Проводники и полупроводники

Задача 1

Дайте краткое описание физического смысла и практического значения пробоя. Приведите величины измерений величины характеристик для разных групп диэлектриков

Каждый диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства изоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление – пробой диэлектрика. В результате пробоя происходит соединение проводников, находящихся под напряжением, друг с другом.

 - напряжение, при котором происходит пробой – пробивное напряжение, измеряемое в киловольтах.

 - электрическая прочность диэлектрика, измеряемая в  или  - в практике, - в системе СИ.

Вида пробоя:

-    Тепловой пробой. В результате нагрева диэлектрика проходящим через него электрического тока, сопротивление диэлектрика непрерывно уменьшается. Это вызывает увеличение тока, вследствие чего повышается температура, до тех пор, пока ток не достигнет величины, при которой диэлектрик термически разрушается (плавится). В этом случае  зависит от температуры диэлектрика.

-    Электрический пробой. С повышением напряженности электрического поля происходит процесс быстрого нарастания количества свободных электронов, который заканчивается пробоем диэлектрика.

Кривую зависимости от времени воздействия приложенного напряжения называют «кривой жизни диэлектрика», так как по ней можно определить время жизни диэлектрика при заданной напряженности поля.

-    Электрическая проницаемость  диэлектрика при электрическом пробое не зависит от температуры, но при более высоких температурах диэлектрика переходит в тепловой пробой.

При этом  диэлектрика уменьшается с ростом его температуры.

1.         Пробой газов – явление чисто электрическое, зависит от степени однородности электрического поля, в котором осуществляется пробой

-    Пробой в однородном поле. В таком поле пробой наступает практически мгновенно при достижении строго определенного напряжения, зависящего от температуры и давления газа. Между электродами возникает искра, которая затем переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность. Появление искры при заданном расстоянии между электродами используют для определения значения приложенного напряжения.

Электрическая прочность газа в сильной мере зависит от давления, если температура постоянна. При малых изменениях температуры и давления газа пробивное напряжение пропорционально плотности газа:

где: - пробивное напряжение при данных температуре и давлении

- пробивное напряжение при нормальных условиях

()

-    Пробой в неоднородном поле. Особенностью пробоя в таком поле является возникновение частичного заряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой заряд и дугу при возрастании напряжения.

2.         Пробой жидких диэлектриков. В жидких диэлектриках на явление пробоя влияет наличие примесей, так как получить предельно чистую жидкость очень трудно. Теорию электрического пробоя можно применить к жидкостям максимально очищенным от примеси. Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняются местным перегревом жидкостей, который приводит к образованию газового канала между электродами. Вода в виде капелек в трансформаторном масле, при нормальной температуре значительно снижает . Под влиянием электрического поля сферические капельки воды поляризуются, приобретая форму эллипсоидов и, притягиваясь между собой разноименными концами, создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой. Сажа и обрывки волокон искажают электрическое поле внутри жидкости и также приводят к снижению электрической прочности жидких диэлектриков. Очистка жидких диэлектриков от примесей значительно повышает электрическую прочность.

3.         Пробой твердых диэлектриков. Различают четыре вида пробоя:

-    Электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков. Этот вид пробоя характеризуется быстрым развитием: протекает за меньше, чем с, и не обусловлен тепловой энергией, хотя электрическая прочность при электрическом пробое в некоторой степени зависит от температуры.

-    Электрический пробой неоднородных диэлектриков. Характерен для технических диэлектриков, содержащих газовые включения. Развивается весьма быстро. Электрическая прочность твердых диэлектриков практически не зависит от температуры до некоторого её значения. Выше этого значения наблюдается заметное снижение электрической прочности, что говорит о появлении механизма теплового пробоя.

-    Тепловой пробой. Возникает в том случае, когда количество теплоты, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает количество теплоты, которое может рассеиваться в данных условиях, при этом нарушается тепловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный характер. Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению и обугливанию. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температуры окружающей среды. Также «электротепловое» пробивное напряжение зависит от нагревостойкости материала. Механизм теплового пробоя наиболее вероятен при повышенных температурах, когда можно ожидать, что преобладающими будут потери сквозной электропроводности. По толщине диэлектрика получается перепад температуры, средний слой оказывается нагретым выше, чем прилегающие к электродам, сопротивление первого резко падает, что ведет к искажению электрического поля и повышенным градентам напряжения в поверхностных слоях. Теплопроводность материала электродов также играет важную роль.

(с), где:

-    Электрохимический пробой. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжениях низкой частоты, когда в материале развиваются процессы, обуславливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции (электрохимическое старение). Для его развития требуется длительное время, поскольку он связан с явлением электропроводности.

Задача 2

Дайте определение диэлектрика пластмасса. Укажите, к какой классификационной группе относится данный диэлектрик. Приведите основные характеристики материала, единицы измерения и величины этих характеристик. Кратко опишите достоинства и недостатки, а также перечислите области применения материала.

Диэлектрик – электроизоляционный материал, применяемый в технике с целью созданий условий, препятствующих нейтрализации электрических зарядов, то есть недопускающий утечки тока.

По условию задан диэлектрик – пластмасса, относящаяся к пассивным электроизоляционным материалам, обладающие высокой теплостойкостью, нагревостойкостью, малым водопоглащением, что позволяет использовать их для изготовления электроизоляционных и конструкционных изделий.

Особенностью свойств пластмассы является инертная высокополимерная структура. Для изготовления пластмассовых изделий исходный материал – прессовочные порошки, на основе резольных и новолачных смол, являющиеся термореактивными материалами. Пластмассы на их основе – фенопласты. Они обладают высокой стабильностью свойств и противостоят воздействию воды, кислот и органических растворителей. Различают три типа фенопластов, содержащих в качестве наполнителей древесную муку и минеральные вещества. Пресспорошки (II тип) на основе резольных смол обладают улучшенными электроизоляционными свойствами, поэтому их широко применяют для изготовления электроизоляционных деталей. Из фенопластов I и III типа, содержащих новолочную смолу, изготовляют низковольтные электроизоляционные изделия. Недостатком фенопластов является их низкая стойкость к электрическим искрам и дугам, вызывающих науглероживание изделий. Прессований изделий из фенопластов производят при удельном давлении  без предварительного подогрева пресспорошков при температуре  или с предварительным подогревом при . При предварительном подогреве время прессования уменьшается.

Основные характеристики фенопластов

Характеристики	Группа I	Группа II	Группа III
Удельный вес, г/см3	1,4	1,4	1,5
Удельная ударная вязкость, кГ*см/см2	4,0	4,2	4,5
Предел прочности при изгибе, кГ/см2	550	600	650
Предел прочности при сжатии, кГ/см2	1600	1500	1700
Водопоглащаемость, г/дм2	0,12	0,10	0,12
Теплостойкость,	110	100	110
Удельное объёмное сопротивление , Ом*см	109	1012	1010
Удельное поверхностное сопротивление , Ом*см	109	1013	1010
Тангенс угла диэлектрических потерь , при 50 гц	0,1	0,05	0,1
Электрическая прочность, кв/мм	10	13	7
Текучесть, мм	150	150	180

Изделия из пресспорошков, содержащие в качестве наполнителя асбестовые или стеклянные волокна, - волокниты, обладают повышенной нагревостойкостью. У этих материалов удельная ударная вязкость и теплостойкость значительно выше, чем у фенопластов с предыдущими наполнителями. В качестве связующего в этих пресспорошках применяют резольные смолы.

Характеристики	Волокнит	К - 6	К – Ф - 3	Стекловолокнит
Удельный вес, г/см3	1,4	1,9	1,8	1,9
Удельная ударная вязкость, кГ*см/см2	9,0	20	22	15
Предел прочности при изгибе, кГ/см2	700	700	700	800
Предел прочности при сжатии, кГ/см2	1200	800	1000	900
Водопоглащаемость, г/дм2	0,4	0,8	1,0	0,5
Теплостойкость,	110	220	220	180
Удельное объёмное сопротивление , Ом*см	108	107	108	1010
Электрическая прочность, кв/мм	2	1	2	4
Текучесть, мм	100	110	120	120

Особый интерес вызывают пластмассы на основе кремнийорганических смол, так как они обладают высокой нагревостойкостью и малой зависимостью электрических характеристик от температуры. При введении в такие пластмассы нагревостойких наполнителей, происходит снижение электрических характеристик чистых кремнийорганических смол и резкое увеличение механических характеристик. Такие пластмассы применяются для изделий, работающих при температурах до 200°С и условиях повышенной влажности.

Разновидностью композиционных пластмасс являются слоистые пластики, в которых в качестве наполнителя используют листовые волокнистые материалы. К слоистым пластикам относятся гетинакс, текстолит и стеклотекстолит.

-    Гетинакс получают горячей прессовкой бумаги, пропитанной феноло-формальдегидной смолой в стадии А или другими смолами этого же типа. Для производства используется прочная и нагревостойкая пропиточная бумага. Пропитку производят с помощью водной суспензии формальдегидной смолы. Листы бакелизированной бумаги после их сушки собирают в пакеты и эти пакеты прессуют на гидравлических прессах при температуре 160°С под давлением 10—12 МПа. Во время прессования смола сначала размягчается, заполняя поры между листами и волокнами, а затем затвердевает, переходя в неплавкую стадию резита. В результате волокнистая основа связывается в прочный монолитный материал. Гетинакс относится к числу сильнополярных диэлектриков, так как волокнистая основа и пропитывающее вещество обладают полярными свойствами.

Гетинакс используется для изготовления различного рода плоских электроизоляционных деталей и оснований. Бывает следующих марок: А, Б, В, Г, Д, В_с – для работы при частоте 50 гц и А_В, Б_В, В_В, Г_В, Д_В – для работы на высокой частоте. Гетинакс марок А и Б – обладает повышенной электрической прочностью, Г – повышенной стойкостью к влаге, В – повышенной механической прочностью.

-    Текстолит. Наполнитель - пропитанная хлопчатобумажная ткань. Выпускается марками: А, Б и Г – на основе бязи и миткаля, ВЧ – на шифоне для высоких частот. Свойства идентичны свойствам гетинакса, только у текстолита предел прочности на раскалывание выше и удельная ударная вязкость, доходящая до 40 кг*см/см². Текстолит – материал более дорогой, чем гетинакс, поэтому его следует применять там, где деталь может подвергаться ударам или истиранию.

-    Стеклотекстолит. Наполнитель – электроизоляционная бесщелочная стеклянная ткань. Обладают повышенной влагостойкостью и, по сравнению с текстолитом и гетинаксом, лучшими электрическими и механическими характеристиками. Изготавливается несколькими марками: СТ, СТУ на основе бесщелочной стеклянной ткани со связующим – фенолформальдегидной смолой и СТК – 41 и СТК – 41/ЭП на кремнийорганических смолах и с добавкой эпоксидных смол. Отличаются повышенной нагревостойкостью (180-200° С).

Характеристики	Гетинакс			Текстолит А,В,Г	Стеклотекстолит
	А,Б,В,Г,Д	АВ,БВ,ВВ,ГВ,ДВ			Фенолформальдегидная смола	Кремнийорганическая смола	Эпоксидная смола
Удельный вес, г/см3	1,3		1,3	1,4	1,6	1,7	1,8
Предел прочности при изгибе, кГ/см2	800-1500		-	900-1400	1100-1300	1100-1200	2000-2500
Предел прочности при растяжении, кГ/см2	700-1500		800-1500	600-900	900-1300	1000-1500	1700-2400
Удельная ударная вязкость, кГ*см/см2	13-20		-	20-40	35-60	25-60	60-80
Теплостойкость, °С	150-180		125-180	125-160	185	200	250
Удельное объёмное сопротивление , Ом*см	1010-1012		1012-1014	109-1011	1010	1014	1013
Диэлектрическая проницаемость	5-6		5-6	5-6	6-8	6-7	6-7
Тангенс угла диэлектрических потерь , при 50 гц	0,06-0,10		0,01-0,03	0,07-0,15	0,06-0,08	0,022	0,025
Электрическая пробивная прочность, кв/мм	15-25		22-33	10-16	12-16	14-18	18-20

Задача 3. Дайте определение проводника. Приведите классификацию проводниковых материалов. Назовите основные показатели проводников и кратко поясните их физический смысл. Для бериллиевой бронзы приведите числовые значения этих показателей. Кратко опишите сам материал, укажите основные области его применения. Укажите назначение кабели связи. Перечислите проводниковые материалы, используемые для их изготовления

Бериллиевая бронза, кабели связи

Проводник - металлическое изделие, изготовленное из материалов, обладающих высокой электропроводностью, чтобы не допускать больших потерь электрической энергии, используемые для обмотки машин и аппаратов, линий электропередачи шины распределительных устройств и т.д.

-    Удельная проводимость. Электропроводность обуславливается наличием свободных валентных электронов в проводнике. При подключении электрического напряжения, электроны будут двигаться от минуса к плюсу, что создаст электрический ток. Удельная проводимость покажет, в какой мере тот или иной материал проводит создавшийся ток.

-    Удельное сопротивление - обратная величина удельной проводимости - . Это величина, с помощью которой количественно оценивается электрическое сопротивление материала. Определяется из формулы:

-    Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов.

При повышении температуры число носителей заряда в проводнике остаётся практически неизменным. Но вследствие усилений колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры, на пути направленного движения свободных электронов под действием электрического тока появляется всё больше препятствий, то есть уменьшаются средняя длина свободного пробега электрона , подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость и повышается удельное сопротивление.

-    Теплопроводность - . Обмен электронами между нагретыми и холодными частями металла в отсутствие электрического поля, переход кинетической энергии от нагретых частей проводника к более холодным. За передачу теплоты через металл в основном ответственны те же свободные электроны, которые определяют и электропроводность металлов.

-    Контактная разность потенциалов:

-    и термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС):

При соприкосновении двух различных металлических проводников между ними возникает контактная разность потенциалов. Причина появления этой разности потенциалов заключается в различии значений работы выхода электронов из различных металлов, а также в том, что концентрация электронов, а следовательно, и давление электронного газа у разных металлов и сплавов могут быть неодинаковыми. Термо-ЭДС возникает, когда один из спаев имеет температуру , а другой - .

Бериллиевая бронза. Сплав меди и олова с легированием бериллием. Эта бронза отличается высоким пределом прочности и упругости, коррозионной стойкостью в сочетании с повышенным сопротивлением усталости и износу, обладает хорошей электро- и теплопроводностью, обрабатывается резанием и сваривается контактной сваркой. Недостаток бериллиевой бронзы – высокая стоимость.

Из нее изготавливают упругие элементы точных приборов (плоские пружины, пружинящие электроконтакты, мембраны), детали, работающие на износ (кулачки, шестерни, ударники, втулки), детали ударных механизмов и ударный инструмент для взрывоопасных условий.

Свойства меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала.

-    малое удельное сопротивление (из всех материалов только серебро имеет несколько меньшее удельное сопротивление, чем медь);

-    достаточно высокая механическая прочность;

-    удовлетворительная в большинстве случаев стойкость по отношению к коррозии (медь окисляется на воздухе даже в условиях высокой влажности значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах(см.рис. 8.1);

-    хорошая обрабатываемость (медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра);

-    относительная легкость пайки и сварки.

Принципы развития междугородной связи диктуют необходимость создания новых широкополосных кабелей связи с большой дальностью действия, надежно защищенных от взаимных и внешних помех и обладающих высокой стабильностью и надежностью, причем конструкции должны быть экономичными и требовать минимума расхода цветных металлов. Кабели связи изготавливают из меди и свинца. Для экономии этих цветных металлов при производстве кабелей применяют алюминиевые, стальные и пластмассовые оболочки. Для сердечников сталеалюминевых проводов воздушных линий электропередачи применяется особо прочная стальная проволока. В некоторых случаях для уменьшения расходов цветных металлов в кабелях связи выгодно применять так называемый проводниковый биметалл. Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно по всей поверхности их соприкосновения.

Независимо от вида кабельной связи в кабельную линию передаются электромагнитные сигналы различной частоты и формы. На передающем конце осуществляется преобразование звуковой (телефон, вещание, звуковое сопровождение), механической (телеграф, телемеханика) или световой энергии (телевидение, фототелеграфирование, видеотелефон) в электромагнитную, которая передается по линии. На приемном конце имеет место обратный процесс преобразования электромагнитной энергии в соответствующий вид энергии, воспроизводящий передаваемую информацию.

Задача 4. Дайте определение полупроводника. Приведите классификацию полупроводниковых материалов. Укажите, от каких факторов зависит электропроводность полупроводников. Кратко опишите Кремний КЭФ. Укажите назначение тиристора. Назовите основное свойство полупроводника, благодаря которому он применяется в этом приборе

Полупроводниками называют вещества, значения удельного сопротивления которых при нормальной температуре находятся между значениями удельного сопротивления проводников и диэлектриков (в диапазоне 10^-3 – 10¹⁰ Ом·см). Основным свойством полупроводника является зависимость его электропроводности от воздействия температуры, электрического поля, излучения, механической энергии. Полупроводники в отличие от проводников имеют отрицательный температурный коэффициент удельного сопротивления, проводимость полупроводников с увеличением температуры увеличивается экспоненциально. В зависимости от наличия примесей различают собственные и примесные полупроводники.

Электропроводность полупроводников зависит от следующих факторов:

·          Влияние тепловой энергии. Температурная зависимость удельной проводимости полупроводника есть результат изменения концентрации и подвижности носителей заряда. В области низких температур полупроводник характеризуется примесной электропроводностью, а в области высоких – собственной электропроводностью.

·          Влияние деформации. Вследствие увеличения или уменьшения межатомных расстояний, происходит изменение концентрации и подвижности носителей, следовательно, изменяется и электропроводность. Величина, численно характеризующая изменение удельной проводимости полупроводников, - тензочувствительность.

·          Влияние света. Световая энергия, поглощаемая полупроводником, вызывает появление в нем избыточного (по сравнению с равновесным при данной температуре) количества носителей зарядов, приводящего к возрастанию электропроводности.

·          Электромагнитное излучение. Под его воздействием электрическая проводимость увеличивается – фотопроводимость.

·          Сильные электрические поля. Под его влиянием проводимость увеличивается. Обуславливается это ростом числа носителей заряда, так как под влиянием поля они легче освобождаются тепловым возбуждением. При дальнейшем росте поля может появиться механизм ударной механизации, иногда приводящий к разрушению структуры проводника.

Исходным сырьем при получении кремния является природная двуокись (кремнезем), из которой кремний восстанавливают углеродсодержащим материалом в электрических печах. Технический кремний представляет собой мелкокристаллический спек, содержащий около 1 % примесей.

Технология получения кремния полупроводниковой чистоты включает в себя следующие операции:

-    превращение технического кремния в легколетучее соединение, которое после очистки может быть легко восстановлено;

-     очистка соединения физическими и химическими методами; 3) восстановление соединения с выделением чистого кремния;

-     окончательная кристаллизационная очистка и выращивание монокристаллов.

Кремний КЭФ – кремний электронный, легированный фосфором.

Тиристоры часто используются в различных силовых устройствах: электроприводе, источниках питания, мощных преобразовательных установках. Для снижения потерь эти приборы работают в основном в ключевом режиме. Основные требования, предъявляемые к тиристорам:

-    малые потери при коммутации;

-    большая скорость переключения из одного состояния в другое;

-    малое потребление в цепи управления;

-    большой коммутируемый ток;

-    высокое рабочее напряжение.

Тиристоры делятся на две группы: диодные тиристоры (динисторы) и триодные тиристоры (тринисторы). Для коммутации цепей переменного тока разработаны специальные симметричные тиристоры-симисторы.

Динистор - это двухэлектродный прибор диодного типа, имеющий три p-n перехода. Крайняя область p называется анодом. Другая крайняя область n — катодом.

Тринисторы. В отличие от динистора тринистор имеет кроме выводов анода и катода ещё и управляющий электрод (УЭ). В зависимости от расположения УЭ тиристоры делятся на тринисторы с катодным управлением (вывод УЭ из зоны, прилежащей к зоне катода типа p) и с анодным управлением (вывод УЭ из зоны, прилежащей к зоне анода типа n).

Вольтамперная характеристика тринистора отличается от характеристики динистора тем, что напряжение включения регулируется изменением тока в цепи управляющего электрода. При увеличении тока управления снижается напряжение включения. Таким образом, тиристор эквивалентен динистору с управляемым напряжением включения. После включения УЭ теряет управляющие свойства, следовательно, с его помощью выключить тиристор нельзя. Основные схемы выключения тринисторов такие же, как и для динистора.

Задача 5. Для альсифера нужно перечислить свойства, преимущества и недостатки, применение

Альсиферы – это тройные сплавы, состоящие из алюминия, кремния и железа (Al – Si – Fe), образующие твердые растворы. Высокую магнитную проницаемость имеют в очень узком интервале содержания в сплаве алюминия и кремния. Максимум магнитных свойств альсифера соответствует точному соблюдению состава, что можно обеспечить только для лабораторных образцов. Промышленные изделия имеют более низкие значения магнитных свойств.

Оптимальный состав : 9,5% - кремний, 5,6% - алюминий, остальное железо. Такой сплав отличается твердостью и хрупкостью, но из него могут быть изготовлены фасонные отливки. Основные свойства:

, , ,

то есть не уступает свойствам высоконикелевых пермаллоев. Магнитные экраны, корпуса приборов и другие изделия из альсифера изготавливаются методами литья с толщиной стенок не менее 2 – 3 мм из – за хрупкости сплава. Эта особенность ограничивает применение данного материала. Благодаря хрупкости альсифера его можно размалывать в порошок и использовать наряду с карбонильным железом для изготовления высокочастотных прессованных сердечников.

Список используемой литературы

1.    Н.Г.Дроздов, Н.В.Никулин «Электроматериаловедение», Москва, 1963 г., 350 стр.

2.    Н.П. Богородицкий , В.В. Пасынков , Б.М. Тареев. Электротехнические материалы. Л.; "Энергоиздат". 1985 - 304 с.

3.    Н.П. Богородицкий , В.В. Пасынков. Материалы радиоэлектронной техники. М.; «Высшая школа». 1969 – 423 с.