Міністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства електротехнічні матеріали. Провідникові, магнітні й напівпровідникові матеріали icon

Міністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства електротехнічні матеріали. Провідникові, магнітні й напівпровідникові матеріали




НазваМіністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства електротехнічні матеріали. Провідникові, магнітні й напівпровідникові матеріали
Сторінка1/6
Дата29.06.2012
Розмір0.61 Mb.
ТипДокументи
  1   2   3   4   5   6

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ МІСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА


ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНІ МАТЕРІАЛИ.

ПРОВІДНИКОВІ, МАГНІТНІ Й НАПІВПРОВІДНИКОВІ МАТЕРІАЛИ

(Тексти лекцій для студентів спеціальностей

6.090603 - ЕСЕ, 6.090605 - СДС, 6.092202 - ЕТ)


Харків-ХНАМГ-2007


Електротехнічні матеріали. Розділи “Провідникові матеріали”, “Магнітні матеріали” і “Напівпровідникові матеріали”: Тексти лекцій з курсу “Електротехнічні матеріали” (для студентів денної і заочної форм навчання спеціальностей 6.090603 - ЕСЕ, 6.090605 - СДС, 6.092202 - ЕТ)./Авт. Дьяков Є.Д. - Харків: ХНАМГ, 2007. - 58 с.


Автор: доц., канд. техн. наук Є.Д. Дьяков

Рецензент: проф., докт. техн. наук О.Г. Гриб


Рекомендовано кафедрою електропостачання міст,

протокол № 10 від 21.06.2007 р.


Вступ

Використання будь-якого електротехнічного матеріалу завжди супроводжується його вибором з існуючої номенклатури. З кожним роком номенклатура матеріалів, які застосовуються в електротехнічній промисловості, розширюється, що ускладнює завдання відбору відповідного матеріалу. Вибір слід проводити, виходячи з усього комплексу властивостей, якими він володіє. Для забезпечення надійної роботи проектованого електротехнічного виробу необхідні дані про вплив різних зовнішніх факторів на характеристики використовуваних матеріалів. Таким чином, тільки на підстави комплексного вивчення характеристик електротехнічних матеріалів може бути здійснений раціональний вибір того чи іншого електротехнічного матеріалу.

^ 1.Провідникові матеріали

Провідниковими називаються матеріали, які володіють високою питомою провідністю завдяки наявності в них великої кількості часток з електричними зарядами.

Класифікацію провідникових матеріалів за їхньою питомою провідністю можна представити у наступному вигляді:

1. Надпровідники;

2. Кріопровідники;

3. Метали;

4. Сплави металів;

5. Електроліти;

6. Напівпровідники.

Розходження між окремими матеріалами полягає не тільки в значеннях їхньої питомої провідності, але й у механізмі електропровідності. Для багатьох матеріалів характерна електронна електропровідність. Такі матеріали називаються провідниками першого роду. В електролітах та деяких інших провідниках проявляється іонна електропровідність. Вони називаються провідниками другого роду. Моліонна (електрофоретична) електропровідність також характерна для провідників другого роду.

Як провідників можуть бути використані тверді речовини, рідини й, за певних умов, гази.

Твердими провідниками є метали, сплави металів, а також деякі модифікації вуглецю. З металевих провідникових матеріалів слід виділити метали високої питомої провідності, питомий опір яких при нормальній температурі не перевищує 0,05 мкОм*м, і сплави високого опору, що мають питомий опір при нормальній температурі не менше 0,3 мкОм*м.

До рідких провідників відносять розплавлені метали й електроліти. При нормальній температурі як рідкий провідник може використовуватися тільки ртуть, що має температуру плавлення мінус 39 оС, або галій ( -29.8 оС). Інші метали можуть бути рідкими провідниками тільки при підвищених або високих температурах.

Електролітами є розчини кислот, лугів і солей, а також розплави іонних з'єднань. Електропровідність електролітів пов'язана з переносом іонів, у результаті чого склад електроліту поступово змінюється, а на електродах виділяються продукти електролізу.

Всі гази й пари при низьких напруженістях електричного поля не є провідниками. Однак коли напруженість електричного поля перевищує деяке критичне значення, що відповідає появі ударної і фотонної іонізації, газ стає провідником з електронною та іонною електропровідністю. Особливе рівноважне провідне середовище представляє сильно іонізований газ із рівною кількістю електронів і позитивно заряджених іонів в одиниці об'єму, що називається плазмою.

Дуже малим питомим опором при низьких температурах володіють кріопровідники й надпровідники.


^ 1.1. Основні положення теорії електропровідності

Виведемо загальну формулу, що виражає зв'язок питомої провідності речовини з фізичними величинами, якіхарактеризують носії заряду, наявні в речовині. Припустимо, що в речовині є тільки однакові за своєю природою, абсолютним значенням і знаком електричні заряди. Будемо вважати, що в одиниці об'єму речовини з ребром, рівним одиниці довжини, перебуває n носіїв зарядів. Тоді сумарний заряд цього об'єму відповідно дорівнює n*q. Якщо в розглянутій частині речовини діє електричне поле з напруженістю E, яка перпендикулярна до однієї з граней куба, то на кожний носій заряду діятиме сила, рівна F = n*q. Ця сила створює впорядковану складову Vд швидкості носія заряду, що називається швидкістю дрейфу на відміну від Vт – невпорядкованого теплового руху. У позитивних зарядів швидкість дрейфу збігається з напрямком напруженості електричного поля, а в негативних зарядів спрямована проти вектора напруженості. У зв'язку з тим, що швидкості різних носіїв зарядів відрізняються одна від одної й до того ж змінюються в часі, під Vд і Vт матимемо на увазі середню швидкість для всіх носіїв зарядів за деякий досить великий проміжок часу.

Добуток n*q* Vд представляє кількість електрики, що проходить за одиницю часу через одиницю поперечного перерізу провідної речовини, тобто щільність струму

J = n*q* Vд (1.1)

З огляду на те, що питома провідність матеріалу визначається як коефіцієнт пропорційності між щільністю струму й напруженістю електричного поля, що викликала цей струм, запишемо

; (1.2)

; (1.3)

(1.4)

Відношення дрейфової швидкості носія заряду до напруженості, що викликала цю швидкість, електричного поля, називається рухливістю носія заряду:

u = Vд / E (1.5)

Очевидно, що для зв'язаних зарядів u = 0, а для вільних зарядів u відмінне від нуля, причому для позитивних зарядів u позитивне, а для негативних - негативно.

Запишемо загальну формулу питомої провідності в найпростішому вигляді

(1.6)

З цієї формули можна зробити висновок, що незалежно від знаку носіїв заряду питома провідність завжди позитивна. Якщо в речовині присутнє одночасно m носіїв зарядів різного виду, то незалежно від їхнього знаку внески різних видів носіїв у питому провідність речовини повинні підсумовуватися арифметично:

(1.7)

Дана формула справедлива для ізотропних речовин. Якщо речовина анізотропна, то формула прийме вигляд

(1.8)


^ 1.2. Електропровідність металів

У металах і сплавах у більшості випадків є велика кількість вільних електронів. Ці електрони й атоми решітки роблять хаотичні рухи, швидкість яких тим більше, чим вище температура металу. Розміри електронів надзвичайно малі в порівнянні з розмірами атомів і тим більше в порівнянні з відстанями між атомами. Таким чином, ці електрони певною мірою нагадують молекули газу, тому їх образно називають ”електронним'' газом.

Коли на метал не діє зовнішнє електричне поле, розподіл швидкостей теплового руху електронів Vт за різними напрямками рівноімовірний. У зв'язку з цим геометрична сума цих швидкостей у будь-який момент часу дорівнює нулю й відповідно струм у відсутності прикладеної напруги не протікає. Якщо до металу прикласти напругу, то в ньому створюється напруженість електричного поля Е і на кожний електрон діятиме додаткове механічне зусилля F = E*q. Розглядаючи електрон як матеріальну частку, що володіє масою й не зустрічає перешкод своєму рухові у вигляді тертя навколишнього середовища, можна сказати, що електрон одержує постійне прискорення переважно в напрямку поля:

a =F/m =E (e/m). (1.9)

Через час t з моменту початку руху складова швидкості електрона, обумовлена зовнішнім електричним полем, досягне значення

Vд = a*t = E*(e/m)*t. (1.10)

Повна швидкість електрона буде дорівнювати геометричній сумі швидкості дрейфу Vд і швидкості теплового руху Vт . Швидкість дрейфу електрона не може зростати під дією електричного поля безмежно, тому що електрон буде випробовувати зіткнення з атомами решітки і атомами домішок. Після кожного такого зіткнення швидкість електрона падатиме до нуля, а потім збільшуватися з тим же прискоренням.



Рис.1.1 - Залежність середньої швидкості дрейфу електрона від часу.

Найбільше значення Vд електрона матиме наприкінці кожного періоду, що має тривалість ? - час вільного пробігу.

Vд max = E (e/m) ? . (1.11)

Відповідно середня швидкість Vд дорівнює

(1.12)

Середнє значення ? для всіх електронів можна визначити приблизно, полягая відповідно до електронної теорії металів, що швидкість теплового руху значно більше, ніж швидкість дрейфу Vт >> Vд . Тоді

, (1.13)

де l – середня довжина вільного пробігу електрона; Vт – середня швидкість теплового руху електронів.

Таким чином, середнє значення швидкості дрейфу електрона для всіх електронів у будь-який момент часу можна подати у вигляді

(1.14 )

Завдяки наявності складові швидкості дрейфу й теплової швидкості створюється впорядкований рух зарядів у напрямку градієнта електричного поля, тобто через метал протікає електричний струм. Питому провідність металу можна визначити за формулою (1.6), підставляючи замість q заряд електрона, а замість значення Vд середнє значення швидкості дрейфу з формули (1.14):

(1.15 )

Відзначимо, що величина напруженості електричного поля в дану формулу не входить, що відповідає незалежність опору металевого провідника від прикладеної до даного провідника напруги (відповідно до закону Ома).

Важливе значення має характер залежності питомого опору металів від температури. Припускаючи, що кінематична енергія теплового руху вільних електронів підкоряється тим же закономірностям, що й теплова енергія молекул ідеального газу, запишемо :

, ( 1.16 )

де k - постійна Больцмана.

Визначимо Vт з (1.16) і, підставивши в (1.3), матимемо

(1.17 )

З отриманих формул можна зробити висновок, що при збільшенні температури питомий опір металу повинен дещо зростати. Пояснюється це тим, що при підвищенні температури посилюються коливання вузлів кристалічних решіток, зменшується довжина вільного пробігу електронів і, як наслідок, зростає опір. Таким чином, температурний коефіцієнт питомого опору є величиною позитивною.

( 1.18 )

Відповідно до класичної електронної теорії Друде - Лоренца, значення температурного коефіцієнта питомого опору чистих металів у твердому стані повинне бути близьким до температурного коефіцієнта розширення ідеального газу, тобто .

Для практичних розрахунків використовуємо формулу

, ( 1.19 )

де - середнє значення температурного коефіцієнта питомого опору металу в діапазоні температур від Т1 до Т2.

При плавленні у більшості металів спостерігається різке збільшення питомого опору (рис.1.2).



Cu



Tпл Т



Рис 1.2 - Графік залежності для міді.

Однак існують метали, в яких питомий опір при плавленні зменшується. Збільшення питомого опору спостерігається в тих металів, у яких при плавленні збільшується об’єм, тобто зменшується щільність. У металів, що зменшують свій об’єм при плавленні, питомий опір зменшується. Прикладом таких металів є: вісмут зменшується на 54%; галій – на 53%; сурма - на 28-29%.

Домішки до чистих металів, а також порушення їхньої структури, як правило, приводять до збільшення питомого опору.

Якщо при сплавленні двох металів відбувається утворення твердого розчину, тобто, при затвердінні вони спільно кристалізуються і атоми одного металу входять у кристалічні решітки другого, то відбувається істотне збільшення питомого опору:

TK?



ТК?

0 100% Ni

100% 0 Cu

Рис 1.3 - Графік залежності і ТК залежно від процентного вмісту

компонентів

Перекручування кристалічних решіток, що викликаються механічними деформаціями, як і домішки, приводять до зростання питомого опору. При відпалюванні металу спостерігається зменшення питомого опору.

Велике практичне значення має теплопровідність металів, що в основному визначається тими ж вільними електронами, які викликають електропровідність. Коефіцієнт теплопровідності металів значно вище, ніж у діелектриків, що обумовлено більшою кількістю вільних електронів в одиниці об'єму. За інших рівних умов, чим більше питома провідність металу, тим більше повинен бути коефіцієнт теплопровідності. Відповідно до закону Відемана - Франца- Лоренца

(1.20 )

де L0 – число Лоренца;

Для більшості металів даний закон справедливий в області нормальних або дещо підвищених температур.

Важливою властивістю металів є контактна різниця потенціалів. Обумовлена вона різним значенням роботи виходу електронів з різних металів, а також різною концентрацією електронів у них.



Рис.1.4 - Схема термопари

Якщо температура кінців термопари однакова, то різниця потенціалів замкнутого ланцюга дорівнює нулю. Коли один спай має температуру Т1, а другий Т2 між ними виникає термо-е.р.с.:

(1.21 )

де noa і nob --відповідно концентрації електронів у металі А и В; k - постійна Больцмана; - постійний для даної пари коефіцієнт термо-е.р.с.

Температурний коефіцієнт лінійного розширення провідників визначається за формулою

(1.22)

Цей коефіцієнт необхідно враховувати не тільки при розгляді роботи різних сполучених матеріалів у тій чи іншій конструкції, тому що можливе її механічне руйнування при зміні температури (розтріскування скла, кераміки), але й при розрахунку температурного коефіцієнта електричного опору

(1.23)

Для чистих металів, як правило, << , тому значенням можна знехтувати й вважати . Але для сплавів значенням зневажати не можна. При підвищенні температури значення в металів, як правило, зростає.

Розглянемо, як можуть змінюватися геометричні розміри провідникового матеріалу при зміні температури на наступному прикладі. Необхідно визначити температурний коефіцієнт лінійного розширення і подовження ніхромового дроту, якщо відомо, що при підвищенні температури від 20 до 1000оС електричний опір дроту змінюється від 50 до 56,6 Ом. Довжина дроту в холодному стані l = 50 м. Температурний коефіцієнт питомого опору ніхрому приймаємо рівним 15* 10-5 К-1.

Температурний коефіцієнт опору дроту знаходимо за формулою



Тоді



Звідси




^ 1.3. Провідникові матеріали

Вимоги, пропоновані до провідникових матеріалів:

  • висока питома провідність;

  • задовільні механічні властивості як при обробці, так і при експлуатації;

  • легко й надійно паятися, зварюватися і т.д.;

  • бути доступними на вітчизняному ринку;

  • мати низьку вартість.

Практичне застосування як провідникові матеріали одержали мідь і алюміній.

За хімічним складом мідь підрозділяється на кілька марок: М1, М00к, М0к, М0ку, М00б, М0б, М1б, М1у, М1к, М1ф, М1р. Цифри 00, 0, і 1 показують вміст міді, букви к, ку позначають катодну мідь, б - безкисневу, у - катодну переплавлену, р, ф - розкислену.

Значення міді в цих марках становить від 99,9 до 99,99%. Максимальне значення міді містять марки М00к і М00б. Як провідникові матеріали використовують мідь М1 і М0. Найбільш шкідливою домішкою в міді є кисень. При підвищенні його вмісту істотно погіршуються механічні й технологічні властивості міді. Проявляється так звана "воднева хвороба" міді. У процесі одержання міді її віджигають у захисній атмосфері. Якщо ця атмосфера містить водень або вуглеводи, то вони при високій температурі здатні проникати в мідь, де з'єднуються з киснем, у результаті чого утворяться молекули води. Тиск пару, що утвориться при нагріванні води, приводить до утворення мікротріщин. Мідь, що містить більше 0,1% кисню, стає ослабленою і легко ламається. Кращими механічними властивостями володіє мідь марки М0 (99,95%Сu), у тому числі не більше 0,02% кисню.

За механічними характеристиками розрізняють мідь марок МТ і ММ.

Мідь МТ (твердотягнуту) одержують методом холодного протягання. Завдяки впливу наклепу вона має високу межу міцності при розтягуванні й мале відносне подовження, а також твердість і пружність.

Мідь ММ (м'яка відпалена) має малу твердість, невелику міцність і значне подовження при розриві.

Помітний вплив на механічні й електричні характеристики міді має температура. При нагріванні вище 200оС у результаті процесу рекристалізації механічні й електричні характеристики міді погіршуються. Крім того, питома провідність міді істотно залежить від наявності домішок. Так при вмісті в міді 0,5% домішок Zn, Cd, або Ag її питома провідність зменшується на 5%.

До недоліків міді варто також віднести її схильність до атмосферної корозії з утворенням окисних і сульфідних плівок. Швидкість окислювання зростає при нагріванні, але міцність зчеплення окисної плівки з металом не велика. Внаслідок окислювання мідь не придатна для слабкострумових контактів, тому що металеве відшаровування і термічне розкладання викликає підвищене зношування мідних контактів при великих струмах.

Механічні й електричні характеристики провідникової міді визначають області її застосування.

М'яка мідь, питомий опір якої при 20 оС не повинен перевищувати 0,017241 мкОм*м. у вигляді дротів різного перерізу й форми, як правило, застосовується для виготовлення струмопровідних жил кабелів, обмотувальних і монтажних проводів, екранів силових кабелів, обмоток трансформаторів і т.д.

Тверда (холоднокатана) мідь, питомий опір якої має бути не більше 0,0180 мкОм*м, застосовується в основному там, де необхідно забезпечити високу механічну міцність, твердість, пружність і опірність стираючим навантаженням. Такі вимоги пред'являються до міді при виготовленні контактних проводів, шин розподільних пристроїв, колекторних пластин електричних машин і т.д.
  1   2   3   4   5   6

Схожі:

Міністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства електротехнічні матеріали. Провідникові, магнітні й напівпровідникові матеріали iconМіністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства
«Електротехнічні матеріали» (для слухачів другої вищої зі спеціальностей „Електротехнічні системи електроспоживання" та „Електричний...
Міністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства електротехнічні матеріали. Провідникові, магнітні й напівпровідникові матеріали iconМіністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства бухарін С. Л. Програма та робоча програма навчальної дисципліни світлотехнічні матеріали
«Світлотехнічні матеріали» (для студентів 2,3 курсів денної І заочної форм навчання освітньо-кваліфікаційного рівня бакалавр за напрямом...
Міністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства електротехнічні матеріали. Провідникові, магнітні й напівпровідникові матеріали iconМіністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства
Електротехніка та електротехнології зі спеціальності „Електротехнічні системи електроспоживання”
Міністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства електротехнічні матеріали. Провідникові, магнітні й напівпровідникові матеріали iconМіністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства
Електротехніка та електротехнології зі спеціальності „Електротехнічні системи електроспоживання”
Міністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства електротехнічні матеріали. Провідникові, магнітні й напівпровідникові матеріали iconМіністерство освіти І науки України Харківська національна академія міського господарства В. В. Масловський Програма та робоча програма навчальної дисципліни «Спецкурс за напрямом профілізації»
Міністерство освіти І науки України Харківська національна академія міського господарства
Міністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства електротехнічні матеріали. Провідникові, магнітні й напівпровідникові матеріали iconМіністерство освіти І науки України Харківська національна академія міського господарства В. В. Масловський Програма та робоча програма навчальної дисципліни «Спецкурс за напрямом спеціалізації»
Міністерство освіти І науки України Харківська національна академія міського господарства
Міністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства електротехнічні матеріали. Провідникові, магнітні й напівпровідникові матеріали iconМіністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства
Електротехніка та електротехнології" (0906 "Електротехніка") зі „Електротехнічні системи електроспоживання)
Міністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства електротехнічні матеріали. Провідникові, магнітні й напівпровідникові матеріали iconМіністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства
Електротехніка та електротехнології" (0906 "Електротехніка") зі спеціальності „Електротехнічні системи електроспоживання”)
Міністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства електротехнічні матеріали. Провідникові, магнітні й напівпровідникові матеріали iconМіністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства
Електротехніка та електротехнології" (0906 "Електротехніка") зі спеціальності „Електротехнічні системи електроспоживання”
Міністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства електротехнічні матеріали. Провідникові, магнітні й напівпровідникові матеріали iconМіністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства
Електротехніка та електротехнології" (0906 "Електротехніка") зі спеціальності „Електротехнічні системи електроспоживання”)
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи