|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Нижнекамский химико-технологический институт (филиал)Стр 1 из 20Следующая ⇒
Нижнекамский химико-технологический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Казанский национальный исследовательский
А.М. Абдуллин
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Нижнекамск 2016 УДК 53 А 13
Печатается по решению редакционно-издательского совета НХТИ ФГБОУ ВО «КНИТУ»
Рецензенты: Ганиев Р.Н., кандидат технических наук, доцент; Галлямов Р.Ф., кандидат технических наук.
Абдуллин, А.М. А 13 Электротехническое материаловедение: учебное пособие / А.М.Абдуллин. – Нижнекамск: НХТИ ФГБОУ ВО «КНИТУ», 2016. – 119 с.
Изложены основы строения материалов и физики явлений, происходящих в проводниковых, полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалах, а так же их электрические и магнитные свойства. Предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Электроэнергетика и электротехника».
УДК 53
© Абдуллин А.М., 2016 © НХТИ ФГБОУ ВО «КНИТУ», 2016
ВВЕДЕНИЕ
Электротехнический материал – любой материал в производстве электротехнических изделий, имеющий специальные свойства по отношению к электромагнитному полю. Наука об электроматериалах изучает свойства, состав и структуру этих веществ для прогнозирования их электрических и магнитных характеристик и синтезирования материалов с заранее заданными свойствами. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА. Согласно атомно-молекулярной теории все известные вещества состоят из молекул (атомов). Атомные ядра комплектуются из протонов, имеющих положительный заряд, и нейтронов, электроны определенным образом располагаются вокруг ядра атома. В квантовой механике движение электрона описывается волновой функцией, так что заряд электрона внутри атома диффузно распределен, и может образовать так называемое электронное облако довольно причудливых форм. В веществах объединение нескольких атомов в молекулу достигается за счет электронов, становящихся общими для этих атомов. При этом плотность электронного облака между положительно заряженными ядрами становится наибольшей, что связывает их в молекулу – это ковалентная связь. В соответствии с симметричным и асимметричным строением молекулы с ковалентной связью могут быть нейтральные (рис. 0.1) и полярные (дипольные) (рис. 0.2). Если центры положительных и отрицательных зарядов совпадают, то молекулы нейтральные. Если центры зарядов не совпадают и находятся на некотором
Ионная связь определяется силами притяжения между положительными и отрицательными ионами. Твердые тела ионной структуры характеризуются повышенной механической прочностью и относительно высокой температурой плавления. Таковыми являются коллоидные соли щелочных металлов. В структуре хлорного натрия плотная упаковка ионов (рис. 0.3), а у хлорного цезия – неплотная упаковка (рис. 0.4).
Наиболее слабой связью является дисперсионная связь или связь Ван-дер-Ваальса. Это – вещества, имеющие низкую температуру плавления, с непрочной кристаллической молекулярной решеткой. По зонной теории строения вещества все тела, в зависимости от их электрических свойств, могут быть отнесены к группе диэлектриков, полупроводников и проводников. В твердых кристаллических телах энергетические уровни электронов в атомах группируются в так называемые зоны: зону проводимости, запрещенную зону и валентную зону (рис. 3.1). Для полупроводников характерна узкая запрещенная зона, а у проводников запрещенная зона отсутствует, поэтому электроны в металлах свободны и могут переходить с уровня валентной зоны на незанятые уровни зоны проводимости под влиянием слабых напряженностей приложенного к проводнику электрического поля. Диэлектрики по агрегатному состоянию делятся на газообразные, жидкие и твердые, которые могут быть природными и синтетическими, а также органическими и неорганическими. По размерам молекул: низкомолекулярные и высокомолекулярные, по форме молекул и поведению при изменении температуры: термопластические и термореактивные, по электрическим свойствам классифицируются на полярные и неполярные. Из-за широкой запрещенной зоны отсутствует электронная электропроводность. Проводники могут быть классическими, криопроводниками и сверхпроводниками, в которых система кристаллической решетки состоит из узлов с положительными ионами, находящихся в среде свободных электронов. Последние определяют высокую электропроводность и теплопроводность проводников. Полупроводники классифицируются по химическому строению: одноэлементные (простые) и химические соединения (сложные), причем последние по количеству составляющих могут быть: двухэлементные (бинарные), трехэлементные и многоэлементные. Полупроводники делятся на органические и неорганические, по характеру электропроводности – электронные и «дырочные»; по структуре – кристаллические и аморфные. Магнитные материалы по своим физическим свойствам делятся на ферромагниты и ферримагниты (ферриты), по применению – магнитотвердые и магнитомягкие. К слабомагнитным материалам относятся диамагнетики с относительной магнитной проницаемостью m< 1 и парамагнетики с m> 1. Ферромагниты и ферримагниты составляют группу сильномагнитных материалов с высокой магнитной проницаемостью m, которая зависит от напряженности магнитного поля и температуры.
ДИЭЛЕКТРИКИ Поляризация диэлектриков Диэлектрик – вещество, основным свойством которого является способность поляризоваться в электрическом поле. Диэлектрические материалы – это материалы, предназначенные для использования их диэлектрических свойств. Процесс поляризации заключается в изменении расположения в пространстве заряженных частиц диэлектрика под действием приложенного электрического напряжения. После снятия электрического поля частицы возвращаются в исходное положение. При приложении электрического поля диэлектрик приобретает наведенный электрический момент, и в конденсаторе, образованном диэлектриком и электродами, образуется электрический заряд где С – электрическая емкость конденсатора; U – приложенное напряжение. Энергия электрического поля, запасенная на участке изоляции, определяется по формуле:
При приложении к диэлектрику переменного синусоидального напряжения через участок изоляции емкостью С проходит емкостной ток:
где ω – угловая частота, f – линейная частота. При параллельном включении конденсаторов их результирующая емкость равна сумме емкостей каждого отдельного конденсатора, а при последовательном их соединении результирующая емкость определяется по формуле:
При последовательном соединении результирующая емкость меньше, чем емкость каждого отдельного конденсатора, а при параллельном включении будет больше, чем емкость каждого отдельного конденсатора или равна их сумме. Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных моментов молекул в электрическом поле. Под влиянием электрического поля заряды диэлектрика смещаются по направлению действующих сил в зависимости от величины напряженности электрического поля. При выключении электрического поля заряды возвращаются в прежнее положение. Различают два вида поляризации. 1) Поляризация мгновенная, вполне упругая, без рассеяния энергии, т.е. без выделения тепла, за время 10-15 – 10-13 с. 2 ) Релаксационная поляризация, которая нарастает или убывает замедленно за время от 10-8 до 102 с и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. выделением тепла. К первому виду относятся электронная и ионная поляризации. Ионная поляризация характерна для твердых тел с ионным строением и обусловлена смещением упруго связанных ионов в узлах кристаллической решетки за время 10-13 с. С повышением температуры в результате ослабления упругих сил между ионами смещение усиливается. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ионных диэлектриков оказывается положительным. Дипольно-релаксационная поляризация связана с тепловым движением полярных молекул диэлектрика. Поворот дипольных моментов молекул в направлении электрического поля требует преодоления некоторого сопротивления, следовательно, сопровождается выделения энергии в виде тепла. Время релаксации составляет величину порядка 10-8 – 10-6 с. Время релаксации – это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных электрическим полем диполей после снятия электрического поля уменьшается вследствие теплового движения в 2, 7 раза от первоначального значения. Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых веществах с неплотной упаковкой ионов. Слабосвязанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля вследствие хаотических тепловых движений получают избыточные смещения в направлении силовых линии поля. После снятия электрического поля ориентация ионов ослабевает по экспоненциальному закону в течение 10-6 – 10-4 с. Время релаксации определяется по формуле: где Электронно-релаксационная поляризация возникает за счет возбужденных тепловым движением избыточных, дефектных электронов или «дырок» за время 10-8 – 10-6 с. Она характерна для диэлектриков с высокими показателями преломления, большим внутренним электрическим полем и электронной электропроводностью. Например, двуокись титана, ряд химических соединений на основе окислов металлов переменной валентности – титана, ниобия, висмута. Диэлектрическая проницаемость e для титаносодержащей керамики уменьшается с возрастанием частоты. При этой поляризации имеет место высокая диэлектрическая проницаемость и при отрицательных температурах наличие максимума в температурной зависимости e. Структурная поляризация: 1) Миграционная поляризация протекает в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях, слоях, границ раздела или наличии примесей за время порядка 102 с. Эта поляризация проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеянием энергии. Причинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических, сложных диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т.д. На границах раздела между слоями в диэлектрике идет накопление зарядов медленно движущихся ионов – это эффект межслоевой или структурной высоковольтной поляризации. 2) Спонтанная или самопроизвольная поляризация наблюдается только у группы твердых диэлектриков, имеющих доменную структуру. Домены представляют собой макроскопические самопроизвольно поляризованные области, которые возникают под влиянием внутренних процессов в диэлектрике. Такие вещества имеют структуру, подобную сегнетову солю
Виды диэлектрических потерь
1) диэлектрические потери, обусловленные всеми видами замедленной поляризации в диэлектриках; 2) потери от сквозной электропроводности; 3) ионизационные потери; 4) потери, вызванные неоднородностью структуры. Таким образом, три физических явления вызывают диэлектрические потери или нагрев диэлектрика: поляризация, электропроводность и ионизация. Поляризация обусловливает изменение угла диэлектрических потерь В сегнетоэлектриках до точки Кюри домены успевают смещаться вслед за изменением электрического поля, поэтому наблюдаются значительными потери от спонтанной поляризации. За пределами точки Кюри потери уменьшаются. В радиотехнических материалах при световых частотах проявляются резонансные потери. Это наблюдается в газах, когда идет интенсивное поглощение энергии электрического поля, и в твердых диэлектриках, когда частота вынужденных колебаний, вызванных электрическим полем, совпадает с частотой собственных колебаний молекул вещества. Диэлектрические потери от электропроводности находятся в зависимости от объемной или поверхностной удельной проводимости вещества. Тангенс угла диэлектрических потерь определяется по формуле: Ионизационные потери характерны для газообразных и неоднородных твердых диэлектриков с газовым включением. В неоднородном электрическом поле при напряженностях, превышающих значение, соответствующее началу ионизации газа, диэлектрические потери определяются по формуле: где А1 – постоянный коэффициент, зависящий от вида материала; U – приложенное напряжение; Диэлектрические потери, связанные с неоднородностью структуры диэлектриков, наблюдаются во многих технических диэлектриках – слоистых пластиках, пропитанных бумагах, пластических массах с наполнителями, в керамике, материалах на основе слюды, асбестовых материалах и т.д. Ввиду большого разнообразия структуры неоднородных диэлектриков и содержащихся в них составляющих, общей формулы для расчета их диэлектрических потерь не существует. Возможная оценка диэлектрических потерь в композиционных материалах связана с выделением тепла из-за электропроводности, поляризации или ионизации, а то и всех трех явлений одновременно. Это обусловлено примесями или отдельными компонентами, введенными в диэлектрик для изменения его свойств.
ПРОВОДНИКИ Классификация проводников Проводники делятся на две большие группы по механизму прохождения электрического тока. Если ток обусловлен дрейфом свободных электронов под действием электрического поля, то такие проводники называются проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода. Проводниками второго рода являются электролиты, прохождение тока через которые обусловлено ионной электропроводностью, а она, как известно, связана с переносом вещества в соответствии с законами Фарадея. Поэтому состав электролита постепенно меняется, а на электродах выделяются продукты электролиза. Проводники с электронной электропроводностью – это металлы и сплавы металлов. Металлические проводники классифицируют по следующим признакам: 1) по составу (чистые металлы и сплавы); 2) по значению электропроводимости (проводники высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление при 200С не более 3) по положению в периодической системе элементов Д.И. Менделеева (щелочные и щелочноземельные металлы, благородные и другие); 4) по особенностям строения электронных оболочек: нормальные и переходные металлы. К первой группе относятся металлы, используемые для изготовления проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов. Ко второй группе принадлежат элементы 5 группы периодической системы элементов (висмут, сурьма, мышьяк), которые плохо проводят ток (их даже иногда называют полуметаллами). К этой же группе относятся металлы и сплавы высокого сопротивления, широко применяемые для изготовления резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т.д. Третья группа включает щелочные и щелочноземельные металлы (натрий, калий, магний и другие), благородные металлы и другие. Четвертая группа. По мере увеличения порядкового номера химических элементов в периодической системе происходит заполнение электронных оболочек в последовательности, определяемой квантовомеханической теорией. Однако при некоторых порядковых номерах энергии двух соседних оболочек оказываются очень близки, благодаря чему сначала заполняется не очередная, а последующая оболочка. Элементы с таким «сбоем» называются переходными. Они образуют в таблице Менделеева несколько рядов: от скандия до никеля, иттрий – палладий, лантан – платина, а также редкоземельные металлы (от церия до лютеция). Остальные металлы называются нормальными. Все газы и пары, в том числе пары металлов, при малых напряженностях поля не являются проводниками. Однако если напряженность поля превысит некоторое критическое значение, при котором начинается фотонная и ударная ионизация, то газ становится проводником с электронной и ионной электропроводностью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительных ионов в единице объема оказывается особой проводящей средой, так называемой плазмой.
Электропроводность металлов При воздействии на металл электрического поля или при наличии разности температур в нем возникают потоки заряженных частиц и энергии. Явления возникновения этих потоков или токов принято называть кинетическими эффектами или явлениями переноса. В таком случае ток или поток энергии пропорционален разности потенциалов (или разности температур), а коэффициент пропорциональности определяется только геометрическими размерами проводника и физическими свойствами самого металла. Этот так называемый кинетический коэффициент зависит от геометрических размеров проводника, свойств данного металла и является его фундаментальной физической характеристикой. При нахождении проводника в переменном поле возникающие в нем токи зависят не только от геометрических размеров и кинетического коэффициента, но и от частоты переменного поля, взаимного расположения элементов электрической цепи. Сопротивление проводника при переменном токе существенно зависит от его частоты. При достаточно высоких частотах переменный ток вытесняется на поверхность проводника. Это явление называется скин-эффектом. Из многих возможных кинетических явлений наиболее известны два: электропроводность – способность вещества проводить электрический ток под действием электрического поля, и теплопроводность – способность вещества проводить тепло при наличии разности температур. Оба эти явления количественно описываются законами Ома и Фурье соответственно:
Здесь q – плотность теплового потока; Δ Т – разность температур; λ – коэффициент теплопроводности; γ – кинетический коэффициент электрической проводимости; Е – напряженность электрического поля; J – плотность тока. Металлы обычно характеризуются как вещества пластичные с характерным «металлическим» блеском, хорошо проводящие электрический ток и теплоту. Для металлов так же характерно низкое значение удельного сопротивления при нормальной температуре, значительный рост сопротивления при повышении температуры, достаточно близкий к прямой пропорциональности. При понижении температуры до значений, близких к абсолютному нулю, сопротивление металлов уменьшается и может составить для наиболее чистых металлов 0, 001 или даже меньшую долю сопротивления при нормальных условиях. На основе классической электронной теории металлов лежит представление об электронном газе, состоящем из свободных (коллективизированных) электронов. Электронному газу приписываются свойства идеального газа, т. е. движение электронов подчиняется законам классической статистики. В соответствии с атомно-кинетической теорией идеальных газов средняя кинетическая энергия электронов, находящихся в состоянии непрерывного хаотического движения, линейно возрастает с температурой:
где Под действием внешнего электрического поля электроны получают некоторую добавочную скорость направленного движения, благодаря чему и возникает электрический ток. Плотность тока в проводнике определяется выражением:
где В промежутках между столкновениями с узлами кристаллической решетки электроны под действием электрического поля двигаются с ускорением
Максимальная скорость дрейфа, приобретаемая электроном к концу свободного пробега:
где После столкновения для большинства электронов скорость направленного движения падает до нуля, т. е. накопленная кинетическая энергия передается атомам решетки. Поэтому среднее значение скорости дрейфа за время свободного пробега равно половине максимального:
Поскольку
где Подстановка полученных соотношений в формулу для плотности тока приводит к следующему результату:
т.е. плотность тока пропорциональна напряженности электрического поля, а это есть аналитическое выражение закона Ома. Вывод этой формулы нельзя считать строгим, так как принималось во внимание движение лишь одного электрона, а выводы распространялись на все свободные электроны. Более правильным было бы рассмотреть действие электрического поля на всю совокупность свободных электронов, у которых суммарный импульс изменяется как под действием поля, так и при соударениях с узлами кристаллической решетки. Такой анализ приводит к тому, что средняя дрейфовая скорость электронов оказывается вдвое больше. С учетом этой поправки выражение для удельной электропроводимости принимает следующий вид:
Представления о свободных электронах позволяют легко прийти к экспериментальному закону Видемана-Франца, устанавливающему связь между электропроводимостью и теплопроводностью металла. Электроны в металле переносят не только электрический заряд, но и выравнивают в нем температуру, обеспечивая высокую теплопроводность. Благодаря высокой концентрации свободных электронов, электронная теплопроводность преобладает над другими механизмами переноса теплоты. В соответствии с атомно-кинетической теорией идеального газа электронная теплопроводность может быть записана в виде:
Поделив выражение (2.2.10) на удельную проводимость, найденную из (2.2.9), с учетом формулы (2.2.2) получим:
т. е. отношение удельной теплопроводности к удельной электропроводимости металла при данной температуре есть величина постоянная, не зависящая от природы проводника. Отсюда, в частности, следует, что хорошие проводники электрического тока являются и хорошими проводниками теплоты. Константа Квантовая статистика электронов в металле базируется на принципе Паули, согласно которому в каждом энергетическом состоянии могут находиться два электрона с противоположными спинами. Отсюда сразу вытекает различие классического и квантового распределений электронов по энергиям. С классической точки зрения энергия всех электронов при температуре абсолютного нуля должна равняться нулю. А по принципу Паули даже при абсолютном нуле число электронов на каждом уровне не может превышать двух. И если общее число свободных электронов в кристалле равно N, то при температуре 0К они займут Максимальное значение энергии При изменении температуры энергия Ферми Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов выражается формулой:
В технических справочниках обычно приводится величина
где r1 – удельное сопротивление проводника при температуре Т1. Это выражение дает точное значение удельного сопротивления Удельное сопротивление сплавов всегда больше, чем у чистых металлов. Особенно это заметно, если при сплавлении они образуют твердый раствор, т.е. совместно кристаллизуются при затвердевании и атомы одного металла входят в решетку другого. Если сплав двух металлов создает раздельную кристаллизацию и застывший раствор – смесь кристаллов каждой из составляющих, то зависимость удельной проводимости такого сплава от состава, т.е. от содержания каждого из металлов, имеет линейный характер. В твердых же растворах эта зависимость не линейна и имеет максимум, соответствующий определенному соотношению компонентов сплава.
Термо э.д.с. проводников Термоэлектрическое явление ( эффект Зеебека ) состоит в том, что в замкнутой электрической цепи, составленной проводниками из разных материалов с разными температурами контактов, возникает электродвижущая сила. Такую э.д.с. называют термоэлектродвижущей силой. В отсутствие электрического поля электроны совершают внутри металла беспорядочное движение с большими скоростями, какая-то часть электронов вылетает из металла и возвращается обратно. В результате вблизи поверхности металла создается отрицательно заряженное электронное облако, а тонкий слой поверхности металла, обедненный электронами, заряжается положительно. На границе металла образуется двойной электрический слой толщиной порядка нескольких межатомных расстояний. Этот слой подобен очень тонкому конденсатору, разность потенциалов между его «обкладками» где е – элементарный заряд. Работа выхода зависит от химической природы металла и от состояния его поверхности. Для разных металлов она различна, численные значения работы выхода находятся в пределах Если привести в контакт два металлических проводника с разными значениями работы выхода, то часть электронов перейдет в проводник с большей работой выхода. Вследствие этого между этими проводниками возникает контактная разность потенциалов:
где Второй причиной возникновения контактной разности потенциалов является различие концентраций свободных электронов в металлах. В области контакта происходит диффузия электронов из проводника с большей концентрацией в проводник с меньшей концентрацией. Образуется двойной электрический слой и соответствующий ему скачок потенциала. Эта часть контактной разности потенциалов зависит от температуры контакта, что является причиной возникновения термоэлектрических явлений. Она рассчитывается по формуле
где k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура контакта, Если составить замкнутую цепь из двух разных проводников, то при условии, что температуры спаев одинаковы, контактные разности потенциалов в спаях равны по величине и противоположны по знаку. Суммарная термоэ.д.с. в такой цепи равна нулю. Если же один из спаев нагреть, а другой оставить холодным, то в цепи возникает отличная от нуля термоэ.д.с., пропорциональная разности температур контактов:
Коэффициент
называется удельной термоэ.д.с. Удельная термоэ.д.с. численно равна разности потенциалов, возникающей между контактами при разности температур между ними 10С. Коэффициент На практике выражение (2.3.4) не всегда соблюдается, и зависимость термоэ.д.с. от температуры может быть нелинейной. Цепь, составленная из двух изолированных металлических проводов, изготовленных из разных металлов или сплавов, называется термопарой и используется для измерения температуры. В термопарах применяют материалы, имеющие большую и стабильную удельную термоэ.д.с. Для измерения высоких температур в агрессивных средах могут быть использованы термопары с небольшой удельной термоэ.д.с., но выдерживающие высокие температуры и не окисляющиеся в агрессивных средах. Во многих случаях термопары защищают металлическими или керамическими кожухами. Катушки измерительных приборов, добавочные резисторы и шунты в них подбирают с минимальной удельной термоэ.д.с. относительно меди, чтобы избежать появления паразитных термоэ.д.с., которые могут вызвать дополнительные погрешности измерения. Сплавы для термопар имеют различные сочетания, в том числе один электрод может быть из чистого металла. Наиболее распространенными являются никелевые и медно-никелевые сплавы. Для температур в пределах 1000 – 1200 0С используются термопары хромель – алюмель (ТХА), при более высоких температурах применяются термопары платина – платинородий; в этих сплавах содержание родия от 6, 7 до 40, 5%. Такие термопары имеют марки ПлРд-7, ПлРд-10, ПлРд-30, ПлРд-40.
Параметры сверхпроводников
Помимо сверхпроводимости в современной электротехнике используется криопроводимость, т.е. работа металла при криогенных температурах, когда удельное сопротивление становится очень мало, но является конечной величиной. Металлы, обладающие таким свойством, но без перехода в сверхпроводящее состояние, называются криопроводниками. Для получения качественных криопроводников требуется высокая чистота металла. Как правило, используются металлы, имеющие при криогенных температурах (которые выше температур сверхпроводимости) наименьшее удельное сопротивление. К ним относятся: при температуре жидкого водорода – алюминий, а при температуре жидкого азота – бериллий.
Припои, флюсы и контактолы Припои, флюсы, контактолы применяются для создания механически прочного, герметичного шва или постоянного электрического контакта с малым переходным сопротивлением. При пайке припои нагреваются до температуры плавления, в зависимости от которой их принято делить на две группы – мягкие и твердые. К мягким припоям относятся припои с температурой плавления до 3000С, а к твердым – выше 300 0С. Мягкие припои в основном являются оловянно-свинцовыми согласно ГОСТ 21931-76. Если в припое содержится 1-5 % сурьмы, то они называются сурьмянистыми. Наиболее распространенными из мягких припоев являются: ПОС-61, в котором 61% олова Sn, остальное – свинец (температура кристаллизации 1900С, удельное сопротивление ρ = 0, 139 Стандартными твердыми припоями являются медно-цинковые и серебряные. Первые должны удовлетворять ГОСТ 23137-78, а вторые - ГОСТ 19738-74. Наиболее распространенными из них являются следующие: ПМЦ-36 – припой медно-цинковый, содержащий 36% меди, остальное - цинк (температура кристаллизации 9500С, r = 0, 140 Для пайки алюминия применяют специальные припои. Из них наиболее распространен П425А (температура плавления 415 - 4250С), в составе которого 19 - 21% Мr, 14 - 16% Сu, 64 - 66% Zn. В качестве флюсов используется очень большое количество материалов. Назначение флюсов – удалять загрязнение и оксиды с поверхности спаиваемых металлов, уменьшать поверхностное натяжение расплавленного припоя, защищать поверхность металла и припоя в процессе пайки от окисления. Флюсы подразделяются на несколько групп по различным признакам. К активным флюсам относятся: – канифоль (24%), хлористый цинк (4%), этиловый спирт(72%) – для пайки черных, цветных и драгметаллов (остатки флюса необходимо удалять растворителем); – канифоль (16%), хлористый цинк (4%), вазелин технический (80%) – при пайке черных и цветных металлов (шов прочный, но требует очень тщательной промывки) для изделий простой конфигурации; – флюс для пайки алюминия и его сплавов (хлористый барий – 4%. хлористый калий – 29%, хлористый натрий – 19%, фтористый кальций – 4%). При пайке твердыми припоями используют обычно несколько марок флюсов. Наиболее популярные из них: Ф70А (температура плавления 3700С) предназначен для пайки алюминия, его сплавов, как между собой, так и с другими металлами (хлористый калий – 33-37%, хлористый литий – 40-41%, борофтористоводородный калий – 2 - 29 %). Ф800Ст (температура плавления 8000С) предназначен для пайки нержавеющих сталей, жаропрочных сплавов твердыми припоями (температура плавления 850 - 11000С). Контактолами называются пастообразные композиции из различных синтетических смол, используемые в качестве токопроводящих клеев и покрытий. Токопроводящим наполнителем являются мелкодисперсные порошки металлов или графита. Для регулирования вязкости используют растворители. Полимерные связующие определяют низкую плотность, высокую прочность и эластичность. Электрические свойства определяются свойствами дисперсного наполнителя – его электропроводностью, концентрацией, формой и размером частиц. Наиболее высокой проводимостью и стабильностью свойств обладают контактолы с содержанием серебра. Их используют для склеивания поверхностей серебра, меди, стекла, керамики. Если серебро предварительно обработано растворами жирных кислот, то такой клей используется для монтажа элементов радиоэлектроники, таких, как ниточные резисторы, фоторезисторы и другие элементы. Некоторые виды клея, имеющие высокую термостойкость и большой срок службы, используются в производстве керамических конденсаторов и для монтажа интегральных схем. Контактол марки К-17: наполнитель – серебро, удельное сопротивление ρ = 1-2 Контактол марки К-21: наполнитель тот же, максимальная рабочая температура 2500С.
Неметаллические проводники Неметаллические проводники, например, углеродистые материалы, широко используются в электротехнике. Из угля изготавливают электроды для прожекторов, аноды гальванических элементов, щетки электрических машин, высокоомные резисторы, разрядники для телефонных сетей, а угольные порошки используют в микрофонах и в производстве непроволочных резисторов. Щетки делают из графита, кокса, сажи, в качестве связки выступают каменноугольная и синтетические смолы. Для повышения электропроводности в щетках часто используют порошкообразные металлы, медь с добавками свинца, олова и серебра. Углеродистые материалы, кроме сажи и графита, предварительно прокаливают для удаления летучих компонентов; после смешивания с металлическим порошком и связкой прессуют заготовки и затем вырезают щетки. Для прочности щетки спекают в неокислительной атмосфере при температуре около 13000С. Заключительной операцией является пропитка щеток смолой или воском для повышения влагостойкости и снижения коэффициента трения. Повышение механической прочности щеток и увеличение электропроводности достигается за счет пропитки щеток расплавленными металлами. Основными техническими параметрами щеток являются удельное сопротивление, допустимая плотность тока, допустимая линейная скорость. Иногда учитывают также падение напряжения на щетках и удельное давление. В настоящее время различают щетки графитовые (Г), серебрянографитовые (СГ), электрографитовые (ЭГ) и меднографитовые (М и МГ) с содержанием порошка меди, характеристики которых приведены в таблице 2.2. Таблица 2.2 Примесные полупроводники Примесной – это такой полупроводник, электрофизические свойства которого в основном определяются примесями. Как правило, примеси создают дополнительные уровни в запрещенной зоне полупроводника. При малой концентрации примесей расстояние между примесными атомами велико, их электронные оболочки не взаимодействуют друг с другом. Вследствие этого примесные энергетические уровни являются дискретными, т. е. не расщепляются в зону, как это имеет место для уровней основных атомов кристаллической решетки. Если примесные атомы находятся в узлах кристаллической решетки, то их называют примесями замещения, если между узлами – примесями внедрения. Роль примесей могут играть и всевозможные дефекты структуры. К числу таких дефектов относятся, в первую очередь, вакансии и атомы между узлами. Доноры и акцепторы. При малой концентрации примесей вероятность непосредственного перехода электронов от одного примесного атома к другому ничтожно мала. Однако примеси могут либо поставлять электроны в зону проводимости полупроводника, либо принимать их с уровней валентной зоны. На рис.3.6 показаны эти два случая, имеющие наибольшее практическое значение. 1. Примесные уровни, заполненные электронами при отсутствии внешних энергетических воздействий, расположены в запрещенной зоне вблизи нижнего края («дна») зоны проводимости (рис.3.6, а). При внешнем возбуждении электроны с примесных уровней могут легко переходить в зону проводимости и участвовать в электропроводности. Энергия, необходимая для таких переходов, значительно меньше энергии ионизации собственных атомов полупроводника, т. е. ширины запрещенной зоны. Примеси, поставляющие электроны в зону проводимости полупроводника, называют донорами. При относительно невысоких температурах переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости не играют существенной роли. В таких материалах концентрация электронов превышает концентрацию дырок, вследствие чего они получили название полупроводников n -типа. Минимальную энергию, которую необходимо сообщить электрону для перевода 2. В противоположном случае примесь может внести незаполненные уровни, располагающиеся в запрещенной зоне вблизи от верхнего края («потолка») валентной зоны (рис.3.6, в). Благодаря тепловому возбуждению электроны из валентной зоны полупроводника забрасываются на эти свободные примесные уровни. Ввиду разобщенности атомов примеси, электроны, заброшенные на примесные уровни, не участвуют в электрическом токе. Полупроводник с такой примесью имеет концентрацию дырок большую, чем концентрация электронов, перешедших из валентной зоны в зону проводимости, и его называют полупроводником p -типа, а примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника – акцептором. Минимальную энергию, которую необходимо сообщить электрону валентной зоны, чтобы перевести его на акцепторный уровень, называют энергией ионизации акцептора. Рассмотрим, как влияет валентность примесных атомов замещения на характер их поведения в ковалентных полупроводниках типа кремния или германия. Предположим, что в кристаллической решетке кремния часть основных атомов замещена атомами мышьяка (элемента V группы), у которого на внешней оболочке расположены пять валентных электронов. Встраиваясь в узел решетки, атом мышьяка отдает четыре электрона на образование связей с ближайшими соседями, а пятый электрон оказывается лишним, т. е. не участвует в создании ковалентных связей. Из-за большой диэлектрической проницаемости среды (полупроводника) кулоновское притяжение этого лишнего электрона ядром в значительной мере ослаблено. Поэтому радиус электронной орбиты оказывается большим, охватывает несколько межатомных расстояний. Достаточно небольшого теплового возбуждения, чтобы оторвать избыточный электрон от примесного атома (рис.3.7). Для этого необходимо затратить энергию, равную Таким образом, примеси замещения, валентность которых превышает валентность основных атомов решетки, проявляют свойства доноров. Кроме мышьяка типичными донорами в кремнии и германии являются фосфор и сурьма. Поскольку избыточный электрон примесного атома движется по круговой орбите в кулоновском поле однократно заряженного положительного иона, донор можно рассматривать как водородоподобный атом, помещенный в среду с диэлектрической проницаемостью
где
где W0=13, 52эВ – энергия ионизации атома водорода. Для германия ε = 16, для кремния ε = 12, поэтому энергия ионизации примеси в них соответственно в 256 и 144 раз меньше энергии ионизации атома водорода. Поскольку Теперь предположим, что в кристаллическую решетку кремния введены примеси какого-нибудь трехвалентного элемента, например алюминия. Для установления химических связей с четырьмя соседними атомами решетки у примесного атома не хватает одного электрона, вследствие чего одна ковалентная связь оказывается ненасыщенной. Потребность в установлении четырех химических связей приводит к тому, что атом алюминия может захватить недостающий электрон у одного из соседних атомов кремния. В результате примесной атом превращается в отрицательно заряженный ион. Для этого надо затратить энергию, равную энергии ионизации акцепторов. Захваченный электрон локализуется на примесном атоме и не принимает участия в Таким образом, примеси замещения, имеющие валентность меньше валентности основных атомов решетки, в ковалентных полупроводниках являются акцепторами. Помимо алюминия акцепторные свойства в кремнии и германии проявляют бор, галлий, индий. Энергия ионизации акцепторов численно близка к энергии ионизации доноров. Основные и неосновные носители заряда. Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике больше, называют основными, а носители, концентрация которых меньше, – неосновными. Так, в полупроводнике n - типа электроны являются основными носителями, а дырки – неосновными; в полупроводнике р - типа дырки – основными носителями, а электроны – неосновными. При изменении концентрации примесей в полупроводнике изменяется положение уровня Ферми и концентрация носителей заряда обоих знаков, т. е. электронов и дырок. Однако произведение концентраций электронов и дырок в невырожденном полупроводнике при заданной температуре в условиях термодинамического равновесия есть величина постоянная, не зависящая от содержания примесей. Действительно, из формул (3.2.4) и (3.2.5) находим:
где Если, например, в полупроводнике n-типа увеличить концентрацию доноров, то возрастет число электронов, переходящих в единицу времени с примесных уровней в зону проводимости. Соответственно возрастет скорость рекомбинации носителей заряда и уменьшится равновесная концентрация дырок. Выражение
называется соотношением действующих масс для носителей заряда. С его помощью всегда можно найти концентрацию неосновных носителей заряда, если известна концентрация основных. Полупроводниковые материалы
Основу современной электроники составляют неорганические кристаллические полупроводники. Полупроводниковые свойства проявляют 12 химических элементов, находящихся в средней части периодической системы Д. И. Менделеева. Значения ширины запрещенной зоны элементарных полупроводников указаны в табл. 3.1. 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. Из табл. 3.1 видно, что полупроводниковыми свойствами обладают и некоторые модификации олова и углерода. Последний существует в двух аллотропных формах: алмаз и графит. Графит по электрическим свойствам близок к проводникам ( Олово при нормальных условиях является хорошим проводником, но при температуре ниже 13, 20С оно переходит в α -модификацию (серое олово). Процесс твердофазного превращения олова протекает очень медленно, что затрудняет получение кристаллов, представляющих практический интерес. По совокупности электрофизических свойств, отработанности технологических процессов, количеству и номенклатуре выпускаемых приборов кремний и германий занимают ведущее место среди полупроводниковых материалов. Весьма обширна группа полупроводниковых неорганических соединений, которые могут состоять из двух, трех и большего числа элементов. В качестве примеров таких соединений можно привести InSb, Bi2Te3, CuAlS2 и другие. Кристаллическая структура многих соединений характеризуется тетраэдрической координацией атомов, как это имеет место в решетке алмаза. Такие полупроводниковые соединения получили название алмазоподобных полупроводников. Среди них наибольший научный и практический интерес представляют бинарные соединения, которые в настоящее время являются важнейшими материалами полупроводниковой оптоэлектроники. Большинство алмазоподобных полупроводников с родственными свойствами образуют между собой так называемые изовалентные твердые растворы. В твердых растворах путем изменения состава можно плавно и в достаточно широких пределах управлять важнейшими свойствами полупроводников, в частности, шириной запрещенной зоны и подвижностью носителей заряда. Это открывает дополнительные возможности для Таблица 3.1 Германий и кремний Германий относится к числу сильно рассеянных элементов, т. е. часто встречается в природе, но присутствует в различных минералах в очень небольших количествах. Его содержание в земной коре составляет около 0, 0007%, что примерно равно природным запасам таких распространенных металлов, как олово и свинец, и существенно превышает количество серебра, кадмия, ртути, сурьмы и ряда других элементов. Тем не менее, получение германия в элементарном виде вызывает большие затруднения. Минералы с большой концентрацией германия встречаются очень редко и не могут служить сырьем для производства полупроводников. В настоящее время основными источниками промышленного получения германия являются побочные продукты цинкового производства, коксования углей, а также германиевые концентраты, получаемые из медно-свинцовых руд. Физико-химические и электрические свойства. Чистый германий обладает металлическим блеском, характеризуется относительно высокой твердостью и хрупкостью. Подобно кремнию он кристаллизуется в структуре алмаза, элементарная ячейка которого содержит восемь атомов. Кристаллическую решетку типа решетки алмаза можно рассматривать как наложение двух кубических гранецентрированных решеток, сдвинутых друг относительно друга в направлении объемной диагонали на четверть ее длины. Каждый атом решетки находится в окружении четырех ближайших соседей, расположенных в вершинах правильного тетраэдра. Кристаллический германий химически устойчив на воздухе при комнатной температуре. При нагревании на воздухе до температур выше 6500С он окисляется с образованием двуокиси Для изготовления полупроводниковых приборов применяют германий с определенными добавками электрически активных примесей. Процесс введения примесей в основной материал называют легированием. В качестве доноров и акцепторов наиболее часто используют соответственно элементы V и III групп периодической системы. Эти примеси создают мелкие уровни в запрещенной зоне с энергией ионизации порядка 0, 01эВ. Все перечисленные элементы образуют с германием твердые растворы с весьма ограниченной растворимостью. Мелкие доноры и акцепторы при температуре выше 90К полностью ионизированы, поэтому в нормальных условиях концентрация носителей заряда в германии определяется концентрацией примеси. На рис. 3.10 приведена зависимость удельной проводимости германия n-типа от температуры при различном содержании примеси мышьяка. На рисунке видны области температур, в которых проявляются собственная и примесная электропроводность германия. При большом содержании примесей (кривая 4) получается вырожденный полупроводник. В слаболегированном германии в достаточно широком диапазоне температур наблюдается положительный температурный коэффициент удельного сопротивления, т. е. уменьшение проводимости при нагревании, что обусловлено снижением подвижности носителей заряда за счет рассеяния на тепловых колебаниях узлов решетки. Температура, при которой начинает проявляться собственная электропроводность, зависит от концентрации легирующей примеси. Так, при концентрации мелких доноров Чтобы электропроводность германия была собственной при комнатной температуре, его следует очистить до содержания примесей не более Применение германия. На основе германия выпускается широкая номенклатура приборов самого различного назначения и, в первую очередь, диодов и транзисторов. Особенно широкое распространение получили выпрямительные плоскостные диоды и сплавные биполярные транзисторы. Выпрямительные плоскостные диоды рассчитаны на прямые токи от 0, 3 до 1000А при падении напряжения не более 0, 5В. Недостатком германиевых диодов являются невысокие допустимые обратные напряжения. Германиевые транзисторы могут быть низкочастотными и высокочастотными, мощными и маломощными. Благодаря относительно высокой подвижности носителей заряда германий применяют для изготовления датчиков Холла и других магниточувствительных приборов. Оптические свойства германия позволяют использовать его для изготовления фототранзисторов и фотодиодов, оптических линз с большой светосилой (для инфракрасных лучей), оптических фильтров, модуляторов света и коротких радиоволн, а также счетчиков ядерных частиц. Рабочий температурный диапазон германиевых приборов от –600С до +700С. Невысокий верхний предел рабочей температуры является существенным недостатком германия. В противоположность германию, кремний является одним из самых распространенных элементов в земной коре, где его содержание по массе составляет около 30%. По распространенности кремний занимает среди элементов второе место после кислорода. Многочисленные соединения кремния входят в большинство горных пород и минералов. Наиболее распространенным соединением этого элемента является двуокись кремния Получение кремния. Исходным сырьем при получении кремния является природная двуокись (кремнезем), из которой кремний восстанавливают углеродсодержащим материалом в электрических печах. Физико-химические и электрические свойства. Кремний кристаллизуется в структуре алмаза с несколько меньшим, чем у германия, периодом идентичности кристаллической решетки. Меньшие, чем у германия, расстояния между атомами в решетке обусловливают более сильную ковалентную химическую связь и, как следствие этого, более широкую запрещенную зону. В химическом отношении кристаллический кремний при комнатной температуре является относительно инертным веществом. Он нерастворим в воде, не реагирует со многими кислотами в любой концентрации. Кремний устойчив на воздухе при нагревании до 9000С. Выше этой температуры он начинает интенсивно окисляться с образованием двуокиси SiO2. Кремний обладает сравнительно высокой температурой плавления и в расплавленном состоянии отличается высокой химической активностью. Поэтому возникают большие трудности с подбором тигельного материала при выращивании монокристаллов. Наиболее чистые материалы (кварц и графит), из которых обычно изготавливают лодочки и тигли, при высоких температурах взаимодействуют с кремнием. В результате реакции кремния с углеродом образуется карбид кремния SiC – очень устойчивое химическое соединение с полупроводниковыми свойствами. На рис. 3.11 показано изменение ширины запрещенной зоны кремния в зависимости от температуры. Выше температуры 250К справедливо линейное приближение:
Поведение примесей в кремнии подчиняется в основном тем же закономерностям, что и в германии. Атомы элементов III и V групп Периодической системы, являясь соответственно акцепторами и донорами, создают мелкие уровни в запрещенной зоне. Однако из-за меньшей диэлектрической проницаемости и большей эффективной массы носителей заряда энергия ионизации мелких доноров и акцепторов в кремнии существенно больше, чем в германии, и для большинства примесей составляет около 0, 05 эВ. Тем не менее, и в этом случае комнатная температура соответствует области истощения примесей. Применение кремния. Кремний является базовым материалом при изготовлении планарных транзисторов и интегральных микросхем. Освоение планарной технологии кремниевых приборов вызвало качественный скачок в полупроводниковом производстве. Полупроводниковые интегральные микросхемы, отличающиеся очень малыми размерами и сложной конфигурацией активных областей, нашли особенно широкое применение в приемно-усилительной аппаратуре и вычислительной технике. Из кремния изготавливают большинство стабилитронов и тиристоров. Кремниевые стабилитроны в зависимости от степени легирования материала имеют напряжение стабилизации от 3 до 400В. Широкое применение в технике нашли кремниевые фоточувствительные приборы, особенно фотодиоды, отличающиеся высоким быстродействием. Кремниевые фотоэлементы, служащие для преобразования солнечной энергии в электрическую, получили название солнечных батарей. Они используются в системах энергоснабжения космических аппаратов. Их коэффициент полезного действия в большинстве случаев составляет 10 – 12%. Подобно германию, кремний используется для изготовления детекторов ядерных излучений, датчиков Холла и тензодатчиков. В тензодатчиках используется сильная зависимость удельного сопротивления от механических деформаций. Благодаря тому, что кремний имеет более широкую запрещенную зону, чем германий, кремниевые приборы могут работать при более высоких температурах, чем германиевые. Верхний температурный предел работы кремниевых приборов достигает 180 – 2000С.
МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Магнитная проницаемость Магнитная индукция и напряженность поля в изотропной среде связаны простым соотношением:
где Сравнивая магнитное поле тока в проводе, расположенном в данной среде и в вакууме, установили, что в зависимости от свойств среды поле получается более интенсивным, чем в вакууме (парамагнитные материалы), или наоборот, менее интенсивным (диамагнитные материалы). Таким образом, интенсивность магнитного поля, т.е. индукция B, зависит от свойств среды, в которой создано поле. Абсолютная магнитная проницаемость вакуума называется магнитной постоянной Абсолютную магнитную проницаемость различных материалов и сред сравнивают с магнитной постоянной. Отношение абсолютной магнитной проницаемости какого-либо материала к магнитной постоянной называется магнитной проницаемостью
Магнитная проницаемость – отвлеченное число. Для диамагнитных материалов У ферромагнитных материалов, играющих важную роль в электротехнике, магнитная проницаемость достигает десятков тысяч и зависит от магнитных свойств материала, температуры, интенсивности магнитного поля, т.е. величины индукции или от величины напряженности магнитного поля. Зависимость магнитной индукции в ферромагнетике от напряженности внешнего магнитного поля называется кривой намагничивания. Кривая намагничивания и зависимость
При одновременном воздействии на магнитный материал постоянного и переменного магнитных полей вводят понятие дифференциальной проницаемости:
Увеличение индукции под действием внешнего поля (рис.4.4) обусловлено двумя причинами: смещением доменных границ и поворотом магнитных моментов доменов. Начальному участку кривой при слабом магнитном поле соответствует обратимое (упругое) смещение доменных границ. После снятия внешнего магнитного поля доменные границы возвращаются в прежнее положение, остаточная намагниченность в образце не возникает. По мере увеличения напряженности магнитного поля возрастает роль вращения доменов, когда магнитные моменты доменов поворачиваются в направлении внешнего магнитного поля. Когда магнитные моменты всех доменов ориентируются вдоль внешнего поля, наступает техническое насыщение намагниченности. Характер зависимости
Магнитный гистерезис
Рассмотрим кольцевой магнитопровод из ферромагнитного материала с проволочной обмоткой. Если электрический ток в витках обмотки отсутствует, то индукция и напряженность магнитного поля равны нулю, т.е. B=0 и H=0 (начало координат на рис. 4.6). При постепенном увеличении намагничивающего тока, следовательно, и напряженности поля от нуля до некоторого значения При изменении направления напряженности внешнего магнитного поля и при постепенном ее увеличении до значения Периодическое перемагничивание связано с затратой энергии, которая, превращаясь в тепло, вызывает нагрев магнитопровода. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, затраченной при одном цикле перемагничивания. Энергия, затраченная на процесс перемагничивания, называется потерями от гистерезиса. Мощность потерь на циклическое перемагничивание, выражаемая обычно в ваттах на килограмм, зависит от материала, максимальной магнитной индукции и числа циклов перемагничивания в секунду, т.е. от частоты перемагничивания. Циклическое перемагничивание можно применить для размагничивания магнитопровода, т.е. для уменьшения остаточной индукции до нулевого значения. С этой целью СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники / СПб.: «Лань», 2001.- 368с. 2. Агеева Н.Д., Винаковская Н.Г, Лифанов В.Н. Электротехническое материаловедение / Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2006.-76 с. 3. Справочник по электротехническим материалам: Т. 1, 2, 3 / Под ред. Ю.В.Корицкого и др. – М.: Энергоатомиздат, 1986.
Приложение А ПРИЛОЖЕНИЕ Б СОДЕРЖАНИЕ
Учебное издание Абдуллин Айрат Махмутович кандидат технических наук, доцент
Учебное пособие
Корректор Белова И.М. Худ. редактор Федорова Л.Г.
Сдано в набор 20.05.16. Подписано в печать 24.05.16. Бумага писчая. Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 7, 4. Тираж 100 экз. Заказ №56.
НХТИ ФГБОУ ВО «КНИТУ», г. Нижнекамск, 423570, ул. 30 лет Победы, д. 5а.
Нижнекамский химико-технологический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Казанский национальный исследовательский
А.М. Абдуллин
|
Последнее изменение этой страницы: 2019-04-19; Просмотров: 455; Нарушение авторского права страницы
расстоянии друг от друга, то такие молекулы называются полярными или дипольными. Эти молекулы характеризуются величиной дипольного момента, равного произведению заряда на расстояние между центрами положительных и отрицательных зарядов. Ковалентная связь наблюдается в кристаллических веществах, например в кремнии, а так же в молекулах неорганического и органического происхождения.
Металлическая связь наблюдается в металлах и приводит также к образованию твердых кристаллических тел. Металлы рассматриваются как системы, построенные из положительных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки и удерживающие среду свободных электронов (рис. 0.5). Наличие свободных электронов приводит к высокой электропроводности и теплопроводности металла, а также является причиной блеска металла на срезе. Ковкость металла объясняется перемещением и скольжением отдельных слоев ионов. Некоторые одновалентные металлы кристаллизуются в гексагональной и кубической решетках.
, (1.1.1)
(1.1.2)
, (1.1.3)
. (1.1.4)
, (1.1.5) 
– энергия активации; k – постоянная Больцмана, f – частота собственных колебаний ионов, T– абсолютная температура.
, поэтому их называют сегнетоэлектриками. В сегнетоэлектриках происходит значительное рассеяние энергии, т.е. выделение тепла, за счет смещения доменов под влиянием внешнего электрического поля. Следует заметить, что в сегнетоэлектриках при определенной напряженности внешнего электрического поля наступает насыщение поляризации.
и соответственно 
в веществах, обладающих релаксационной поляризацией, в диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов и дипольной структуры с ковалентной связью между атомами. Поляризация вызывает нарушение теплового движения частиц по направлению электрического поля и приводит к рассеянию энергии или нагреву диэлектрика. Такие потери возрастают при увеличении частоты приложенного напряжения и могут резко проявится на высокой частоте. Однако, если при высокой частоте поляризация не проявляется (ионы или диполи не успевают сместиться вслед за изменением электрического поля), то 
падает. Это характерно для большинства технических диэлектриков со стекловидной фазой в структуре.
(1.7.1)
, (1.7.2) 
– напряжение ионизации, зависящее от давления газа; f – частота электрического поля.
, и проводники высокого сопротивления, у которых значение удельного сопротивления при 200С не менее 
); 
(2.2.1)
, (2.2.2) 
– средняя скорость теплового движения; k – постоянная Больцмана. Температуре 300К соответствует средняя скорость электронов порядка 105 м/с.
, (2.2.3)
– средняя скорость направленного движения носителей заряда (скорость дрейфа), e – элементарный заряд, n – концентрация электронов. В медном проводнике плотности тока 
соответствует скорость дрейфа электронов порядка 
, т. е. можно считать, что в реальных условиях выполняется неравенство 
.
. (2.2.4)
– время свободного пробега.
. (2.2.6)
можно не учитывать: 
, (2.2.7)
– средняя длина свободного пробега электронов.
, (2.2.8)
. (2.2.9)
. (2.2.10)
, (2.2.11)
получила название числа Лоренца. Более строгий анализ, основанный на квантовой статистике электронов, дает несколько иное выражение для числа Лоренца, хотя численное значение его существенно не изменяется.
наиболее низких энергетических уровней.
, которую может иметь электрон в металле при температуре абсолютного нуля, называется энергией Ферми или уровнем Ферми. Соответствующий ей потенциал 
называют электрохимическим потенциалом. Следует отметить, что энергия 
не зависит от объема кристалла, а определяется только концентрацией свободных электронов, что непосредственно вытекает из принципа Паули. Поскольку концентрация свободных электронов в металле весьма велика, энергия Ферми также оказывается высокой и в типичных случаях составляет 3 – 15 эВ.
изменяется незначительно, что является спецификой вырожденного состояния электронного газа. Например, при нагревании серебра от 0 до 1000К энергия Ферми уменьшается на 0, 2%. Столь малые изменения в таком широком температурном диапазоне можно не учитывать. Концентрация свободных электронов в чистых металлах различаются незначительно. Температурное изменение концентрации электронов также очень мало. Поэтому электропроводимость определяется в основном средней длиной свободного пробега электронов, которая, в свою очередь, зависит от строения проводника, т. е. химической природы атомов и типа кристаллической решетки. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой имеют минимальные значения удельного сопротивления. Примеси, искажая решетку, приводят к увеличению удельного сопротивления.
. (2.2.12)
, с помощью которой можно приближенно определить удельное сопротивление при произвольной температуре Т: 
, (2.2.13)
только для линейной зависимости 
. В остальных случаях этот метод является приближенным; он тем точнее, чем уже интервал температур, который использован для определения 
.
называют поверхностным скачком потенциала. Работа выхода и поверхностный скачок потенциала связаны формулой: 
, (2.3.1)
.
, (2.3.2)
и 
– потенциалы соприкасающихся металлов. 
, (2.3.3)
и 
– концентрации свободных электронов в проводниках.
. (2.3.4)
(2.3.5)
слабо зависит от температуры. В отдельных случаях можно считать 
, К
, Тл
); ПОССу-61-0, 5 – оловянно-свинцовый, малосурьмянистый, содержащий 61% Sn, 5% сурьмы, остальное – свинец (температура кристаллизации 1890С, удельное сопротивление r = 0, 133 
его с донорного уровня в зону проводимости, называют энергией ионизации донора.
. Атом примеси, потерявший электрон, превращается в положительно заряженную частицу, неподвижно закрепленную в данном месте решетки.
. Поэтому энергию ионизации донорного атома можно оценить по формуле: 
, (3.3.1)
– эффективная масса электрона. Отсюда находим энергию ионизации донорного атома: 
, (3.3.2)
несколько меньше единицы, то можно заключить, что энергия ионизации доноров в германии составляет менее 0, 05 эВ, а в кремнии – менее 0, 10 эВ.
создании электрического тока. В свою очередь, атом кремния, потерявший электрон, становится положительно заряженным ионом, вблизи которого имеется свободное энергетическое состояние – дырка. За счет эстафетного перехода электронов от одного атома к другому дырка может перемещаться по кристаллу (рис. 3.8).
, (3.3.3)
– собственная концентрация носителей заряда при данной температуре.
(3.3.4)
< 0, 1эВ), а чистые алмазы являются диэлектриками. Однако искусственные алмазы за счет вводимых примесей приобретают свойства полупроводников.
. Германий обладает относительно невысокой температурой плавления (936°С) и ничтожно малым давлением насыщенного 
пара при этой температуре. Отмеченное обстоятельство существенно упрощает технику кристаллизационной очистки и выращивания монокристаллов.
собственная электропроводность возникает при 500С, а если концентрация доноров составляет 
, то для появления собственной электропроводности германий необходимо нагреть выше 2000С.
, т. е. на один миллиард атомов германия должно быть не более одного атома примеси, если считать, что в 1м3 твердого тела находится около 
атомов.
. Кремний в свободном состоянии в природе не встречается.
(эВ). (3.7.1)
, (4.3.1)
– абсолютная магнитная проницаемость, характеризующая магнитные свойства среды.
. В системе СИ для нее принято значение 
.
(или относительной магнитной проницаемостью): 
. (4.3.2)
< 1, например, для меди 
= 0, 999995. Для парамагнитных материалов 
для ферромагнитного материала показана на рис.4.4. Начальная и 
максимальная проницаемости являются частными случаями нормальной проницаемости: 
. (4.3.3)
(4.3.4)
для ферромагнетиков различен в слабых, средних и сильных полях. Для 
при температуре Кюри 
наблюдается четко выраженный максимум, сглаживающийся при увеличении напряженности поля (рис.4.5). Возрастание 
объясняется тем, что при нагревании облегчается смещение доменных границ и поворот векторов намагниченности доменов. Уменьшение 
при высоких температурах объясняется резким уменьшением спонтанной намагниченности доменов.
магнитная индукция увеличивается по кривой начального намагничивания (кривая О а ). При напряженности магнитного поля 
магнитная индукция достигает соответствующего значения 
. Если затем сила тока и напряженность поля уменьшаются, то магнитная индукция также уменьшается, но при соответствующих значениях напряженности магнитная индукция оказывается несколько больше, чем при увеличении напряженности (участок abc на рис. 4.6). При нулевых значениях силы тока и напряженности поля магнитная индукция имеет некоторое значение 
, называемое остаточной индукцией. Таким образом, магнитная индукция в ферромагнитном материале зависит не только от напряженности поля, но и от предшествующего состояния ферромагнетика. Это явление 
называется гистерезисом. Оно обусловлено внутренним трением, возникающим при изменении ориентации магнитных моментов доменов.
магнитная индукция становится равной нулю. Напряженность магнитного поля 
, при которой ферромагнетик полностью размагничивается, называется коэрцитивной силой. При дальнейшем увеличении тока и напряженности поля магнитопровод намагничивается в противоположном направлении. На участке кривой cda описанные процессы происходят в обратном направлении. Рассмотренный цикл перемагничивания ферромагнетика по кривой abcda называется гистерезисным циклом (петлей гистерезиса).