглощаемую в диэлектрике, находящегося в электри­ческом поле.

Потери мощности вызываются электропроводностью и медленными процессами поляризации.

Способность диэлектрика рассеивать энергию характеризует угол диэлектрических потерь, а также тангенс этого угла.

Углом диэлектрических потерь δ называют угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкостной цепи.

В случае идеального диэлектрика вектор тока опе­режает вектор напряжения на угол 90°, при этом угол δ равен нулю. Чем больше рассеивается в диэлектрике мощность, тем меньше угол сдвига фаз φ и тем больше угол диэлектрических потерь δ и его функ­ция tg δ.

Мощность, рассеиваемая в диэлектрике определяется

                                           

Реаль­ный диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводи­мость и чем слабее у него выраже­ны замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением теплоты.

  Механические характеристики -  характеризуют способность диэлектрика выдерживать внешние нагрузки без изменения первоначальных размеров и формы.

К ним отно­сятся:

- прочность при растяжении, сжатии и изгибе;

- ударная вязкость при динамическом изгибе - как правило, эта характеристика важна для хрупких материалов (фарфор, асбестоцемент и др.).

- прочность на разрыв – для гибких материалов – бумага, лакоткань, пленки;

- упругость, пластичность и твердость

 Тепловые характеристики- характеризуют поведение диэлектрика при нагревании и определяют его допустимую рабочую температуру. К ним относятся: нагревостойкость, теплопроводность, тепловое расширение и холодостойкость, теплоемкость, температура плав­ления и размягчения, теплостойкость, температуру вспышки паров жидкости и тропикостойкость.

К физико-химическим характеристикам диэлектриков относят: химостойкость, влагостойкость и водостойкость изоляции, стойкость материалов к воз­действию излучений высоких энергий, кислотное число и вязкость жидких материалов.

Вопрос 18 Электропроводность диэлектриков

 

В диэлектрике различают токи сквозной проводимости и токи смещения связанных зарядов (при замедленных видах поляризации их называют токами абсорбции, от лат. absorbeo – поглощаю). Сумма токов сквозной проводимости и абсорбции называется током утечки.

Электропроводность диэлектрика характеризуется только током сквозной проводимости. Для исключения токов абсорбции её измеряют при постоянном напряжении через 1 минуту после его подачи (за это время токи абсорбции спадают практически до нуля)).

Электропроводность диэлектриков возрастает при нагреве и повышении влажности. У твёрдых материалов различают объёмную и поверхностную электропроводность. Для численной оценки качества изоляционных материалов можно использовать значения его удельной объёмной электрической проводимости – объёмной γ_V, См/м (сименс, делённый на метр), и поверхностной γ_s, См. На практике чаще используют обратные величины – удельные объёмное ρ_V и поверхностное ρ_s электрические сопротивления.

Удельное объёмное электрическое сопротивление ρ_V, Ом·м (ом, умноженный на метр), численно равно сопротивлению куба с ребром в 1 м, мысленно выделенного из исследуемого материала, если ток проходит от одной грани этого куба к противоположной.

Удельное поверхностное электрическое сопротивление ρ_s, Ом, численно равно сопротивлению квадрата любых размеров, мысленно выделенного на поверхности материала, если ток проходит от одной стороны этого квадрата к противоположной.

При длительной работе под напряжением сквозной ток через твёрдые или жидкие диэлектрики с течением времени может изменяться – уменьшаться или увеличиваться. Уменьшение сквозного тока со временем говорит о том, что электропроводность материала обусловлена ионами посторонних примесей, она уменьшается за счёт электрической очистки образца. Увеличение тока со временем свидетельствует об участии в нём зарядов, которые являются структурными элементами самого материала и о протекающем в диэлектрике необратимом процессе старения, способном постепенно привести к разрушению – пробою диэлектрика.

Электропроводность газов при небольших значениях напряжённости электрического поля пренебрежимо мала. Поэтому воздух можно рассматривать как совершенный диэлектрик, до тех пор, пока не создадутся условия для ударной ионизации.

Электропроводность жидких диэлектриков тесно связана со строением молекул жидкости. В неполярных жидкостях электропроводность определяется наличием диссоциированных  примесей, в том числе влаги (от лат. dissociatio — разъединение). Очистка неполярных жидких диэлектриков от примесей заметно повышает их сопротивление. В полярных жидкостях электропроводность зависит не только от примесей; иногда она вызывается диссоциацией молекул самой жидкости. С увеличением температуры возрастает степень диссоциации и подвижность ионов, а следовательно, и электропроводность. Полярные жидкости по сравнению с неполярными всегда имеют повышенную проводимость, чем больше диэлектрическая проницаемость, тем выше проводимость. Сильнополярные жидкости отличаются настолько высокой проводимостью, что рассматриваются уже не как диэлектрики, а как проводники с ионной электропроводностью.

Электропроводность твёрдых тел обусловлена как передвижением ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей, а в сильных полях – также движением электронов. Собственная электропроводность твёрдых тел, её зависимость от температуры определяются структурой вещества и его составом. Кристаллы с одновалентными ионами обладают большей удельной проводимостью, чем кристаллы с многовалентными ионами. В анизотропных кристаллах удельная проводимость неодинакова по разным его осям. Например, в кварце удельная проводимость в направлении, параллельном главной оси, примерно, в 1000 раз больше, чем в направлении, перпендикулярном этой оси. В кристаллических телах с молекулярной решёткой (сера, алмаз) проводимость мала и определяется примесями. Проводимость твёрдых пористых диэлектриков значительно увеличивается при наличии в них влаги. Высушивание материалов повышает их электрическое сопротивление, но под воздействием влажной среды сопротивление вновь уменьшается. Для уменьшения гигроскопичности (поглощения влаги) и влагопроницаемости пористые изоляционные материалы подвергают пропитке.

Поверхностная электропроводность твёрдых диэлектриков обусловлена наличием влаги, загрязнением и различными дефектами поверхности диэлектрика. Вода обладает значительной проводимостью. Достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности диэлектрика, чтобы обнаружить заметную электропроводность, которая определяется в основном толщиной этого слоя. Однако поскольку сопротивление адсорбированной плёнки влаги связано с природой материала, на поверхности которого она находится, удельную поверхностную проводимость обычно рассматривают как характеристику самого диэлектрика.

Наличие загрязнения относительно мало сказывается на поверхностной проводимости гидрофобных диэлектриков (от гидро... и греч. phobos – страх, боязнь). Это неполярные диэлектрики, чистая поверхность которых не способна смачиваться водой. Однако загрязнения сильно влияют на проводимость гидрофильных диэлектриков. (от гидро... и греч. phileo – люблю). К ним относят ионные и полярные диэлектрики со смачиваемой поверхностью, особенно если они частично растворимы в воде. Под действием воды на поверхности таких диэлектриков образуется плёнка электролита. Высокой поверхностной проводимостью обладают также объёмно-пористые материалы, в них процесс поглощения влаги в глубь материала стимулирует образование плёнки на его поверхности.

С целью уменьшения поверхностной электропроводности материала применяют различные приёмы очистки его поверхности – промывку спиртом и водой, кипячение в дистиллированной воде. Для сохранения поверхностного сопротивления изделий из керамики и стёкол в условиях высокой влажности, их покрывают плёнками гидрофобных (водоотталкивающих) кремнийорганических лаков.

При постоянном напряжении качество изоляционного материала характеризуется значениями удельных объёмного ρ_V и поверхностного ρ_s сопротивлений. Потери энергии, вызванные протеканием малых постоянных токов сквозной проводимости, невелики.

 

Вопрос 19 Поляризация диэлектриков и диэлектрические потери

       

       Поляризацией вещества называют смещение связанных зарядов.

Поляризация возникает под действием внешнего электрического поля, однако у сегнетоэлектриков наблюдается самопроизвольная (спонтанная) поляризация, а пьезоэлектрики могут поляризоваться под действием механических напряжений.

Различают несколько механизмов поляризации, для их моделей применяют резисторы и конденсаторы как показано на рисунке 12, а.

Элементы, соответствующие необязательным механизмам поляризации и потерь, показаны пунктиром.

Ёмкость С₀ соответствует конденсатору, между обкладками которого вакуум. Резистор r_пр соответствует потерям энергии от токов сквозной проводимости (эти потери не зависят от частоты приложенного напряжения, а с ростом температуры возрастают по

экспоненциальному закону).

Электроннаяполяризация (С_э) представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Происходит мгновенно (за время около 10^–15с) и без потери энергии. Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков. Значение диэлектрической проницаемости вещества с чисто электронной поляризацией, численно равно квадрату показателя преломления света.

Ионнаяполяризация (С_и) характерна для твёрдых тел с ионным строением и обусловлена упругим смещением связанных ионов на расстояния, меньшие периода решётки. Происходит быстро (за время около 10^–13 с) и без потери энергии.

Дипольно-релаксационная поляризация (С_др, r_др) свойственна полярным жидкостям и представляет собой замедленный поворот дипольных молекул в направлении электрического поля, что требует преодоления некоторого противодействия. Поэтому дипольно-релаксационная поляризация связана с потерями энергии и нагревом диэлектрика, это отражено на рисунке 12, а в виде последовательно включенного с конденсатором C_др активного сопротивления r_др. После снятия электрического поля ориентация частиц постепенно ослабевает вследствие теплового движения. Время релаксации – это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных диполей уменьшается в е ≈ 2,7 раза. При нагреве молекулярные силы ослабляются, что должно облегчить дипольно-релаксационную поляризацию. Однако в то же время возрастает энергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля. Поэтому зависимость диэлектрической проницаемости ε от температуры характеризуется наличием максимума.

В вязких жидкостях сопротивление поворотам молекул настолько велико, что при быстропеременных полях диполи не успевают ориентироваться в направлении поля, и способность к поляризации уменьшается с увеличением частоты приложенного напряжения.

Дипольно-релаксационная поляризация свойственна полярным жидкостям; однако этот вид поляризации может наблюдаться также и в твёрдых полярных органических веществах. Но в этом случае поляризация обычно обусловлена уже поворотом не самой молекулы, а имеющихся в ней полярных радикалов по отношению к молекуле. Такую поляризацию называют также дипольно-радикальной. Примером вещества с этим видом поляризации является целлюлоза, полярность которой объясняется наличием гидроксильных групп –ОН и кислорода.

Ионно-релаксационная поляризация (С_ир, r_ир) наблюдается в ионных диэлектриках с неплотной упаковкой ионов, например в неорганических стёклах, и связана с необратимой потерей энергии. В этом случае на фоне хаотических тепловых движений слабо связанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля получают избыточные перебросы в направлении поля и смещаются на расстояния, превышающие постоянную решётки. После снятия поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия.

Электронно-релаксационная поляризация (С_эр, r_эр) возникает за счёт возбуждения тепловой энергией избыточных «дефектных» электронов или дырок. Она характерна для диэлектриков, приближающихся по свойствам к полупроводникам. Для этого механизма следует отметить относительно высокую способность к поляризации, а также наличие максимума при определённой температуре.

Резонансная поляризация (С_рез, r_рез) наблюдается в диэлектриках при световых частотах. Она зависит от физико-химических особенностей вещества, может относиться к собственной частоте электронов или ионов (при очень высоких частотах) или к характеристической частоте дефектных электронов (при более низких частотах).Резонансные потери наблюдаются в газах и твёрдых телах, если частота электрического поля совпадает с частотой собственных колебаний частиц. Они выражаются в интенсивном поглощении энергии электромагнитного поля и используются для накачки лазеров.

Миграционная поляризация (С_м, r_м) является дополнительным механизмом поляризации, проявляющимся в твёрдых телах неоднородной структуры при наличии в них проводящих и полупроводящих вкраплений. Эта поляризация проявляется при наиболее низких частотах и связана со значительными потерями электрической энергии. Причинами возникновения такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических диэлектриках, наличие слоёв с различной проводимостью и т. д. При внесении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы проводящих и полупроводящих включений перемещаются в пределах каждого включения, которое становится подобным огромной поляризованной молекуле. В граничных слоях слоистых материалов и в приэлектродных слоях может быть накопление зарядов медленно движущихся ионов, что создает эффект миграционной поляризации.

Самопроизвольная (спонтанная) поляризация (С_сп, r_сп) существует у группы твёрдых диэлектриков, обладающих такими же особенностями поляризации, как и сегнетова соль (NaКС₄Н₄О₆·4Н₂О), а потому получивших название сегнетоэлектриков.

   У сегнетоэлектриков наблюдается доменная структура, а зависимость заряда от напряжения (кулонвольтная характеристика) имеет форму петли гистерезиса.

Резистор r_и соответствует потерям на ионизацию, происходящую при коронных разрядах и также в газовых включениях внутри жидких и твёрдых диэлектриков.

 

Вопрос 20 Диэлектрическая проницаемость материала и угол потерь.

     Эквивалентная схемазамещения диэлектрика, в котором существуют различные механизмы поляризации, представлена на рисунке 12, б в виде соединённых параллельно конденсатора С и резистора r.

Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле складывается из различных механизмов и характеризуется значением относительной диэлектрической проницаемости

                                                             ε = С / С₀,

где С  – ёмкость конденсатора, заполненного диэлектриком;

С₀ – ёмкость конденсатора того же размера в вакууме.

      Диэлектрическая проницаемость материала ε формируется за счёт различных механизмов поляризации и зависит от температуры и частоты, её изменение при нагреве характеризуется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости ТКε, измеряемым в К^–1 (в долях на градус Кельвина). Для газов, неполярных жидкостей и твёрдых диэлектриков характерен отрицательный ТКε, что объясняется их расширением при нагреве. Для полярных жидких и твёрдых изоляционных материалов характерен положительный ТКε, т. к. подвижность диполей при нагреве увеличивается, однако возможны и участки с отрицательным ТКε. Численные значения ТКε для большинства изоляционных материалов находятся в пределах от миллионных до тысячных долей на кельвин.

     Диэлектрическими потерями называют энергию электрического поля, затрачиваемую на нагрев диэлектрика. При переменном напряжении потери энергии в диэлектрике намного больше, чем при постоянном, здесь основной причиной нагрева является периодическое изменение поляризации диэлектрика.

    Протекание синусоидального тока через конденсатор сопровождается его периодической перезарядкой. В идеальном конденсаторе C напряжение отстаёт от тока на четверть периода, т. е. на 90° (электрических). На векторной диаграмме рисунка 12, в вектор емкостного тока, равного UωC, повёрнут относительно напряжения U на 90° против часовой стрелки, т. е. в сторону опережения. В реальном диэлектрике угол φ сдвига фаз между током и напряжением немного меньше, т. к. присутствует ток утечки через сопротивление r изоляции, равный U/R и совпадающий по фазе с напряжением U.       Углом потерь энергии в материале диэлектриканазывают угол δ, дополняющий угол сдвига фаз φ между напряжением и током до 90°. Для оценки качества изоляционного материала используют тангенс угла диэлектрических потерь tgδ.Значение тангенсаугла диэлектрических потерьtgδ показывает, какая часть от энергии, запасаемой в изоляционном материале в процессе поляризации, теряется, т. е. расходуется на его нагрев. Чем меньше угол δ и его тангенс, тем меньше энергии теряется за 1 цикл переполяризации, следовательно, такой материал можно применять при более высокой частоте.

Потери энергии конденсатора вызывают его нагрев и могут привести к тепловому разрушению. Потери в изоляции проводов линий связи уменьшают дальность передачи сигналов. Оценка диэлектрических потерь имеет важное значение не только для высокочастотных устройств, но и для материалов, используемых в установках высокого напряжения. Особенно она важна в высоковольтных высокочастотных устройствах, поскольку мощность диэлектрических потерь пропорциональна квадрату действующего значения приложенного к диэлектрику напряжения. Мощность потерь в изоляции P, Вт,

                                                            P = ωCU² tgδ,

где ω – угловая частота, с^–1;

C – эквивалентная ёмкость изоляции, Ф;

U – действующее значение напряжения, В;

  δ – угол диэлектрических потерь, tgδ = 1/(rωC);

  r – эквивалентное сопротивление изоляции, Ом.

Следует помнить, что параметры С и r схемы замещения определяются при определённых значениях частоты тока и температуры изоляции, и при других режимах будут иными.

Мощность потерь, отнесенную к единице объёма диэлектрика, называют удельными потерями и измеряют в ваттах на кубометр.

Характер проявления диэлектрических потерь различен в зависимости от агрегатного состояния электроизоляционных материалов: газообразного, жидкого, твёрдого.

   В газах наблюдаются ионизационные потери при высоких напряжениях и, чаще всего, в неоднородном поле, когда напряжённость в отдельных местах превосходит некоторое критическое значение в газе. Ионизация воздуха в порах твёрдой органической изоляции сопровождается образованием озона и окислов азота, что вызывает её химическое разрушение.

   В чистых неполярных жидкостях диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью и пренебрежимо малы. У хорошо очищенного нефтяного трансформаторного масла tgδ = 0,001 при ε = 2,3.

   В полярных жидкостях потери в основном поляризационные. Дипольно-релаксацион-ные потери, наблюдаемые при переменном напряжении, значительно превосходят потери от электропроводности, ввиду чего полярные жидкости используют только на промышленной частоте.

   В твёрдых веществах, в зависимости от их состава и строения, возможны все виды диэлектрических потерь.

Диэлектрические потери в особо чистых неполярных веществах с молекулярной структурой ничтожно малы. Полиэтилен, фторопласт, полистирол и другие полимеры широко применяют в качестве высокочастотной изоляции, в том числе и высоковольтной.

   Полярные полимеры – поливинилхлорид, эпоксидные компаунды, кремнийорга­нические и фенолформальдегидные смолы, целлюлоза и другие из-за дипольно-релаксационной поляризации отличаются повышенными потерями и применяются в основном на промышленной частоте 50 Гц.

Диэлектрические потери в веществах с ионной структурой зависят от особенностей упаковки ионов в кристаллической решётке.

В веществах с плотной упаковкой ионов в отсутствие примесей, искажающих решётку, диэлектрические потери весьма малы. При повышенных температурах в этих веществах обнаруживаются потери на электропроводность. К веществам данного типа относятся слюда и другие кристаллические неорганические соединения, имеющие большое значение в производстве электротехнической керамики, например, корунд, входящий в состав ультрафарфора.

К диэлектрикам, имеющим кристаллическую структуру с неплотной упаковкой ионов, относится ряд кристаллических веществ, характеризующихся релаксационной поляризацией, вызывающей повышенные диэлектрические потери. Многие из них входят в состав изоляторного фарфора и огнеупорной керамики.

Сегнетоэлектрики переполяризуются по петле гистерезиса, поэтому для них характерны весьма большие значения тангенса угла диэлектрических потерь, достигающие 0,1.

Вопрос 21Пробой изоляции и электрическая прочность диэлектрика

 

    Находясь в электрическом поле, диэлектрик может потерять свойства изоляционного материала, если напряжённость поля превысит некоторое критическое значение. Явление образования проводящего канала под действием электрического поля называют пробоем. Если произошел пробой газовой изоляции, то благодаря высокой подвижности молекул пробитый участок после снятия напряжения восстанавливается. Жидкий диэлектрик также может восстановить свои изоляционные свойства, но частично, так как загрязняется из-за распада части молекул. Пробой твёрдых диэлектриков приводит к необратимому разрушению изоляции.

Значение напряжения, приводящего к пробою изоляции, называют пробивным напряжением U_пр. Значение пробивного напряжения зависит от толщины диэлектрика h и формы изоляционной детали, а также конфигурации электродов и параметров приложенного напряжения – полярности, частоты, амплитуды. Поэтому оно характеризует не столько свойства материала, сколько способность конкретного изоляционного изделия противостоять воздействию конкретного электрического поля. Характеристикой самих материалов, удобной для их сравнения, является электрическая прочность. Электрической прочностью называют напряжённость Е_пр, соответствующую пробивному напряжению U_пр в однородном электрическом поле. Однородным называют поле, в каждой точке которого напряжённость имеет одно и то же значение и направление. Однородное поле может быть получено между плоскими электродами с закруглёнными краями, а также между сферами, если расстояние между ними не превышает их диаметра. Электрическая прочность Е_пр измеряется в вольтах, делённых на метр,

                                                             Е_пр = U_пр/h,

где U_пр – пробивное напряжение;

h – расстояние между электродами.

На практике используют единицу измерения кВ/мм = МВ/м.

По механизму нарушения изоляции различают электрический, электротепловой и электрохимический пробой.

    Электрический пробойпроисходит в результате развития процессов ударной и фотонной ионизации материала диэлектрика. Этот процесс характерен для газов, однако его можно наблюдать в особо чистых неполярных жидкостях и твёрдых веществах.

   Причиной теплового пробоя является разогрев материала из-за диэлектрических потерь. Он характерен для полярных жидкостей и твёрдых материалов с неплотной упаковкой атомов, содержащих подвижные ионы или группы ионов.

   Однако, чаще всего, причиной выхода изоляции из строя является электрохимический пробой, происходящий в результате её старения – постепенного необратимого ухудшения свойств из-за различных химических реакций, особенно вызванных воздействием высокого напряжения.

---

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 1016; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!