Главная страница
Навигация по странице:

  • 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАТЕРИАЛОВ С ОСОБЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

  • Магнитомягкие

  • Магнитотвердые

  • 2. ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

  • Методичка. Электротехнические материалы. Учебное пособие Утверждено в качестве учебного пособия редсоветом мади (гту) москва 2008


    Скачать 2.57 Mb.
    НазваниеУчебное пособие Утверждено в качестве учебного пособия редсоветом мади (гту) москва 2008
    АнкорМетодичка. Электротехнические материалы.pdf
    Дата12.04.2017
    Размер2.57 Mb.
    Формат файлаpdf
    Имя файлаМетодичка. Электротехнические материалы.pdf
    ТипУчебное пособие
    #4721
    КатегорияЭлектротехника. Связь. Автоматика
    страница1 из 16
      1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   16
    МОСКОВСКИЙ
    АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
    Л.Г.ПЕТРОВА, М.А.ПОТАПОВ,
    О.В.ЧУДИНА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Учебное пособие Утверждено в качестве учебного пособия редсоветом МАДИ (ГТУ) МОСКВА 2008

    УДК 621.3 - 03
    ББК 31.2 - 3*3,1 Петрова Л.Г., Потапов А, Чудина О.В. Электротехнические материалы Учебное пособие / МАДИ (ГТУ). – Мс. Рецензенты завкафедрой автоматизации производственных процессов МАДИ(ГТУ), др техн. наук, проф.
    В.А.Воробьев; профессор кафедры металловедения и термообработки
    МАДИ(ГТУ), др хим. наук
    Д.П.Шашков Учебное пособие содержит основные сведения об электротехнических материалах, применяемых в современном машиностроении, электротехнике и радиоэлектронике. Дана общая характеристика основных групп электротехнических материалов проводников, диэлектриков, полупроводников, магнитных материалов, материалов с особыми свойствами теплового расширения и особыми упругими свойствами. По каждой группе материалов рассмотрена физическая сущность явлений, происходящих в материалах при их взаимодействии с электромагнитным полем, даны основные электрофизические характеристики материалов и определено влияние на них различных факторов, технологии получения материалов и их применение в электротехнических и радиоэлектронных устройствах, элементах автоматики и приборах. Настоящее учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров по специальностям Электрооборудование автомобилей и тракторов и Автоматизация технологических процессов и производств.
    © Московский автомобильно-дорожный институт государственный технический университет, 2008
    ВЕДЕНИЕ Современный научно-технический прогресс неразрывно связан с разработкой и использованием новых материалов. Совершенствование применяемых материалов является необходимым условием успешного развития любой отрасли техники. В полной мере это относится к таким техническим отраслям, как электротехника и радиоэлектроника, для которых именно качество материалов становится ключом к разработке сложных инженерных решений и созданию новейшей электронной аппаратуры. Применяемые в этих областях металлические и неметаллические материалы обладают особыми физическими свойствами электрическими, магнитными, свойствами теплового расширения и т.д. Знание свойств материалов и объективных закономерностей зависимости этих свойств от физической природы, структуры, состава, технологических и эксплуатационных факторов позволяет специалисту не только грамотно выбирать материал при проектировании электротехнических устройств, но и грамотно эксплуатировать их. История целенаправленного применения специализированных материалов для электротехники началась в 1802 г. при создании академиком В.В.Петровым в качестве источника электрической энергии большой гальванической батареи. В 1832 г. русский ученый
    П.Л.Шиллинг в опытах по созданию электромагнитного телеграфа использовал в качестве изоляции пленку, пропитанную воском, каучуки шелковую пряжу. В 1872 г. изобретатель А.Н.Лодыгин создал первую угольную лампу накаливания, а инженер П.Н.Яблочков в
    1876 г. изобрел электрическую свечу. В этих изобретениях были использованы проводники, электрическая изоляция и магнитные материалы, которые были объединены в большую группу электротехнических материалов. Наука об электротехнических материалах приобретала все большее значение по мере развития радиотехники, в частности, с изобретением радио великим русским ученым А.С.Поповым. Электротехническое материаловедение базируется на основах классического материаловедения, для которого исключительным вкладом явилось открытие Д.И.Менделеевым (1834-1907) периодической системы элементов, ставшей теоретическим фундаментом для развития физики и химии материалов. Значительное место среди электротехнических материалов занимают металлы и сплавы. Большой вклад в развитие отечественного металловедения внесли русские и советские ученые Д.К.Чернов,
    В.С.Курнаков, С.С.Штейнберг, Н.А.Минкевич, Г.В.Курдюмов, А.М.Бочв- ар, А.А.Бочвар, В.Д.Садовский, И.И.Сидорин, Ю.М.Лахтин. С разработкой пластмасс, синтетических смоли других полимерных материалов группа электротехнических материалов значительно расширилась. Создание этих материалов связано с развитием химии высокомолекулярных соединений, основы которой были заложены выдающимся русским ученым А.М.Бутлеровым. В разработку таких неорганических материалов, как стекла и керамика, внесли вклад советские ученые
    В.А.Каргин,
    К.А.Андрианов,
    Н.П.Богородицкий. Благодаря фундаментальным исследованиям в области ферромагнетизма Н.С.Акулова, С.В.Вонсовского, существенно увеличился спектр магнитных материалов различного назначения. Работы академика А.Ф.Иоффе позволили разработать новый класс полупроводниковых материалов. Существенный скачок в разработке материалов был связан с увеличивающимися потребностями радиоэлектроники в послевоенные е годы прошлого века. Собираемая из множества деталей электронная аппаратура была громоздкой и тяжелой. Плотность монтажа среднего телевизора составляла 0,05 деталей на 1 см, а надежность электронной аппаратуры была невысока. Техническая задача сокращения размеров и массы аппаратуры, увеличения ее надежности и долговечности логически привела к интенсивному развитию микроэлектроники, которая основана на минимизации энергетических процессов в электронных схемах, что потребовало разработки новой элементной базы и технологий. В настоящее время с использованием планарной технологии формирования интегральных схем на подложке в 1 см удается разместить до 600 тысяч функциональных элементов. Достижения последних лет в области разработки новых электротехнических материалов весьма значительны. Для их изготовления применяют разнообразные методы химического синтеза, искусственного выращивания монокристаллов, нанесения тонких пленок
    (высокопроводящих, резистивных и магнитных) на подложку, способы глубокой очистки от примесей, ионно-плазменную обработку, воздействие на материалы электромагнитным полем, ионизирующими излучениями и т.д. На основе современных электротехнических материалов изготовляются принципиально новые электротехнические и радиоэлектронные устройства многочисленные полупроводниковые приборы, твердые схемы, нелинейные конденсаторы и резисторы с параметрами, регулируемыми бесконтактными способами, выпрямители, усилители, стабилизаторы тока и напряжения, преобразователи энергии, устройства для хранения и считывания информации квантовые генераторы, усилители-лазеры, жидкие кристаллы, ферритные устройства для управления электромагнитной энергией СВЧ, датчики ЭДС Холла, термоэлектрические генераторы с высоким КПД, аппаратура голографии и многие другие аппараты и приборы новой техники. В учебном пособии рассмотрены основные группы электротехнических материалов проводники, диэлектрики, полупроводники и магнитные материалы, а также материалы с особыми свойствами теплового расширения и особыми упругими свойствами. По каждой группе материалов рассмотрены физическая сущность явлений, происходящих в материалах при взаимодействии с электромагнитным полем, основные электрофизические характеристики материалов и влияние на них различных факторов, особенности технологии получения материалов и их применение в электротехнических и радиоэлектронных устройствах, элементах автоматики и приборах.

    6
    1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАТЕРИАЛОВ С ОСОБЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
    1.1. Классификация материалов по применению Материалы, применяемые в электронной технике, принято классифицировать на электротехнические, конструкционные и материалы специального назначения. Электротехническими называют материалы, обладающие особыми свойствами по отношению к электромагнитному полю. К ним относятся проводники, диэлектрики, полупроводники и магнитные материалы. Проводники - это материалы с сильно выраженной электропроводностью. По применению их делят на материалы высокой проводимости (для проводов различного назначения, токопроводя- щих деталей, электрических контактов) и материалы высокого сопротивления (для резисторов и нагревательных элементов. Диэлектрики - это материалы, способные поляризоваться и сохранять электростатическое поле. По применению различают пассивные диэлектрики (электроизоляционные) и активные диэлектрики (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики и др, свойствами которых можно управлять внешним энергетическим воздействием. Полупроводники - это материалы с сильной зависимостью электропроводности от концентрации и вида примесей, дефектов структуры и внешних энергетических воздействий (температуры, электромагнитных полей, освещенности и т.д.). По отношению к магнитному полю большинство электротехнических материалов - немагнитные либо слабомагнитные вещества. Существует особая группа материалов, проявляющих сильные магнитные свойства. Магнитные материалыспособны сильно намагничиваться во внешнем магнитном поле. По особенностям процесса намагничивания, связанным сих строением, они делятся на ферромагнетики и ферримагнетики (ферриты. Различают магнитомягкие и магнитот- вердые материалы. Магнитомягкие материалы легко перемагничиваются. Их применяют в электромагнитах и переменных магнитных полях в качестве сердечников трансформаторов, магнитопроводов электрических машин, реле и т.д. Магнитотвердые материалы трудно размагничиваются, обладают большим запасом магнитной энергии их используют для изготовления постоянных магнитов и устройств для записи и хранения информации. Основной характеристикой электротехнических материалов является удельная электропроводность -
    γ, Сименс/м, как коэффициент пропорциональности между плотностью тока j (Амина- пряженностью электрического поля E (В/м) в законе Ома
    E
    j

    γ
    =
    (1.1) Удельная электропроводность зависит только от свойств материала. Этой характеристикой обычно пользуются в теории. На практике, для оценки электропроводности материалов и систем более широко используется обратная величина - удельное электрическое сопротивление - ρ,
    Ом·м,
    γ
    =
    ρ
    1
    (1.2) Для основных групп электротехнических материалов значение ρ составляет проводники - ρ < 10
    -5
    Ом·м; диэлектрики - ρ > 10 8
    (до 10 16
    ) Ом·м; полупроводники - ρ = 10
    -5
    …10 8
    Ом·м. Что касается магнитных материалов, по величине удельной проводимости (удельному сопротивлению) они могут быть проводниками, полупроводниками или диэлектриками. Среди материалов, применяемых в электротехнических устройствах и приборах, особое место занимают сплавы с высокими упругими свойствами,
    которые применяются для упругих элементов
    (токопроводящие пружины, подвески, растяжки, мембраны и т.д.), и сплавы с особыми свойствами теплового расширения сплавы инварного типа).Различают сплавы с минимальным коэффициентом линейного расширения, предназначенные для деталей приборов с повышенными требованиями постоянства линейных размеров при изменении температуры, и сплавы с заданным коэффициентом линейного расширения - для создания вакуумплотных спаев с другими материалами (стеклом, керамикой и т.д.).
    1.2. Основы зонной теории твердого тела Зонная теория является основой современных представлений о процессах, происходящих в твердом кристаллическом веществе при воздействии на него электромагнитного поля. Она рассматривает движение валентных электронов в периодическом потенциальном поле кристаллической решетки с учетом корпускулярно-волновых свойств элементарных частиц. В квантовой теории движение электронов описывается волновой функцией, и разрешенными орбитами для электронов изолированного атома являются только те, на длине волны которых (2
    πr) укладывается целое число волн де Бройля λ: 2
    πr = n·λ, n = 1, 2, Длина волны де Бройля составляет Э, м,
    (1.3) где
    m
    e
    - масса электрона
    h - постоянная Планка u
    - тепловая скорость движения свободных электронов, мс
    2 Э - кинетическая энергия электронов. Исходя из этого постулата, можно определить радиус разрешенных орбит и соответствующие им энергетические уровни электронов. Таким образом, изолированный атом имеет дискретный энергетический спектр электроны занимают определенные энергетические уровни. Некоторые из них электроны занимают в нормальном невозбужденном состоянии атома, на более высоких энергетических уровнях электроны могут находиться в возбужденном состоянии при внешнем энергетическом воздействии. После прекращения энергетического воздействия электроны возвращаются на более низкие энергетические уровни. Переход электронов с одних энергетических уровней на другие происходит дискретно и
    сопровождается поглощением, либо выделением квантов энергии рис. 1). Рис. 1. Схема энергетических уровней а - атома 1 - уровень невозбужденного атома, 2 - уровени возбужденного атома б - твердого тела 1 - валентная зона заполнена электронами, 2 - зона проводимости (зона свободных энергетических уровней, 3 - запрещенная зона В кристалле между соседними атомами возникают силы обменного взаимодействия, что приводит к перекрытию электронных оболочек и обобществлению электронов. Обобществленные валентные электроны любого вещества могут свободно перемещаться без затраты энергии от атома к атому по всему кристаллу путем обмена (туннельный переход. Вследствие обменного взаимодействия дискретные энергетические уровни изолированных атомов в кристалле расщепляются, образуя энергетические зоны. Разрешенные энергетические зоны разделены запрещенными интервалами энергии. Количество энергетических уровней, составляющих энергетическую зону, определяется числом атомов в твердом теле. Если в
    1см
    3
    кристалла содержится 10 22
    …10 23
    атомов, а ширина зоны в среднем составляет 1 эВ (электронвольт), то уровни в зоне отстоят друг от друга на 10
    -22
    …10
    -23
    эВ. Это означает, что энергетическая зона характеризуется квазинепрерывным спектром, и достаточно
    малейшего энергетического воздействия, чтобы вызвать переход электронов с одного уровня на другой при наличии там свободных состояний. Внутренние электронные оболочки изолированных атомов, как правило, заполнены электронами, соответствующие им энергетические зоны также оказываются заполненными. Самую внешнюю из заполненных электронами зон называют валентной зоной. Ближайшую к валентной разрешенную зону свободных энергетических уровней называют зоной проводимости. Валентная зона и зона проводимости отделены друг от друга запрещенной зоной - энергетическим барьером, Эрис. Принципиальное отличие проводниковых материалов от диэлектриков и полупроводников заключается в различной реакции на внешнее электрическое поле, что иллюстрируют энергетические диаграммы (рис. 2). Рис. 2. Схема энергетических зона- проводника, б - полупроводника, в - диэлектрика В проводниках (металлах) зона проводимости вплотную примыкает к валентной зоне (Э = 0). Валентная зона не полностью заполнена электронами, имеются свободные энергетические подуровни, которые с зоной проводимости образуют энергетический спектр свободных уровней (риса. В электрическом поле добавочная
    энергия, приобретаемая электронами на длине свободного пробега
    (10
    -8
    …10
    -4
    эВ, намного превосходит энергетический интервал между уровнями в зоне (10
    -22
    …10
    -23
    эВ, и электроны переходят на ближайшие свободные уровни, создавая упорядоченное движение электрический ток. Этим объясняется высокая проводимость металлических материалов. В полупроводниках и диэлектриках валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной зоной Эрис. 2,б,в). При температуре абсолютного нуля валентная зона полностью заполнена электронами, свободных энергетических уровней нет. Электроны полностью заполненной валентной зоны не могут принимать участие в создании электрического тока - зона проводимости абсолютно свободна. Для создания электрического тока необходимо часть валентных электронов перебросить из валентной зоны в зону проводимости, но энергии электрического поля недостаточно для преодоления энергетического барьера Э. Нужны дополнительные энергетические воздействия, например, нагрев, так как при комнатной температуре энергия валентных электронов за счет теплового движения составляет порядка 0,04 эВ, что значительно меньше ширины запрещенной зоны. Различие между полупроводниками и диэлектриками заключается в ширине запрещенной зоны. Условно к полупроводникам относят вещества с запрещенной зоной Э < 3 эВ. В полупроводниках переход электронов в зону проводимости может быть осуществлен путем тепловых, электромагнитных и иных воздействий, либо обеспечить проводимость с помощью атомов примеси. В диэлектриках ширина запрещенной зоны настолько велика Э от 3 до 10 эВ, что энергии внешних возбуждающих воздействий недостаточно для перехода электронов в зону проводимости. Это означает, что электронная проводимость в них не играет определяющей роли. Вопросы для самоконтроля
    1. Приведите классификацию электротехнических материалов по применению.

    12 2. Какова основная характеристика электропроводности материалов. Охарактеризуйте области применения материалов с особыми физическими свойствами.
    4. Опишите зонное строение твердых тел.
    5. В чем различие энергетических диаграмм для проводников, полупроводников и диэлектриков
    6. Объясните на основе зонной теории возникновение высокой электропроводности в проводниках.

    13
    2. ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
    2.1. Свойства проводниковых материалов Проводниковые свойства проявляют металлы, металлические сплавы, графит (модификация углерода) и электролиты. Металлы относятся к проводникам с электронной проводимостью. В электролитах (растворы кислот, солей, щелочей) перенос электрических зарядов осуществляют ионы.
    2.1.1. Физическая природа электропроводности металлов Металлы имеют кристаллическое строение в узлах кристаллической решетки находятся положительно заряженные ионы, окруженные коллективизированными электронами (электронным газом. Современные представления об электронном строении металлов, распределении электронов по энергетическим состояниям, их взаимодействии с другими элементарными частицами и кристаллической решеткой дает квантовая теория, основы которой были разработаны советским ученым Я.И.Френкелем и немецким физиком
    А.Зоммерфельдом. Свободные электроны хаотически перемещаются по кристаллу со средней тепловой скоростью и
    = 10 5
    мс. В электрическом поле напряженностью Е электроны получают добавочную скорость упорядоченного движения
    v - скорость дрейфа, благодаря чему и возникает электрический ток. Плотность тока зависит от скорости дрейфа, заряда электрона е и концентрации свободных электронов
    n.
    v
    n
    e
    j


    =
    . (2.1) Скорость дрейфа в реальных условиях существенно меньше скорости теплового движения электронов
    v << u. Так, в медном проводнике при плотности тока
    j = 1 А/мм
    2
    скорость дрейфа составляет
    v = 1
      1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   16
    написать администратору сайта