Виды связи

ГЛАВА 1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

Электро и радиоматериалы обладают большим разнообразием свойств. Эти свойства позволяют из­готавливать провода, трансформаторы, магниты, электронные лампы, лазеры и мазеры, приемники света, полупроводниковые интегральные схемы и т. д. Для правильного выбора и эффективного использования этих материалов необходимо знание не только проявления их свойств, но и причин их разнообразия, которые связаны со строением вещества.

 

Виды связи

Из атомов сроятся молекулы. Связи, благодаря которым происходит объединение атомов в молекулы, называются химическими. Молекула является наименьшей… Ковалентные связи возникают между атомами за счет образования устойчивых пар… Ковалентную связь называют полярной, а молекулы с полярной связью, у которых центры положительных зарядов не…

Кристаллические вещества

Кристалл состоит из множества сопряженных друг с другом элементарных кристаллических ячеек. В элементарной кристаллической ячейке содержится… Для описания структуры кристаллических тел пользуются понятием…  

Рис. 1.3. Кристаллографические плоскости в кубических кристаллах

 

Плоскость І (рис. 1.3, а) отсекает от оси X отрезок, равный длине n ребра куба, и проходит параллельно осям Y и Z, т. е. пересекается с ними в бесконечности. Индексами выбирают отношения длины этого отрезка к длине ребра куба. Индексы записывают в круглых скобках.

Индексы плоскости I определяются следующим образом: по оси X n/n=1, по оси Y n/∞=0, по оси Z n/∞=0. Следовательно, плоскость I имеет индексы (100).

Плоскость II отсекает по осям X и Y отрезки, равные n, и пересекается в бесконечности с осью Z (рис. 1.3, б). Индексы этой плоскости следующие: по оси X n/n=1,по оси Y n/n=1, Z n/∞=0. Следовательно, плоскость II имеет индексы (100).

Плоскость III (рис. 1.3, в) имеет индексы (111).

Все кристаллические вещества при нагревании сохраняют твердое состояние до определенной температуры. Атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, совершают непрерывные колебательные движения. Чем выше температура вещества, тем больше амплитуда этих колебаний. При достижении определенной температуры амплитуда колебаний атомов настолько увеличивается, что происходит разрушение кристаллической решетки. Атомы переходят в хаотическое состояние, а вещество превращается из твердого в жидкое. Температура, при которой происходит фазовое превращение твердого вещества в жидкое, называется температурой плавления .

Обратный переход кристаллических веществ из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией. Температура, при которой происходит фазовое превращение жидких веществ в кристаллические, называется температурой кристаллизации .

 

Рис. 1.4. Условное изображение точечных несовершенств:

1 – вакансия; 2 – дислоцированный атом; 3 – примесный атом

Строение металлов, когда атомы образуют геометрически правильную кристаллическую структуру, может быть только в идеальном случае. В реальных условиях кристаллы имеют большое число дефектов, наличие которых оказывает существенное влияние на свойства металлов и сплавов.

Основными дефектами кристаллических решеток являются точечные, линейные, поверхностные и объемные (трехмерные) несовершенства.

Точечные несовершенства появляются в результате образования вакансий (атомных дырок) или внедрение атомов в междуузлие (рис. 1.4).

Атомы металлов находятся в колебательном движении относительно положения равновесия. При нагревании амплитуда колебаний атомов возрастает. Большинство атомов в данной кристаллической решетки обладает одинаковой средней энергией, поэтому амплитуда их колебаний при данной температуре одинакова, но отдельные атомы имеют энергию, значительно превышающую среднюю, и амплитуда колебаний их также больше среднего значения. Такие атомы могут перемещаться из одного места в другое и выходить из узла в междуузлие. Атомы, вышедшие из узла решетки, называются дислоцированными, а места, где находились атомы, остаются в решетке незаполненными и на­зываются вакансиями.

Причинами точечных несовершенств являются условия кристаллизации, наличие примесей в ме­таллах и сплавах, неравномерное распределение энергии между атомами кристаллической решетки.

Точечные дефекты влияют на диффузионные процессы. Например, при изготовлении полупровод­никовых интегральных схем нагревание до температуры плавления приводит к увеличению вакансий на 2%.

Линейные несовершенства представляют собой изменения структуры, протяженность которых в одном измерении гораздо больше, чем в двух других. Такие несовершенства называют дислокациями. Появление дислокаций вызвано воздействиями на металл напряжений разного происхождения. При воздействии сосредоточенной нагрузки на некоторый участок происходит перераспределение напряжений в образце. Этот процесс сопровождается медленным сдвигом атомов. Граница между сдвинутыми участками и сохранившейся без изменения областью является дислокацией (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Линейные дислокации

 

Дислокации бывают краевыми, винтовыми и смешанными.

Поверхностные несовершенства характеризуются значительными изменениями в двух измерениях. Примером поверхностного несовершенства является граница между кристаллами в реальных сплавах.

Кристалл состоит из блоков, которые по-разному ориентируются в пределах этого кристалла, образуя мозаичную структуру. На границах повернутых друг относительно друга блоков возникают на­пряжения, приводящие к искажению кристаллической решетки.

Объемные несовершенства кристалла имеют существенные размеры во всех трех измерениях. К объемным дефектам относятся пустоты, включения отдельных кристаллических зерен или кристал­лической модификации.

По структуре кристаллические материалы бывают монокристаллическими и поликристаллическими.

Монокристаллические материалы – это однородные анизотропные тела, у которых атомы расположены по всему объему в правильном порядке.

Поликристаллические материалы состоят из большого числа сросшихся между собой мелких кристаллических зерен (кристаллитов), которые хаотически ориентированы в разных направлениях. За счет усреднения свойств отдельных кристаллов свойства тел в целом не зависят от направления, и поликристаллические материалы обычно изотропны. Однако с помощью специальной обработки (холодная прокатка с последующим отжигом, намагничивание, поляризация и т. д.) материал становится анизотропным. Материалы с искусственно созданной анизотропией называют текстурными.

К поликристаллическим материалам относятся металлы и многие керамические материалы.

 

Аморфные и аморфно-кристаллические вещества

Аморфные вещества. В аморфных веществах атомы и молекулы расположены беспорядочно. В отличие от кристаллических аморфные вещества не имеют строго… Свойства аморфных тел не зависят от выбранного направления, так как аморфные… Аморфные вещества делятся на две группы:

ГЛАВА 2

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАТЕРИАЛОВ

По назначению материалы, используемые в различных областях электротехники, условно подразделяют на конструкционные и электротехнические.

Конструкционные материалы применяют для изготовления несущих конструкций, а также вспомогательных деталей и элементов электроприборов, работающих в условиях воздействия механических нагрузок.

Материалы, которые находят применение в электротехнике, называют электротехническими. Применение этих материалов обусловлено прежде всего их электрическими и магнитными свойствами.

Классификация материалов по электрическим свойствам

В процессе изготовления и в различных условиях эксплуатации на электроматериалы воздей­ствуют электрическое и магнитное поля в отдельности и совместно. По поведению в электрическом поле эти материалы подразделяют на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические.

Классификация электроматериалов по электрическим свойствам основана на представлениях зонной теории электропроводности твердых тел. Сущность этой теории состоит в следующем.

В изолированном атоме электроны вращаются вокруг ядра на определенных орбитах. На каждой орбите может находиться не более двух электронов. Каждой орбите соответствует строго определенное значение энергии, которой может обладать электрон, т. е. каждая орбита представляет собой опреде­ленный энергетический уровень. Под воздействием притяжения по­ложительно заряженного атомного ядра электроны стремятся занять ближайшие к ядру уровни с минимальным значением энергии. Поэтому нижние энергетические уровни оказываются заполненными электронами, а верхние уровни - свободными. Электрон может скачкообразно перейти с нижнего энергетического уровня W1 на другой свободный уровень W2 (рис. 2.1). Для этого электрону необходимо сообщить дополнительную энергию . Если свободных уровней в атоме нет, то электрон не может изменить свою энергию, поэтому не участвует в создании электропроводности.

В кристаллической решетке, состоящей из нескольких атомов, отдельные энергетические уровни расщепляются на подуровни, ко­торые образуют энергетические зоны (см. рис. 2.1). При этом рас­щепляются свободные и заполненные энергетические уровни. Зона, заполненная электронами, называется валентной. Верхний уровень валентной зоны обозначается Wv. Свободная зона называется зо­ной проводимости. Нижний уровень зоны проводимости обознача­ется Wc. Промежуток между валентной зоной и зоной проводимос­ти называют запретной зоной W. Значение запретной зоны существенно влияет на свойства материалов.

 

 

Рис 2.11 Диаграмма энергических уровней изолированного атома (1) и твердого тела (2).

 

 

Если W равна или близка к нулю, то электроны могут перейти на свободные уровни благодаря собственной тепловой энергии и увеличить проводимость вещества. Вещества с такой структурой энергетических зон относят к проводникам. Типичными проводниками являются металлы.

Если значение запретной зоны превышает несколько электрон-вольт (1 эВ - энергия электрона, полученная им при перемещении между двумя точками электрического поля с разностью потенциалов 1В), то для перехода электронов из валентной зоны в зону про­водимости требуется значительная энергия. Такие вещества относят к диэлектрикам. Диэлектрики имеют высокое удельное электрическое сопротивление.

Если значение запретной зоны составляет 0,1...0,3 эВ, то электроны легко переходят из валентной зоны в зону проводимости благодаря внешней энергии. Вещества с управляемой проводимостью относят к полупроводникам.

Проводниковые материалы служат для проведения электричес­кого тока.

Обычно к проводникам относят вещества с удельным электрическим сопротивлением р менее Ом*м.

Диэлектрические материалы обладают способностью препятствовать прохождению тока.

К диэлектрическим материалам относят вещества с удельным электрическим сопротивлением р более 10⁷ Ом*м. Благодаря высо­кому удельному электрическому сопротивлению их используют в качестве электроизоляционных материалов.

В зависимости от структуры и внешних условий материалы могут переходить из одного класса в другой. Например, твердые и жидкие металлы - проводники, а пары металлов - диэлектрики; типичные при нормальных условиях полупроводники германий и кремний при воздействии высоких гидростатических давлений становятся проводниками; углерод в модифи­кации алмаза - диэлектрик, а в модификации графита - проводник.

Полупроводниковые материалы обладают проводимостью, с помощью которой можно управлять напряжением, температурой, освещенностью и т.д.

Удельное электрическое сопротивление полупроводников со­ставляет Ом*м.

Основным свойством вещества по отношению к электрическо­му полю является электропроводность.

Электропроводность характеризуется удельной электрической проводимостью и удельным электрическим сопротивлением р:

(2)

J - плотность тока; y - удельная электрическая проводимость, См/м; E напряженность электрического поля, В/м; р = 1 /y - удельное электрическое со­противление, Ом-м.

Значения удельной электрической проводимости у и удельного электрического сопротивления р у разных материалов существен­но различаются. В сверхпроводящем состоянии удельное электри­ческое сопротивление материалов равно нулю, а у разреженных газов стремится к бесконечности.

Классификация материалов по магнитным свойствам

Все материалы, находясь в магнитном поле, обладают опреде­ленными магнитными свойствами, которые обусловлены внутрен­ними формами движения электрических зарядов.

По характеру взаимодействия с внешним маг­нитным полем все электроматериалы подразделяются на немагнитные и магнитные.

Немагнитные материалы не взаимодействуют с магнитным по­лем, т.е. не приобретают магнитных свойств при воздействии на них магнитного поля.

Магнитные материалы обладают способностью намагничиваться. В изолированном атоме электроны вращаются вокруг ядра с определенным орбитальным моментом. Одновременно электроны вращаются вокруг своих осей со спиновыми магнитными момента­ми. Орбитальные и спиновые магнитные моменты, суммируясь, образуют магнитный момент атома. Магнитные свойства атома определяются в основном магнитными свойствами электрона, так как магнитный момент электронной оболочки атома приблизитель­но в 1000 раз больше магнитного момента атомного ядра.

Так как электроны с правым и левым вращениями имеют раз­личное направление магнитных моментов, то суммарный магнит­ный момент атома может быть равен нулю или отличен от него.

Материалы с разной электронной структурой атомов обладают разными магнитными свойствами.

По силе взаимодействия с магнитным полем все материалы подразделяют на слабомагнитные (диамагнетики, пара­магнетики) и сильномагнитные (ферромагнетики, антиферромаг­нетики, ферримагнетики).

Сила взаимодействия вещества с магнитным полем оценивается безразмерной величиной - магнитной восприимчивостью

(3)

где М - намагниченность вещества под действием магнитного поля, А/м; Н-напряженность магнитного поля, А/м.

Слабомагнитные материалы незначительно меняют свою намаг­ниченность под действием внешнего намагничивающего поля и ха­рактеризуются магнитной восприимчивостью

К слабомагнитным материалам относятся диамагнетики и парамагнетики.

Диамагнетики представляют собой материалы, состоящие из атомов, у которых оболочки полностью заполнены электронами. Результирующий магнитный момент атома равен нулю.

Магнитная восприимчивость диамагнетиков в большинстве случаев не зависит от температуры и напряженности намагничивающего поля.

К диамагнетикам относят большинство органических соедине­ний и ряд металлов: медь, серебро, золото, свинец и др.

Парамагнетики характеризуются тем, что магнитные моменты отдельных атомов парамагнетиков ориентированы хаотично и в объеме твердого тела скомпенсированы. При помещении этих материалов в магнитное поле происходит ориентация незначительного числа магнитных моментов атомов и усиление внешнего поля внутри парамагнетика. После снятия внешнего магнитного поля парамагнетики сохраняют небольшую намагниченность.

Магнитная восприимчивость

К парамагнетикам относят алюминий, платину и др. Сильномагнитные материалы обладают способностью к значи­тельному изменению намагниченности под действием внешнего поля и характеризуются магнитной восприимчивостью

К сильномагнитным материалам относятся ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Ферромагнетики характеризуются следующими свойствами:

способностью сильно намагничиваться даже в слабых магнитных полях с

способностью переходить из ферромагнитного в парамагнитное состояние при температуре, превышающей температуру Кюри ТК, т.е. способность терять магнитную восприимчивость на 3...4 порядка. ТК – температура, при которой относительная диэлектрическая проницаемость En максимальна.

Магнитная восприимчивость Км имеет сложную нелинейную зависимость от температуры и напряженности поля.

Ферромагнетики относятся к переходным элементам, у которых нарушен нормальный порядок заполнения электронных оболочек.

Суммарный магнитный момент атома отличен от нуля, образуются домены, т.е. области, самопроизвольно намагниченные до насыщения в отсутствие внешнего магнитного поля. В зависимости от кристаллической структуры вещества домены имеют различную форму. Линейные размеры домена составляют от тысячных до десятых долей миллиметра.

Отдельные домены отделены друг от друга пограничным слоем толщиной м. В зависимости от электронного взаимодействия некомпенсированные спины соседних атомов устанавливаются параллельно или антипараллельно. Материалы, у которых нескомпенсированные спины соседних атомов устанавливаются параллельно, являются ферромагнетиками.

Процесс намагничивания ферромагнетика начинается с роста наиболее благоприятно ориентированных доменов. Такими явля­ются домены, у которых направления магнитных моментов близки к направлению напряженности намагничивающего поля. Число этих доменов увеличивается из-за смещения границ менее благоприятно ориентированных доменов. После окончания роста доменов в объеме кристалла намагничивание материала продолжается из-за поворота магнитных моментов доменов. При совпадении направления векторов магнитных моментов доменов с направлением на­пряженности магнитного поля наступает магнитное насыщение (рис. 2.2). При дальнейшем повышении напряженности внешнего электромагнитного поля намагниченность материала увеличивается незначительно. При снятии внешнего поля векторы доменов поворачиваются в обратном направлении и материал размагничивается, но не полностью.

При намагничивании ферромагнетиков наблюдаются явления анизотропии и магнитострикции.

Суть магнитной анизотропии состоит в том, что намагничиваемость кристалла по разным его направлениям неодинакова. В решетке кристалла ферромагнетика существуют направления легкого и трудного намагничивания. Железо и его сплавы кристаллизуются в кубическую структуру. Осями легкого намагничивания у них являются ребра куба, а самого трудного – пространственные диагонали.

 

 

Рис. 2.2. Схемы ориентирования вектора намагниченности в доменах ферромагнетика:

а - при отсутствии внешнего поля; б- в слабом поле с напряженноcтью Н1 в - в сильном поле с напряженностью Н2, г - при насыщении (Н3 = НS )

Намагничивание и размагничивание ферромагнетика сопровож­дается изменением линейных размеров и формы кристалла. Это явление называется магнитострикцией. Оно характерно для всех магнитных материалов.

Магнитострикция материала оценивается константой магнитострикции (магнитострикционная деформация насыщения)

(4)

где - относительное изменение линейных размеров образца, м; l0 - первоначальная длина образца, м.

Константа магнитострикции Vs может принимать положительное и отрицательное значения. Ее значение и знак зависят от свойств материала и напряженности намагничивающего поля.

К ферромагнетикам относят железо, никель, кобальт и их спла­вы, гадолиний, сплавы хрома и марганца и др.

Антиферромагнетики представляют собой материалы, у кото­рых магнитные моменты соседних атомов равны, но их спины рас­полагаются антипараллельно.

Магнитная восприимчивость и отличается специ­фической зависимостью от температуры.

Ферримагнетики во многом подобны ферромагнетикам, но об­ладают следующими особенностями:

значительно уступают ферромагнетикам по значению намагни­ченности насыщения (предельной намагниченности) Мs,

в ряде случаев имеют аномальную зависимость намагниченнос­ти насыщения Мs от температуры с наличием точки компенсации.

Контрольные вопросы.

 

1. Какие материалы называются конструкционными, а какие электротехническими?

2. Как энергетический уровень электрона зависит от расстояния от ядра?

3. Как можно повысить энергетический уровень электрона?

4. Что такое подуровни энергетической зоны?

5. Какие энергетические зоны есть у атомов кристаллической решетки?

6. Какие вещества принадлежат к проводникам, диэлектрикам и полупроводникам в соответствии с зонной теорией проводности?

7. Каким удельным электрическим сопротивлением р обладают проводники, диэлектрики и полупроводники?

8. Чем парамагнетики отличаются от диамагнетиков?

9. Что такое магнитная восприимчивость?

10. Назовите сильномагнитные материалы и величину магнитной восприимчивости?

11. Что такое анизотропия и магнитострикция магнитных материалов?

12. Какие линейные размеры имеют домены?

13. Как происходит процесс намагничивания ферромагнетика?

 

 

Глава 3

ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Проводниковые материалы обладают способностью проводить электрический ток и характеризуются весьма малым или заданным удельным электрическим сопротивлением р. К ним относятся и материалы с высоким сопротивлением, и сверхпроводниковые, и криопроводниковые материалы, у которых удельное электрическое сопротивление при очень низких температурах весьма мало.

Классификация проводниковых материалов

 

По агрегатному состоянию проводниковые материалы разделяют на газообразные, жидкие и твердые.

К газообразным проводниковым материалам относят все газы и пары, в том числе и пары металлов. При достаточно малых значениях напряженности электрического поля Е они являются диэлектриками. При высоких Е газ может стать проводником. Если в единице объема сильно ионизированного газа наступает равенство между числом электронов и положи­тельных ионов, то такой газ представляет собой особую проводящую среду, называемую плазмой.

К жидким проводникам относят расплавы металлов и растворы (в частности, водные) и расплавы солей, кислот и других веществ с ионным строением молекул.

Механизм прохождения электрического тока через твердые и жидкие металлы обусловлен направленным движением свободных электронов. Поэтому твердые и жидкие металлы называют проводниками с электронной (металлической) электропроводностью или проводниками первого рода.

Растворы и расплавы солей, кислот и щелочей, проводящие электрический ток, называют электролитами или проводниками второго рода. При прохождении электрического тока через электролит, в который погружены электроды, электрические заряды переносятся вместе с частицами молекул (ионами) электролита. На электродах происходит выделение веществ из раствора.

По характеру применения металлические материалы разделяют на материалы высокой проводимости (удельное электрическое сопротивление ρ≤0,1 мкОм×м) и материалы с высоким сопротивлением (удельное электрическое сопротивление ρ≥0,3 мкОм×м).

Материалы с высокой проводимостью (железо, медь, алюминий, золото, серебро и др.)

Материалы с высоким сопротивлением используют в качестве резистивных материалов и материалов для термопар. Наиболее известные сплавы с высоким сопротивлением: медно-марганцевые (манганины), медно-никелевые (константаны), сплавы железа, никеля и хрома (нихромы).

Материалы, обладающие ничтожно малым удельным электрическим сопротивлением ρ при очень низких температурах называются сверхпроводниками. Свойством сверхпроводимости обладают ртуть, алюминий, свинец, ниобий, соединения ниобия с оловом, титаном и др.

3.2. Основные свойства и характеристики проводниковых материалов

 

Твердые металлические проводники характеризуются высокой электро- и теплопроводностью, механическими, физико-химическими и технологически­ми свойствами.

К механическим свойствам относят твердость, упругость, вязкость, пластжчмость. линейное расширение, хрупкость, прочность, усталость.

Твердость - это способность материала сопротивляться проникновению в него другого,более твердого тела.

Существуют различные методы определения твердости: вдавливание, царапание, упругая отдача. Наибольшее распространение получил метод вдавливания в материал стального шарика (твердость по Бриннелю), вдавливания конуса (по Роквеллу), вдавлива­ния пирамиды (по Виккерсу).

Упругость – это свойство материала восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил, которые вызывают их изменение.

Вязкость – это способность материала оказывать сопротивление динамическим (быстровозрастающим) нагрузкам.

Ударная вязкость – это способность материала оказывать сопротивление ударным нагрузкам.

На ударную вязкость не испытывают такие хрупкие материалы, как чугун, силумин, закаленная инструментальная сталь.

Пластичность – это свойство материала деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия этих сил. Для количественной оценки пластичности используют относительное удлинение образца при разрыве Δl/l и относительное сужение площади поперечного сечения образца Δs/s.

Важной механической характеристикой материала является температурный коэффициент линейного расширения ТКl, который позволяет определять изменения любых геометрических размеров изделий (длины, ширины, толщины) при нагревании.

 

; (5)

 

Значение ТКl твердых металлов возрастает при повышении температуры и приближении ее к температуре плавления.

Хрупкость - это способность материалов разрушаться при приложении резкого динамического усилия. У таких хрупких материалов явление пластической деформации не наблюдается, т.е. разрушение образца происходит при равенстве предела текучести σ_t и предела прочности при растяжении σ_р. Значения относительного удлинения и относительного сужения для хрупких материалов близки к нулю.

К хрупким материалам относят стекло, керамику, фарфор, хром, марганец, кобальт, вольфрам.

Прочность - это способность материала сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.

Усталость - это разрушение материала под действием неболь ших повторных или знакопеременных нагрузок (вибраций). Металл разрушается при напряжениях, значительно меньших чем предел прочности

К физико-химическим свойствам относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, электропроводность, магнитные свойства, поглощение газов, коррозионную стойкость и др.

Физико-химические свойства оценивают удельным электричес­ким сопротивлением ρ, удельной электрической проводимостью γ, температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления ТКρ и коэффициентом теплопроводности.

Удельное электрическое сопротивление для образцов постоянного сечения S

 

; (6)

 

где R - сопротивление образца, Ом: S - площадь поперечного сечения образ­ца, м²; l - длина образца, м.

 

Величину ρ измеряют в омах на метр (Ом×м), но чаще в микроомах на метр. Диапазон значений ρ металлических проводников (при нормальной температуре) от 0,016 для серебра до 10 мкОм×м для некоторых сплавов.

Сопротивление проводников R_s на высоких частотах существенно больше их сопротивления на постоянном токе вследствие того, что высокочастотное поле проникает в проводник на небольшую глубину. Чем выше частота поля, тем на меньшую глубину оно проникает в проводник. Это явление получило название поверхностного эффекта.

Удельное электрическое сопротивление металлов зависит от температуры. Эта зависимость определяется температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления (1/град), который при данной температуре вычисляют по формуле

 

, (7)

 

где Δρ – приращение удельного сопротивления проводника, соответствующее приращению температуры ΔТ.

 

Средний температурный коэффициент удельного электрического сопротивления металлов (1/град) в диапазоне температур

 

; (8)

 

где ρ_о, ρ_т – значения ρ, соответствующие температурам Т_о и Т.

 

Если через пластину площадью S и толщиной Δl за время Δt проходит тепловой поток энергией θ, то между поверхностями противоположных граней создается разность температур ΔТ, связанная с θ соотношением

 

; (9)

 

где - градиент температуры

 

Параметр λ называют коэффициентом теплопроводности. Коэффициент теплопроводности проводников прямо пропорционален их удельной проводимости.

К технологическим свойствам относятся ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием, жидкотекучесть, усадка и др. Технологические свойства определяются комплексом физико-химических свойств материала. Для определения свойств мате­риала проводят соответствующие лабораторные испытания.

 

Материалы с высокой проводимостью

К материалам этого типа предъявляются следующие требования: минимальное значение удельного электрического сопротивления; достаточно высокие… Наиболее распространенными современными материалами вы­сокой проводимости,… Для улучшения свойств цветные сплавы подвергаются термичес­кой обработке - отжигу, закалке и старению. Отжиг влияет на…

Медь и ее сплавы

Медь.Медь является одним из самых распространенных материалов высокой проводимости. Она обладает следующими свойствами: - малым удельным электрическим сопротивлением (из всех металлов только серебро… - высокой механической прочностью;

Алюминий и его сплавы

Алюминий.Алюминий относится к так называемым легким металлам (плотность литого алюминия около 2600, прокатанного - 2700 кг/м3). Алюминий обладает следующими особенностями: - удельное электрическое сопротивление ρ алюминия (при содержании примесей не более 0,05%) в 1.63 раза больше,…

Железо и его сплавы

Железо обладает следующими свойствами: - более высокое по сравнению с медью и алюминием удельное элек­трическое… - высокий температурный коэффициент удельного электрическо­го сопротивления ТКρ;

Натрий

 

Натрий относится к перспективным проводниковым матери­алам, обладающим следующими свойствами:

- удельное электрическое сопротивление натрия в 2,8 раза боль­ше, чем у меди;

- низкая плотность (он легче воды, плотность его в 9 раз меньше плотности меди), поэтому провода из натрия при данной проводи­мости на единицу длины при нормальной температуре значитель­но легче, чем провода из любого другого металла;

- химически активен (он интенсивно окисляется на воздухе и бур­но реагирует с водой);

- мягок;

- малый предел прочности при растяжении и других деформа­циях.

Натриевые провода герметизируют в пластмассовые (полиэти­леновые) оболочки, что повышает их механическую прочность и создает электрическую изоляцию.

 

Контрольные вопросы:

1. Как разделяются проводники по агрегатному состоянию?

2. Чем отличаются проводники первого и второго рода?

3. Как разделяются проводники по характеру применения?

4. Какими механическими свойствами оцениваются проводники?

5. Назовите методы оценки твердости проводников.

6. Чем отличается вязкость от пластичности?

7. Что такое температурный коэффициент линейного расширения?

8. Чем отличается хрупкость от прочности?

9. Что такое удельное электрическое сопротивление?

10. Чем отличается температурный коэффициент удельного электрического сопротивления от среднего температурного коэффициента удельного электрического сопротивления?

11. Как связаны коэффициент теплопроводности и удельная проводимость?

12. Какие свойства относятся к технологическим?

13. Какие требования предъявляются к проводниковым материалам?

14. Какой термической обработке подвергаются проводниковые сплавы для улучшения свойств?

15. В чем разница между медью марки ММ и МТ?

16. Чему равно ρ меди?

17. В чем разница между бронзой и латунью по химическому составу?

18. Для чего применяют кадмиевую и бериливую бронзы?

19. По каким показателям латунь лучше меди, по каким хуже?

20. Во сколько ρ алюминия больше ρ меди?

21. В каком случае алюминиевые провода дороже медных?

22. Чем сплав альдрей лучше чистого алюминия?

23. Для чего используют сплавы силумин и дюраль?

24. В чем разница между техническим железом, сталью и чугуном?

25. Почему натрий считается перспективным проводником?

Материалы с высоким сопративлением

В качестве материалов с высоким сопротивлением используют металлические сплавы типа твердых растворов замещения, метал­лические и угольные пленки, проводниковые композиции.

Материалы высокого сопротивления по назначению можно раз­делить на проводниковые резистивные материалы, пленочные ре­зистивные материалы, материалы для термопар.

 

Проводниковые резистивные материалы

Проводниковые резистивные материалы разделяют на сплавы для проволочных резисторов (манганин, константан) и для элект­ронагревательных элементов… К проволочным резистивным материалам предъявля­ются следующие требования: удельное электрическое сопротивление ρ при нормальной тем­пературе не менее 0,3 мкОм·м и высокая стабильность его…

Пленочные резистивные материалы

Пленочные резистивные материалы получают из исходных ма­териалов в процессе получения самих резистивных пленок. Свой­ства таких резистивных пленок… В зависимости от исходных материалов пленочные резисторы разделяют на… Для изготовления металлопленочных и металлооксидных резис­торов применяют тугоплавкие металлы тантал, титан, никель,…

Материалы для термопар

Для термопар применяют чистые металлы и различные сплавы с высоким электрическим сопротивлением. Материалы для термопар выбирают по следующим характерис­тикам: допустимая рабочая температура спая Т;

Благородные металлы

Основные свойства благородных металлов приведены в табл. 3.3.   Таблица 3.3. Основные свойства благородных металлов

Тугоплавкие металлы

Тугоплавкие металлы (вольфрам W, рений Re, молибден Mo, тантал Ta, титан Ti, ниобий Nb, цирконий Zr, гафний Gf) применяют в электровакуумной… Вольфрам W. Вольфрам – светло-серый металл. Основная область применения… Рений Re.Рений - серовато-белый редкоземельный металл.Рений применяется для покрытия вольфрамовых нитей с целью…

Сверхпроводники и криопроводники

Известно 27 чистых металлов и более тысячи различных спла­вов и соединений, у которых возможен переход в сверхпроводящее состояние. К ним относятся чистые металлы, сплавы, интерметал­лические соединения и некоторые диэлектрические материалы.

 

Сверхпроводники

При понижении температуры удельное электрическое сопротив­ление металлов уменьшается и при весьма низких (криогенных) тем­пературах электрическое… В 1911 г. при охлаждении кольца из замороженной ртути до тем­пературы 4,2 К… Особенность сверхпроводников состоит в том, что однажды наведенный в сверхпроводящем контуре электрический ток будет…

Криопроводники

Плотность тока в криопроводниках при рабочих температурах в тысячи раз превышает плотность тока в них при нормальной тем­пературе, что определяет их… Применение криопроводников в электрических машинах, кабелях и т.п. имеет… В качестве криопроводников используют медь, алюминий се­ребро, золото.

Неметаллические проводниковые материалы

Неметаллическими материалами, обладающими свойствами проводников и используемыми в качестве проводниковых материалов, являются природный графит, сажа, пиролитический углерод, бороуглеродистые пленки.

Материалы для электроугольных изделий

Исходным сырьем для производства электроугольных изделий являются графит, сажа и антрацит. Природный графит - кристаллическое вещество, одна из форм углерода слоистой… Добывают природный графит обогащением специальных руд( ρ=0,4 мкОм·м вдоль плоскости, ρ=100 мкОм·м поперёк…

Проводящие и резистивные композиционные материалы

Композиционные материалы сочетают в себе ряд ценных свойств: большое удельное электрическое сопротивление, слабо завися­щее от… возможность управления электрическими свойствами с измене­нием состава;

Контактолы

Для получения электрических контактов в радиоэлектронике применяют токопроводящие пасты, клеи, эмали, объединяемые общим названием – контактолы. Они представляют собой композиции на основе эпоксидных и кремнийорганических смол с добавлением порошков металлов с высокой теплоэлектропроводностью.

Материалы для подвижных контактов

Механический износ связан с истиранием и деформированием материалов контактирующих поверхностей вследствие приложения определенной силы при ударе… Химический износ (коррозия) обусловлен химическим взаимодействием контактных… Электрический износ (электрическая эрозия или обгорание) наблюдается только в разрывных и частично скользящих…

Материалы для скользящих контактов

При работе скользящих контактов их поверхности подвергаются механическому износу и коррозии. К скользящим контактам относят пружинные металлические и электротехнические… Материалыдля пружинных скользящих контактов должны обладать следующими свойствами: высокая прочность и твердость,…

Материалы для размыкающих контактов

Материалы для размыкающих контактов должны обладать сле­дующими свойствами: низкое значение удельного электрического сопротивления; малое падение напряжения на контактах;

Припои

Кроме подвижных контактов в электрической аппаратуре широко используются и неподвижные контакты, основными из которых является пайка, сварка и соединение контактолами.

Пайкой называется процесс получения неразъемных соединений с помощью специальных сплавов или металлов, температура плавления которых ниже температуры плавления соединяемых деталей.

Специальные сплавы, применяемые при пайке, называют припоями. Процесс пайки сопровождается нагреванием. В результате припой плавится, растекается по поверхности соединяемых деталей, заполняя зазор между ними. Припой диффундируют в основной металл, а поверхностный слой основного металла растворяется в припое, образуя промежуточную прослойку. После застывания образуется неразъемное соединение.

Наличие оксидных пленок, механических и органических загрязнений на поверхностях соединяемых деталей затрудняет процесс пайки. Поэтому перед пайкой соединяемые поверхности тщательно очищают, а в процессе пайки защищают от окисления вспомогательными составами, называемыми флюсами.

Припои должны обладать следующими свойствами: хорошая жидкотекучесть; малый интервал температур кристаллизации; высокая механическая прочность; коррозийная стойкость; высока электропроводность.

Припои подразделяют на мягкие с температурой плавления Т_пл выше 400⁰ С.

Мягкие припои имеют предел прочности при растяжении σ_р не выше 50..70 МПа, а твердые до 500 МПа.

Название марок припоев определяются металлами, входящими в них в наибольшем количестве (олово-О, свинец-С, алюминий-А, серебро-Ср, сурьма-Су, медь-М, цинк-Ц, висмут-Ви, кадмий-К). Обозначение драгоценного или редкого металла, входящего в состав припоя, присутствует в названии марки даже при малых количествах этого металла в сплаве. Марка припоя выбирается в зависимости от рода соединяемых металлов и сплавов, требуемой механической прочности, коррозийной стойкости и удельной электрической проводимости припоя (при пайке токоведущих частей).

Твердые припои отличаются тугоплавкостью (температура плавления 500…900⁰С) и высокой механической прочностью, но технология пайки при этом значительно сложнее и процесс ведется в специальных электрических печах.

Пример твердого припоя ПСр-25: пайка стальных и медных деталей.

Металлокерамика

Основным сырьем для получения металлокерамических изделий являются порошки вольфрама, титана, кобальта, марганца, хрома, железа, меди, олова,… Спекание проводят в электрических или вакуумных печах в восстановительной или… При горячем прессовании процессы прессования и спекания проводят одновременно, что сокращает время спекания в 20…30…

Контрольные вопросы.

1. Как осуществляют неподвижные контакты?

2. Что такое пайка, пропой, флюс?

3. Какая температура плавления у мягких и твердых припоев, какой предел текучести?

4. Как изготавливают металлокерамику?

5. Назовите виды проводниковых изделий?

6. Какие виды изоляции применяют для обмоточных проводов?

7. Какой вид изоляции проводов применяют для машин работающих в тяжелых условиях?

8. Какая изоляция используется для монтажных проводов? Сечение монтажных проводов

9. Для чего используют установочные провода и шнуры?

10. Какую форму сечения имеют жилы кабелей?

 

Глава 4

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Одной из особенностей полупроводниковых материалов явля­ется их поведение при изменении температуры. У проводниковых материалов при температуре,… Для появления свобод­ных носителей заряда в полупроводниковом материале… Электропроводность полупроводника резко изменяется при вве­дении в него даже незначительного числа атомов примесного…

Свойства полупроводников

Собственная и примесная проводимости полупроводников.Соб­ственная проводимость полупроводников может быть рассмотре­на на примере кремния, который…   При разрыве ковалентнои связи освободившийся электрон под действием тепловой энергии хаотически движется по объему…

Простые полупроводники

Большинство полупроводниковых материалов представляют со­бой кристаллические твердые вещества с упорядоченной периоди­ческой структурой. Кристаллические вещества состоят из элементарных ячеек (ре­шеток). Элементарная ячейка представляет собой наименьший объем кристаллического вещества в виде параллелепипеда, перемещая…

Полупроводниковые соединения

Структура сложных полупроводников образована атомами раз­личных химических элементов. К этой группе относят твердые ра­створы и химические… Наиболее широкое применение нашли неорганические кристал­лические…  

Глава 5

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

По назначению диэлектрические материалы можно разде­лить на электроизоляционные материалы и активные диэлектрики. По агрегатному состоянию диэлектрические материа­лы подразделяют на твердые,… Особую группу составляют твердеющие материалы, кото­рые в исходном состоянии являются жидкостями, а в процессе…

Электрические свойства

К электрическим свойствам диэлектриков относят поляризацию, электропроводность, диэлектрические потери и пробой. Поляризация диэлектриков. Диэлектрик, помещенный между электродами, к которым… Поляризация - это процесс, состоящий в ограниченном смеще­нии или ориентации связанных зарядов в диэлектрике при…

Механические свойства диэлектрика.

К основным механическим свойствам диэлектрика относятся упругость, прочность и вязкость. Упругость при небольших механических напряжениях… Прочность. С некоторого значения механического напряжения происходит холодное… Дальнейшее повышение механического напряжения приводит к разрушению образца при напряжении , которое называется…

Тепловые свойства

Нагревостойкость - это способность диэлектрика функ­ционировать при повышенных температурах или при резкой смене температур без недопустимого… В зависимости от вида материала и условий его эксплуатации длительное или… Нагревостойкость определяется той температурой, при которой происходит недопустимое изменение эксплуатационных…

Влажностные свойства

Все изолирующие материалы поглощают влагу. Размер молеку­лы воды примерно 2,1 * 10-9 м, что позволяет ей проникать даже в поры таких диэлектриков,… Наличие пор, сообщающихся с атмосферой, приводит к снижению влагос­тойкости… Нанесение лакокрасочных покрытий, пропитка лаками, масла­ми и компаундами, опресовка пластмассами повышают…

Физико-химические свойства

К основным физико-химическим свойствам относят кислотное число, растворимость, химостойкость, светостойкость и радиаци­онную стойкость. Кислотное число определяется количеством миллиграм­мов (мг) едкого кали (КОН),… Растворимость.Различные материалы при соприкосновении друг с другом в процессе изготовления или эксплуатации изделий…

Контрольные вопросы

1. Чем отличается предел текучести от предела прочности, для каких материалов они равны?

2. Чем отличается динамическая вязкость от кинематической?

3. Что такое нагревостойкость чем оценивается?

4. Какой класс нагревостойкости имеет гетенакс, стекло, ткань, резина?

5. Как определяется температура вспышки паров?

6. Как определяется коэффициент теплопроводности, единица измерения?

7. Чему равен коэффициент теплопроводности воздуха, фарфора, меди?

8. К чему приводит низкая холодостойкость диэлектрика?

9. Какие материалы называются смачиваемыми?

10. Как определяется гигроскопичность диэлектрика, влагопоглощаемость?

11. Для каких диэлектриков важно знание влагопоглощаемости?

12. Что такое кислотное число?

13. Почему фенолформальдигидные смолы лучше растворяются в спирте, а каучук в жидких углеводородах?

14. О чем свидетельствует высокое кислотное число трансформаторного масла?

15. К чему приводит низкая светостойкость диэлектрика?

 

Полимеризационные синтетические полимеры

Блочный состоит в том, что жидкий мономер смешивают с катализатором, заливают в нагретую форму и выдерживают до окон­чания полимеризации. В… Эмульсионным способом получают поливинилхлорид, нитрон. Лаковым способом…  

Полимерные углеводороды.

Полистирол - твердый прозрачный материал, неполярный диэлектрик с высокими электроизоляционными свойствами. По способу получения полистирол делится… Полистирол обладает следующими свойствами: температура размягчения Таз =… К недостаткам полистирола относят: хрупкость при пониженных температурах; склонность к старению с образованием трещин;…

Фторорганические полимеры.

Фторопласты - кристаллические полимеры, где атомы водорода замещены фтором. Это повышает теплостойкость и химическую стойкость получаемого… В радиоэлектронике наиболее часто используют фторопласт-4 и фторопласт-3.… Фторопласт-4 обладает следующими свойствами: рабочий диапазон температур от -250 до + 250°С; высокие диэлектрические…

Контрольные вопросы

1. Какие диэлектрики относятся к органическим?

2. Чем полимеризация отличается от поликонденсации?

3. Чем линейные полимеры отличаются от пространственных?

4. Отличие термопластичных материалов от термореактивных.

5. Перечислите способы полимеризации.

6. Какие группы полимеров относятся к синтетическим, полимеризационным?

7. Какие материалы составляют группу полимерных углеводородов?

8. Какие материалы входят в группу фторорганических полимеров?

9. Какие углеводородные полимеры полярны, какие неполярны?

10. Перечислите фторорганические полимеры.

11. Чем по свойствам фторопласт-4 отличается от фторопласта-3?

5.2.2. Поликонденсационные синтетические полимеры

 

В реакции поликонденсации участвуют не менее двух химичес­ких веществ. В результате образуются полимеры пространственной структуры, из которых получают прочные и теплостойкие термо­реактивные материалы. Продуктами поликонденсации являются: фенолформальдегидные, полиэфирные, эпоксидные и полиамидные смолы.

Фенолформальдегидные смолы

Важнейшей особенностью фенолформальдегидных смол является их способность в сочетании с различными наполнителями образовывать фенопласты, которые… Фенолформальдегидные смолы способны совмещаться со мно­гими полимерами и… Эти смолы подразделяют на резольные и новолачные.

Полиэфирные смолы

Полиэфирные смолы получают в результате реакции поликонденсации различных многоатомных спиртов (гликоля, глицерина и др.) и многоосновных… Лавсановая смола является термопластичным диэлектриком кристаллического или… Кристаллический лавсан имеет высокую температуру плавления 265°С; высокую механическую прочность в широком диапазоне…

Кремнийорганические смолы

Кремнийорганические полимеры (смолы) с пространственной структурой являются термореактивными.

В промышленности кремнийорганические смолы применяют для изготовления электроизоляционных материалов, таких как стеклотекстолиты, слюдяная изоляция, компаунды, кремнийорганический лак, покрывные эмали, резиностеклоткани и др.

Эпоксидные смолы

После добавления отвердителей эпоксидные смолы быстро отвердевают, приобретая пространственное строение. Отвердевшие эпоксидные смолы являются… Многие эпоксидные смолы токсичны и могут вызывать кожные заболевания, при…

Полиамиды

Среди полиамидов наиболее распространены капрон и найлон. Капрон имеет температуру размягчения 215…220°С и приме­няется для получения… Найлон имеет более высокую температуру размягчения, чем капрон.

Полиимиды

Полиимидные пленки применяют в конденсаторах, в нагревостойких кабелях, в качестве подложек в микросхемах; полиимидные лаки используют для…

Полиуретаны

Полиуретаны представляют собой линейные термопластичные материалы, которые после отвердения превращаются в термореактивные полимеры.

Наиболее широкое применение получили пенополиуретаны, обладающие достаточной механической прочностью, хорошими электрическими свойствами, высокой тепло- и звукоизоляцией. Их используют для герметизации малогабаритных приборов, а также для их защиты от вибраций, тепла и механических перегрузок.

Электроизоляционные пластмассы

Пластмассы получают на основе различных натуральных и искусственных смол, они успешно заменяют металлы, фарфор, каучук, стекло, шелк, кожу и другие… Они обладают следующими характеристиками: - сравнительно высокие механические свойства, достаточные для изготовления изделий, которые не подвергаются…

Слоистые пластики и фольгированные материалы

Слоистые пластики являются одной из разновидностей пластмасс, которые получают горячим прессованием листовых волокнистых материалов, предварительно… Гетинакс - слоистый листовой материал, изготовленный методом горячего… Выпускается гетинакс в виде листов и плит толщиной 0,4...50 мм, в виде трубок и цилиндров. Гетинакс используют также в…

Электроизоляционные материалы на основе каучуков.

Каучуки бывают натуральные и искусственные (синтетические). Натуральный каучук (НК) получают из млечного сока (латекса) тропического… НК неполярен. Он легко растворяется в эфире, бензине, минеральных маслах; не растворяется в воде; при нагревании до…

Компаунды.

По сравнению с лаками компаунды обеспечивают лучшую влагостойкость и влагонепроницаемость изоляции, т.к. при охлаждении после пропитки полностью… В исходном состоянии компаунды могут быть жидкими или твердыми. В жидкие компаунды перед употреблением вводят отвердитель, отчего они постепенно отвердевают, превращаясь в монолитный…

Флюсы.

 

Флюсы являются вспомогательными материалами для получения качественной и надежной пайки.

Активные (кислотные) флюсы интенсивно растворяют оксидные пленки на поверхностных соединениях деталей, обеспечивая хорошую адгезию и механическую прочность пайки. Активные флюсы применяют только в случае, когда возможна тщательная промывка и полное удаление остатков флюса.

При монтажной пайке радиоэлектронной аппаратуры использование активных флюсов исключено.

Бескислотные флюсы - это канифоль и флюсы, приготовленные на ее основе с добавлением неактивных элементов (спирта, глицерина). Остатки бескислотных флюсов не вызывают коррозия в месте пайки и не изменяют электрическое сопротивление изоляции.

Активированные флюсы приготовляют на основе канифоли с добавкой активаторов (небольшого количества салициловой кислоты, соляного диэтиламина и т.п.). Высокая активность некоторых активированных флюсов позволяет провести пайку без предварительного удаления оксидов после обезжиривания.

Антикоррозийные флюсы приготовляют на основе органических кислот, фосфорной кислоты с добавлением различных органических соединений и растворителей. Остатки этих флюсов не вызывают коррозии.

Марки флюсов приведены в справочниках.

 

ТВЕРДЫЕ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ.

  5.3.1. Стекло.  

Ситаллы.

От стекол ситаллы отличаются иным химическим составом и строением и занимают промежуточное положение между стеклами и керамикой. Они состоят из… В зависимости от химического состава исходного стекла и режима термообработки… Высокая механическая прочность, твердость, термическая и химическая стойкость, интервал рабочих температур от –50 до…

Керамика.

В качестве исходных материалов используют непластичные кристалообразующии компоненты. К кристаллообразующим компонентам относят неорганические соли (хлористый… К пластичным компонентам относят различные глинистые материалы. Глина является необходимым компонентом при…

Жидкие диэлектрики

Жидкие диэлектрики характеризуются диэлектрической проницаемостью, электропроводностью, диэлектрическими потерями, электрической прочностью Eпр. У полярных жидкостей (совол, гексол, энтигликоль) диэлектрическая… У неполярных жидкостей диэлектрическая проницаемость определяется в основном только электронной поляризацией, не…

Газообразные диэлектрики

Электропроводность газов обусловлена наличием ионов и электронов. Проводимость повышается, если приложить повышнное напряжение. Вольт-амперная… На участке 1 носители образуются под воздействием приложенного напряжения (не… Протекающий при этом электрический ток пропорционален приложенному напряжению U, т. е. выполняется закон Ома:

Пробой газов в однородном электрическом поле

Электрическая прочность газов по сравнению с твердыми и жид­кими диэлектриками невелика. Нарушение их изоляционных свойств связано с явлением… Число электронов, образующихся в течение 1 с в 1 см2 воздуха под действием… При увеличении напряженности электрического поля электро­ны ударяются между собой и приобретают энергию, достаточную…

Пробой газа в неоднородном поле

Пробой газа в неоднородном электрическом поле отличается от пробоя в однородном электрическом поле по величине пробивно­го напряжения Uпр и по… Особенностью пробоя газа в неоднородном поле является воз­никновение… Часто возникает пробой на границе раздела с твердым диэлектриком. Такой пробой в технике называют поверхностным. На…

Относительная плотность воздуха 1.

Азот N2 - бесцветный газ, не имеющий запаха. Он бесцветен также в жидком и твердом состоянии. Обладает одинаковой с воз­духом электрической… В чистом виде азот применяется сравнительно редко (для высоковольтных… Кислород газообразный О2 - бесцветный газ без за­паха и вкуса.

Активные диэлектрики

Основным используемым явлением обычных (пассивных) диэлектриков является поляризация, индуцируемая внешним электрическим полем.

 

Сигнетодиэлектрики

Спонтанная поляризация - это поляризация, которая возникает в диэлектрике под влиянием внутренних процессов, без внешних воздействий. Это явление… Объем сигнетодиэлектрика разделен на домены, которые пред­ставляют собой…

Пьезодиэлектрики

Пьезоэффект был открыт братьями Кюри в 1880 г. Явление образования электрического заряда на поверхности соответствующих… Возникающая при этом поляризованность Р прямо пропорцио­нальна приложенному механическому напряжению ст:

Электреты

Электретами называются диэлектрики, которые длительное вре­мя создают в окружающем пространстве электрическое поле за счет предварительной… Первые электреты были получены в 20-е годы прошлого столетия. Они представляют…  

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Магнитные материалы обладают способностью при внесении их в магнитное поле намагничиваться, а некоторые из них сохраняют свою намагниченность и после прекращения воздействия магнит­ного поля.

 

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

    Петля гистерезиса.При циклическом изменении напряженности постоянного магнитного поля от 0 до -+Н, от + Н до -Н и… Рис. 6.1. Петли гистерезиса при различных значениях напряженности внешнего

Классификация магнитных материалов

 

Электроматериалы, применяемые в технике с учетом их магнитных свойств, разделяют на магнитомягкие и магнитотвердые.

Термины «магнитомягкие» и «магнитотвердые» не относятся к механическим свойствам материала. Некоторые механически твер­дые материалы являются магнитомягкими, а механически мягкие материалы могут относиться к магнитотвердым. Основанием для де­ления магнитных материалов на магнитомягкие и магнитотвердые являются следующие особенности. Процессы намагничивания материалов обеих групп протекают одинаково: на первом этапе происхо­дит смещение границ доменов, на втором - вращение магнитных моментов доменов в направлении намагничивающего поля, на тре­тьем - парапроцесс. Согласно кривой намагничивания смещение гра­ниц доменов требует меньших энергетических затрат, чем процессы вращения магнитных момен­тов и парапроцесс. В магнитомягких материалах намагничивание происходит в ос­новном за счет смещения гра­ниц доменов. Магнитотвердые материалы намагничива­ются преимущественно за счет вращения векторов намагни­чивания и парапроцесса.

Форма петли гистерезиса обеих групп материалов (рис. 6.3), индукция насыще­ния B_s и остаточная индукция В_с примерно одинаковы, однако разница в коэрцитивной силе Н_с достигает очень большого значения. Так, для магнитотвердых ма­териалов наибольшая коэрцитивная сила Н_с = 800 кА/м, а для маг­нитомягких материалов наименьшая коэрцитивная сила Н_с

Рис. 6.3. Петли гистерезиса: а, б - магнитомягких материалов (округлая петля); в - магнитомягких материалов.(прямоугольная петля); г – магнитотвердых материалов

равная 0,4 А/м, т.е. различие составляет 2·10⁶ раз.

Исходя из различий в коэрцитивной силе условно принято раз­деление на магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитомягкие материалы имеют малое значение коэр­цитивной силы Н_с, поэтому способны намагничиваться до насыще­ния даже в слабых магнитных полях. Они обладают следующими свойствами:

узкая петля гистерезиса небольшой площади при высоких зна­чениях индукции и небольшой коэрцитивной силой Н_с<4 кА/м (см. рис. 6.3, а, б, в);

однородность структуры;

минимальные механические напряжения;

минимальное количество примесей и включений;

незначительная кристаллографическая анизотропия.

Магнитомягкие материалы с округлой петлей гистерезиса при­меняют для работы в низкочастотных магнитных полях. Магнит­ные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса применяют для изготовления устройств магнитной памяти.

Магнитотвердые материалы имеют большие значения ко­эрцитивной силы Н_с, трудно намагничиваются, но способны дли­тельное время сохранять намагниченность. Они обладают широ­кой петлей гистерезиса с большой коэрцитивной слой Н_с>4 кА/м (рис. 6.3, г) и наличием однодоменных структур, возникающих в небольших объемах магнитного вещества.

Магнитотвердые материалы служат для изготовления постоян­ных магнитов.

Особую группу составляют материалы особого назначе­ния, которые имеют сравнительно узкую область применения.

 

Магнитотвердые материалы

Основными характеристиками магнитотвердых материалов яв­ляются коэрцитивная сила Нс, остаточная индукция Вс, максималь­ная удельная магнитная… Магнитная проницаемость μ магнитотвердых материалов зна­чительно меньше,… Влияние температуры на величину остаточной магнитной индук­ции Вr, которая соответствует максимальному значению…

Магнитомягкие материалы

Для уменьшения потерь на вихревые токи необходимо снижать толщину отдельных листов магнитного материала, так как при уменьшении толщины листа… Исходя из этих особенностей магнитомягкие материалы делят на материалы для…  

Магнитомягкие материалы для низкочастотных магнитных полей

В постоянных и низкочастотных магнитных полях (на частотах до единиц килогерц) применяют металлические магнитомягкие ма­териалы: технически чистое,… Магнитомягкие материалы должны обладать следующими свой­ствами: малая коэрцитивная сила Hc;