I. Неметаллические материалы

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВведЕние.. 5

I. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ... 7

1.1 ДИЭЛЕКТРИКИ.. 9

Основные процессы в диэлектриках в электрическом поле. 11

Электропроводность диэлектриков. 12

Поляризация диэлектриков. 14

Диэлектрические потери. 21

Пробой диэлектриков. 27

Контрольные вопросы.. 32

1.2. ПОЛУПРОВОДНИКИ.. 33

Собственные полупроводники. 34

Примесные полупроводники. 35

Применение полупроводников. 38

Контрольные вопросы.. 44

II. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ.. 45

2.1. Диаграмма растяжения. 45

2.2. Твердость. 48

2.3. Теоретическая и реальная прочности кристалла. 50

Контрольные вопросы.. 52

III. Влияние нагрева на структуру и свойства металлов 53

3.1. Процессы, происходящие при нагреве деформированного металла 53

3.2. Холодная и горячая деформации. 57

3.3. Термическая обработка металлов. 59

3.4. Химико-термическая обработка металлов. 62

3.5. Поверхностная пластическая деформация. 67

Контрольные вопросы.. 68

IV. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ... 70

4.1. Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам 70

4.2. Сплавы железа с углеродом... 74

Стали. 75

Контрольные вопросы.. 79

 

 

4.3. Цветные металлы и сплавы... 80

Медные сплавы.. 80

Алюминиевые сплавы.. 82

Магний и его сплавы.. 84

Титан и его сплавы.. 84

Контрольные вопросы.. 85

4.4. ОРГАНИЧЕСКИЕ конструкционные материалы... 86

Химический состав. 86

Строение полимеров. 87

Свойства полимеров. 91

Полимеры с наполнителями. 93

Эффективность применения полимеров. 93

Контрольные вопросы.. 94

4.5. Неорганические конструкционные материалы... 95

Графит. 95

Стекло. 97

Ситаллы.. 99

Керамика. 101

Контрольные вопросы.. 104

4.6. Композиционные материалы... 105

Дисперсноупрочнённые композиционные материалы.. 105

Волокнистые композиционные материалы.. 106

Контрольные вопросы.. 109

Список литературы.. 110

 

ВведЕние

 

 

Умение находить и использовать материалы является важнейшим условием развития человечества. Поэтому неслучайно разные периоды его развития носят названия по тому материалу, который освоил человек. Первоначально это были природные материалы: дерево и камень, из которых изготавливали орудия труда и оружие: палки, топоры, стрелы и пр.. Этот период получил название «каменный век». Его сменил «бронзовый век», когда люди научились выплавлять медь. Затем пришёл «железный век», когда повсеместно распространилось железо. Двадцатый век часто по праву называют «веком стали».

За многовековую историю своего развития человек научился создавать и использовать огромное количество различных материалов и веществ. Их к настоящему времени уже известно более 20 миллионов. Каждый материал обладает своими уникальными свойствами: тепловыми, механическими, электрическими, магнитными и др. Часто возможность создания того или иного технического устройства – самолета, подводной лодки, компьютера и др. –определяется свойствами имеющихся в распоряжении конструкторов материалов. Поэтому потребности науки, техники, производства в новых материалах всё более возрастают. Ориентироваться во всём этом многообразии невозможно без знания закономерностей формирования свойств материалов, их зависимости от химического состава, структуры, термической обработки и т.д. Изучение и выявление таких закономерностей является задачей обширной науки – материаловедения.

Данное учебное пособие является изложением курса материаловедения, предназначенного для студентов электротехнических специальностей, поэтому в первую очередь рассматриваются электрические свойства материалов. Первая часть курса, посвященная свойствам металлов и сплавов, изложена в книге [1]. В этом учебном пособии продолжено рассмотрение основных электрических свойств и процессов в неметаллических материалах: диэлектриках и полупроводниках. Во второй главе уделено внимание механическим свойствам материалов и способам их измерения. В третьей главе – процессам, происходящим при нагреве металлов, их термической и химико-термической обработке. Четвёртая глава посвящена различным конструкционным материалам: металлическим – неметаллическим, органическим, неорганическим, компо­зи­ционным.

Для закрепления усвоения материала в конце тематических разделов приведены контрольные вопросы.

 

 

ДИЭЛЕКТРИКИ

 

Диэлектрическими называют материалы, имеющие низкую плотность подвижных носителей заряда (ионов и электронов), поэтому практически не проводящие электрический ток. Удельное электрическое сопротивление таких материалов в 10¹²– 10²⁵раз выше, чем у проводников и характеризуется величинами r = 10⁸ ¸10¹⁸ Ом·м. Энергия, необходимая для возбуждения электронов на уровни проводимости, превосходит 3 электрон-вольта.

По химической природе и строению диэлектрические материалы весьма разнообразны (рис. 2).

Тип химической связи зависит от природы взаимодействующих атомов, о чем говорилось ранее. Агрегатное состояние вещества может меняться в зависимости от температуры. Поясним некоторые новые термины.

Органическими называют вещества, содержащие в своей основе углерод и водород. Кроме того, в них может входить некоторое количество кислорода, азота, серы и других элементов. Неорганические вещества разнообразны по химическому составу и могут состоять из любых элементов периодической таблицы Менделеева.

Кристаллические тела характеризуются правильным периодическим расположением атомов. У аморфных тел атомы или молекулы распределены неупорядоченно, хаотично.

По строению молекул различают мономеры и полимеры. Мономеры – вещества, молекулы которых состоят из относительно небольшого числа атомов, обычно <100. Полимеры – вещества, молекулы которых состоят из многочисленных повторяющихся звеньев. Количество атомов входящих в такую макромолекулу, очень велико от 1000 до 1 000 000.

По происхождению материал может быть природным, т.е содержаться в окружающей среде, а может быть получен искусственным или синтетическим путем.

 

Рис. 2. Классификация диэлектриков

 

По электронному строению молекул различают полярные и неполярные вещества. У неполярных диэлектриков электроны распределены симметрично и поэтому в отсутствии внешнего электрического поля собственного дипольного момента у молекул нет. У полярных диэлектриков, напротив, молекулы являются электрическими диполями. Дипольный момент у молекул возникает из-за несимметричного распределения электронов в пространстве. Причиной могут быть атомы галогенов или сильных окислителей, которые притягивают электроны. Например, группы –Cl, –F, –OH и др..

Например, алмаз можно охарактеризовать как твердый по агрегатному состоянию диэлектрик, с ковалентной связью, неорганический, кристаллический по структуре, по происхождению может быть как природным, так и синтетическим, неполярный. Поливинилхлорид – это твердый аморфный диэлектрик, органический, с ковалентной связью в углеродной цепочке, с поляризационной связью между молекулами, синтетический по происхождению, полярный из-за наличия атомов хлора.

Разнообразие диэлектриков приводит к большим различиям в их свойствах. Рассмотрим основные электрические характеристики диэлектриков.

 

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Диэлектрики практически не содержат свободных зарядов, однако любое вещество состоит из электрически заряженных частиц, которые находятся в связанном состоянии. При помещении в электрическое поле они смещаются на небольшие расстояния, что, в свою очередь приводит к возникновению своего собственного электрического поля вещества, направленного против внешнего электрического поля. Таким образом, результирующее поле оказывается ослабленным. Величину, во сколько раз ослабляется электрическое поле в веществе по сравнению с полем в вакууме, называют диэлектрической проницаемостью материала. А процесс смещения связанных зарядов, приводящий к возникновению собственного поля вещества, называют поляризацией.

Рис. 5. Диэлектрик, помещенный в электрическое поле Ео

Рассмотрим диэлектрик, помещенный между обкладками конденсатора (рис.5.). Заряды на обкладках создают электрическое поле Е_о. Под действием этого поля связанные заряды внутри диэлектрика смещаются и создают собственное поле Е₁, направленное против внешнего. Результирующее электрическое поле в диэлектрике Е_Д равно разности

. (4)

Тогда отношение

(5)

будет равно диэлектрической проницаемости среды e. Эта величина безразмерная и характеризует диэлектрические свойства материала.

Найдем емкость такого конденсатора с диэлектриком по формуле

,

Подставим напряженность поля, используя соотношения U= d Е_Д, и (5), преобразуем

,

где U_о – напряжение конденсатора без диэлектрика, С_о – емкость конденсатора без диэлектрика.

Или

. (6)

Получаем таким образом, что емкость конденсатора с диэлектриком возрастает в e раз.

Количественно состояние поляризации характеризует вектор поляризации P, который равен суммарному электрическому дипольному моменту единицы объема вещества

, (7)

где p_i – дипольные моменты частиц вещества, V – его объем.

В зависимости от природы смещающихся частиц и строения молекул материала поляризация подразделяется по механизму на:

1) электронную (ε = 1,5-2,5);

2) ионную (ε = 5-15);

3) дипольную (ε = 2-5);

4) спонтанную (ε = 10²-10⁵).

 

Электронная поляризация

Электронная поляризация возникает в неполярных диэлектриках, в которых молекулы не обладают собственным дипольным моментом. В этом случае атом или молекула (например, атом водорода) представляют собой систему, состоящую из положительно заряженного ядра, вокруг которого равномерно и симметрично распределены электроны. При таком расположении центры положительных и отрицательных зарядов совпадают, и поэтому дипольный момент молекулы равен нулю.

При помещении диэлектрика в электрическое поле положительно заряженное ядро смещается по полю, а отрицательно заряженные электроны – против поля. Таким образом, происходит смещение положительных зарядов относительно отрицательных и возникает суммарный дипольный момент вещества, то есть поляризация.

E=0 E а б Рис. 6. Ионный механизм поляризации: а – электрическое поле отсутствует, б – смещение ионов под действием электрического поля

Данный механизм называют электронной поляризацией, поскольку происходит смещение электронных оболочек атомов и молекул. Поскольку связь между ядром и электроном прочная, то сместить электрон относительно ядра очень сложно, поэтому величина возникающей поляризации оказывается небольшой. Характерные значения диэлектрической проницаемости материалов с электронным механизмом поляризации ε = 1,5¸2,5.

Ионная поляризации

Данный вид поляризации происходит в случае, когда вещество состоит из ионов. Рассмотрим, например, ионный кристалл NaCl. Кристаллическая решетка его представляет собой пространственную кубическую решетку с правильным чередованием ионов различных знаков (рис.6.). В отсутствие электрического поля в любом объеме и на каждой грани кристалла находится одинаковое количество как положительно заряженных ионов натрия Na⁺, так и отрицательно заряженных ионов хлора Cl^–. Следовательно, они компенсируют друг друга, то есть суммарный дипольный момент вещества равен нулю.

Если вещество поместить в электрическое поле, положительные ионы начнут смещаться вдоль поля, отрицательные – против поля. Тогда на поверхности диэлектрика с одной стороны будет накапливаться положительный заряд, а с другой – отрицательный. Таким образом, произойдёт поляризация диэлектрика. Поскольку связь между ионами намного слабее связи между электронами и ядром атома, величина ионной поляризации оказывается больше электронной. Характерные значения диэлектрической проницаемости с ионным механизмом поляризации ε = 5¸15.

Дипольная поляризация

Дипольная поляризация возникает в полярных диэлектриках, молекулы которых являются диполями. В этом случае при отсутствии внешнего электрического поля дипольные моменты молекул ориентированы хаотически, поэтому при суммировании общий дипольный момент любого объема вещества равен нулю (рис. 7 а). При помещении во внешнее электрическое поле эти диполи стремятся ориентиро­ваться таким образом, чтобы положительный заряд был направлен по полю, а отрицательный – против поля (рис. 7 б). В итоге появляется преимущественная ориентация диполей и, соответственно, суммарный дипольный момент. Так происходит поляризация вещества, и такой механизм называется дипольной поляризаций. Величина дипольной поляризации обычно небольшая, характерные значения диэлектрической проницаемости ε = 2¸5.

E=0 E а б Рис. 7. Дипольная поляризация: а – электрическое поле отсутствует, б – электрическое поле присутствует

 

Спонтанная поляризация

Рис. 8. Спонтанная поляризация: а – электрическое поле отсутствует, сб – электрическое поле присутствует.

Спонтанная поляризация происходит в материалах, называемых сегнетоэлектриками. Первоначально такой механизм поляризации был обнаружен у сегнетовой соли, из-за чего весь класс материалов получил своё название. Такой материал состоит из участков, называемых доменами, причем в пределах каждого домена происходит самопроизвольная очень сильная поляризация вещества в одном направлении. Каждый домен имеет свое направление спонтанной поляризации.

При отсутствии внешнего электрического поля оси поляризации доменов направлены во все стороны. поэтому при векторном суммировании дипольных моментов множества доменов общий дипольный момент оказывается равным нулю (рис. 8 а). При наложении внешнего электрического поля дипольные моменты доменов начинают поворачиваться вдоль поля, происходит их ориентация (рис. 8 б). Вследствие этого дипольные моменты доменов складываются, увеличивая общий дипольный момент материала, т.е. появляется суммарная поляризация вещества.

Рис. 9. Петля диэлектрического гистерезиса

Поскольку домены сами по себе сильно поляризованы, суммарный эффект оказывается очень большим. Величина диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков очень велика ε = 100¸100 000.

При наложении и снятии электрического поля поляризация материала изменяется по разному. На график зависимости поляризации от напряженности электрического поля (рис. 9) получается петля диэлектрического гистерезиса (очень похожая по форме на петлю гистерезиса намагничивания ферромагнетиков).

По характеру поляризация подразделяется на упругую и релаксационную (тепловую). Например при электронной поляризации, смещение электронных оболочек атомов или молекул происходит практически мгновенно (за время t»10^–15 с).. В результате при включении и выключении внешнего электрического поля поляризация устанавли­вается мгновенно и запаздывания между поляризацией и электрическим полем практически нет (рис. 10 а). В этом случае, при включении и выключении электрического поля, потерь электрической энергии в веществе не происходит. Такой тип поляризации называется упругой поляризацией.

Некоторые другие процессы в веществе протекают с заметной задержкой (время t»10^–3¸10^–5 с), например, процессы, связанные с тепловой активацией. Так при дипольной поляризации, между разными положениями громоздких молекул существуют потенциальные барьеры, и для того, чтобы их преодолеть, требуется энергия.

 

а)   б)

Рис. 10. Упругая (а) и релаксационная (б) типы поляризации

Если энергии внешнего электрического поля недостаточно, то таким дополнительным источником энергии становится тепловая, которой требуется некоторое время для поворота диполей. Тогда при включении внешнего электрического поля (или при выключении) поляризация запаздывает и устанавливается через некоторое время, которое называется временем релаксации (рис. 10 б) Эта задержка играет важную роль, поскольку в результате этой задержки в диэлектрике в переменном электрическом поле происходит потеря энергии на поляризацию. Такого типа поляризация называется релаксационной или тепловой.

Активные диэлектрики

Активными диэлектриками называют материалы с особыми электрическими свойствами – с большой величиной диэлектрической проницаемости, сильной зависимостью от внешних воздействий и т.д. К ним относятся рассмотренные сегнетоэлектрики.

Электреты. Другим примером являются электреты. По английски «electret» пишется аналогично «magnet» – магнит В этих материалах поляризованное состояние может сохраняться годами. Электреты служат источниками постоянного электрического поля без затрат энергии, они – электрические аналоги постоянных магнитов. Такими свойствами обладают хорошие диэлектрики: пчелиный воск, канифоль, поликарбонат, керамика CaTio₃ и т.д.

Пироэлектрики – обладают способностью поляризоваться под действием нагрева или охлаждения. На их основе изготавливают высокочувствительные термодатчики, детекторы инфракрасного излучения и др. Примерами таких материалов являются турмалин, керамика BaTiO₃, поливинилфторид.

Пьезоэлектрики – диэлектрики, в которых под действием механической нагрузки возникает электрическая поляризация (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.). Такой эффект называют прямым пьезоэффектом. При обратном пьезоэффекте под действием электрического поля происходит механическая деформация кристалла. Взаимосвязь механического и электрического состояний кристалла приводит к колебаниям кристалла с высокой добротностью. Это свойство используют для создания кварцевых резонаторов, генераторов стабильной частоты, фильтров высоких и низких частот, трансформаторов и т. д. Прямой эффект используется в датчиках перемещений, звукоснимателях, микрофонах. Обратный – в излучателях ультразвука, в механических микроприводах.

Сейчас количество активных диэлектриков насчитывается более 500, они находят все более широкое применение в различных технических устройствах.

 

Диэлектрические потери

Диэлектрические потери – это процесс выделения тепловой энергии в диэлектрике под действием внешнего электрического поля. Потери связаны с двумя рассмотренными процессами в диэлектрике: электропроводностью и поляризацией. Так, под действием электрического поля свободные носители заряда разгоняются, приобретают кинетическую энергию и, сталкиваясь с молекулами вещества, передают им эту энергию. Таким образом, энергия электрического поля трансформируется в тепловую энергию.

Рассмотрим конденсатор с диэлектриком, который включён в электрическую цепь рис. 11. Мощность электрических потерь в нем определяется формулой:

W=U× I× cos α, (8)

где U – напряжение и I – ток на участке цепи, – a сдвиг фаз между ними.

В конденсаторе с идеальным диэлектриком сдвиг фаз между напряжением и током в точности равен 90 градусам (угол α), вследствие чего мощность потерь в соответствии с формулой (8) равна нулю. В случае реального диэлектрика ток отклоняется от перпендикулярного направления на некоторый угол d. Векторная диаграмма тока и напряжения в этом случае приведена на рис. 12.

Вектор тока можно разложить на две составляющие:

I_a – активную, параллельную вектору напряжения, и

I_p – реактивную, перпендику­лярную вектору напряжения.

Тогда по диаграмме

I× cos α= I_a=I× sind = I_р× tgd,

или, подставляя в (8), получим

W=U× I_р× tgd, (9)

т.е. величина мощности потерь пропорциональна множителю × tgd.

Поэтому для количественной оценки величины диэлектрических потерь используют понятие тангенс угла диэлектрических потерь, который характеризует свойства материала.

 

Величина напряжения (U), частоты тока (w) и емкость конденсатора (С) определяют реактивную составляющую тока:

I_p=U´wґC. (10)

В свою очередь, емкость конденсатора зависит от диэлектрической проницаемости e материала (6)

С=e × С_о ,

где С_о – емкость конденсатора без диэлектрика.

Откуда

W=U× w× C_о× e tgd. (11)

 

В приведенной формуле величины напряжения, круговая частота и С_о не зависят от свойств среды, а диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь определяются материалом диэлектрика. Их произведение называют коэффициентом диэлектрических потерь k_d.

k_d = e × tgd, (12)

от него зависит мощность электрических потерь, подставляя в (11), получим

W=U× w× C_о× k_d. (13)

Величины тангенс угла потерьtgd и коэффициент диэлектрических потерь k_d характеризуют свойства материала. Чем они больше, тем больше электрические потери и тем больше нагрев диэлектрика.

В соответствии с формулой (13) мощность потерь энергии пропорциональна частоте переменного электрического поля. Поэтому по величине тангенса угла и коэффициента потерь различают низкочастот­ные (НЧ) и высокочастотные (ВЧ) диэлектрики (рис. 13).

НЧ диэлектрики используются при низких частотах f < 20 кГц,

ВЧ диэлектрики – при высоких частотах электрического поля f > 20 кГц.

Тангенс угла диэлектрических потерьtgd зависит от химического состава материала, его строения, полярности. Величина полярности для некоторых атомных групп возрастает в ряду слева направо

CH < CN < CO < CF < CCl

Наименьшие величины тангенса угла потерьtgd и коэффициента диэлектрических потерь k_d. имеют химически чистые неполярные диэлектрики с ковалентной и поляризационной связью.

 

Для неполярных

При воздействии электрического поля свободные носители зарядов разгоняются, приобретают кинетическую энергию, потом соударяются с встречающимися на их пути преградами, и при этом энергия частиц переходит в тепловую.

В переменном электрическом поле частицы половину периода движутся в одну сторону, а затем вторую половину периода – в противоположную сторону. С увеличением частоты поля длительность периода колебаний сокращается, следовательно уменьшается энергия, приобретаемая частицами за время полупериода, что приводит к снижению количества энергии, переходящей в тепло.

Вид графика частотной зависимости tgd неполярного диэлектрика приведен на рис. 17. При росте частоты электрического поля диэлектрические потери снижаются.

Для полярных

В полярных диэлектриках дипольные частицы имеют характерные частоты резонансов, на которых величина потерь на поляризацию возрастает. Складываясь с потерями проводимости получаются общие потери. На рис. 18 приведен вид температурной зависимостиtgd полярного диэлектрика, на графике можно увидеть характерные резонансные пики.

Наличие максимумов коэффициента диэлектрических потерь на резонансных частотах увеличивает общие потери и ограничивает применение полярных диэлектриков в высокочастотных полях.

 

 

Пробой диэлектриков

Пробой диэлектрика – это потеря материалом диэлектрических свойств, то есть при больших напряженностях электрического поля, температурах и других внешних воздействиях диэлектрик может проводить электрический ток – ведет себя не как изолятор, а как проводящая среда.

По природе и механизму протекания процесса различают пробой:

1. Электрический (искры, молнии) – который происходит в сильных электрических полях, протекает практически мгновенно за время 10^–8¸10^–3 с.

2. Электротепловой – связанный с нагревом материала, процесс более длительный, поэтому характерные времена протекания 1с¸1час.

3. Электрохимический – связанный с изменением химического состава диэлектрика во время длительного нахождения его в электрическом поле. Характерные времена 1 день¸1 год.

Электрический пробой

Почему же при больших напряженностях электрического поля диэлектрик начинает проводить электрический ток, что происходит в материале?

В исходном состоянии диэлектрик не проводит электрический ток, так как в нем ничтожно мало свободных зарядов, которые могли бы перемещаться в электрическом поле. Раз носителей заряда практически нет, значит, ток в материале близок к нулю. Но при больших напряженностях электрического поля проводимость диэлектрика начинает резко возрастать и достигает значений проводимостей проводников. Откуда же берутся в огромном количестве свободные носители зарядов?

Для этого рассмотрим диэлектрик, помещенный в электрическое поле рис.19. Если в нем имеется свободная заряженная частица, то под действием электрического поля она будет двигаться, причем ускоряясь, все быстрее и быстрее. Чем дольше разгоняется частица, тем большей скорости она достигает. Этот разгон длится до момента столкновения частицы с препятствием, например, молекулой или ионом. В этом случае при столкновении заряженная частица отскочит и, соответственно, потеряет скорость направленного движения. Затем процесс разгона заряженной частицы начинается заново. Далее эти процессы будут повторяться: частица разгоняется, затем сталкивается с препятствием, теряет свою энергию, снова разгоняется и т. д.

Время, в течение которого частица разгоняется и двигается без столкновений, называется временем релаксации τ, а расстояние, которое она пролетает за это время – длиной свободного пробега λ. Кинетическая энергия W_к, приобретаемая за время пролета частицей, находится по формуле

W_к= g ×Е ×l, (14)

где g – заряд частицы, Е –.напряженность электрического поля.

Если кинетическая энергия W_к невелика, то этот процесс повторяется периодически, и приводит к сквозной электропроводности диэлектриков, величина которой очень мала.

В случае возрастания длины свободного пробега или при возрастании напряженности электрического поля, энергия W_к, приобретаемая частицей, увеличится (14). Если энергия W_к превысит энергию необходимую для ионизации атома или молекулы, то характер процесса изменится. Теперь при столкновении с молекулой частица будет выбивать из нее электрон (рис. 20). В итоге получатся

две свободные заряженные частицы, которые в электрическом поле вновь начнут двигаться. При следующем столкновении каждая из них выбьет еще по электрону, следовательно, свободных частиц станет уже четыре. Далее их станет восемь, шестнадцать и т. д. Количество свободных заряженных частиц будет очень быстро возрастать в геометрической прогрессии. В результате получается среда с очень большим количеством свободных зарядов, то есть проводящий по свойствам материал. Такой механизм появления свободных зарядов называют ударной ионизацией, и он приводит к электрическому пробою.

Электротепловой пробой

Материал, помещенный в электрическое поле, нагревается из-за диэлектрических потерь, т.е. выделения тепла. Нагретое тело отдает тепло окружающей среде, и чем больше нагревается, тем больше отдается среде. В равновесном состоянии величины выделившейся теплоты потерь и отдаваемой среде должны быть равны.

Рассмотрим графики зависимостей мощностей выделяющейся и отводящейся теплоты от температуры диэлектрика рис.21. Мощность теплоотвода – это линейная зависимость. Теплота, которая отдается окружающей среде, пропорциональна температуре нагрева. Мощность тепловы­деления – это нелиней­ная зависимость экспоненциального характера. Данные графики пересекаются в двух точках А и В. Эти точки особые, соответствующие состоянию теплового равновесия.

Если в первоначальном состоянии температура диэлектрика была комнатная, то мощность тепловыделения будет приводить к росту температуры диэлектрика. Соответственно мощность теплоотвода также будет возрастать. Когда эти мощности сравняются в точке А, температура больше не будет изменяться. Установится равновесие подводимой и отводимой теплоты. Если температура вдруг окажется выше t_A, то мощность теплоотвода будет превышать мощность тепловыделения, значит, температура будет снижаться, вплоть до точки равновесия А. Поэтому точка А соответствует устойчивому тепловому состоянию диэлектрика.

Вторая точка равновесия – точка В, однако это точка неустойчива. Выше этой точки мощность тепловыделения больше мощности теплоотвода. Соответственно, температура материала будет расти, и по мере её роста мощность тепловыделения будет все больше возрастать. Следовательно, материал будет нагреваться неограниченно, теоретически – до бесконечности, практически – до разрушения диэлектрика. Такой механизм пробоя называется электротепловым пробоем.

 

Электрохимический пробой

В диэлектрике под действием электрического поля происходят различные химические процессы, что с течением времени приводит к изменению химического состава диэлектрика: в нем появляются продукты разложения исходного материала, окисления, диссоциации и др. В результате свойства диэлектрика изменяются: увеличивается проводимость, снижается электрическая прочность. Например, трансформаторное масло со временем темнеет, в нем появляется осадок, выделяются газовые пузырьки – это признаки старения материала. Его изоляционные свойства ухудшаются и если масло своевременно не заменить, то происходит электрохимический пробой.

В зависимости от условий эксплуатации и окружающей среды в одном и том же материале могут происходить разные виды пробоев. Например, при росте температуры окружающей среды электрический пробой переходит в электротепловой. На рис. 22 приведен график электрической прочности электротехнического фарфора от температуры среды. Область температур А соответствует электрическому пробою, область В – электро­теп­ловому.

 

Кривая жизни диэлектрика

С течением времени диэлектрические свойства материала ухудшаются. Этот процесс называют старением материала. Он связан с изменением химического состава вследствие окисления коррозии, светового и механического воздействия, нарушения структуры, разложения и т.д. Стабильность свойств материала зависит от прочности химической связи между атомами и молекулами диэлектрика. Зависимость электрической свойств от времени называется кривой жизни диэлектрика. На рис.23. приведены кривые жизни для полиэтилена (–C₂H₄–)_n и второпласта (–C₂F₄–)_n. Поскольку прочность связи C–F 450 кДж/моль выше, чем связи C–H 290 кДж/моль, то и время жизни второпласта оказывается больше, чем у полиэтилена.

 

Контрольные вопросы

1. Какие материалы называют диэлектрическими?

2. Где их применяют?

3. Перечислите типы химических связей в диэлектриках.

4. Какие процессы происходят в диэлектриках, помещенных в электрическое поле?

5. Что происходит при поляризации?

6. Каковы механизмы поляризации?

7. Отчего зависит электропроводность диэлектрика?

8. Чем характеризуются диэлектрические потери?

9. Какие виды пробоя происходят в диэлектриках?

10. Что происходит при электрическом пробое?

 

 

ПОЛУПРОВОДНИКИ

 

У полупроводников энергетическая щель Е_g между зонами валентности и проводимости составляет около 1 эВ. При поглощении валентным электроном кванта энергии, большего ширины запрещенной зоны, электрон переходит на свободные уровни зоны проводимости и получает возможность перемещаться (рис. 24).

Для возбуждения электрона ему нужно сообщить значительную энергию, например с помощью нагрева. Чем выше температура нагрева полупроводника, тем более вероятен перескок электрона из валентной зоны в зону проводимости. Другими способами возбуждения электронов могут быть световое облучение, проникающая радиация, наложение сильного электрического поля и т.д.

Ширина запрещенной зоны у типичных полупроводников германия E_g = 0,66 эВ; кремния E_g = 1,12 эВ; арсенида галлия E_g = 1,43 эВ.

У полупроводника количество свободных носителей заряда больше чем у диэлектриков, но меньше чем у проводников.

Проводимость s_e, обусловленная подвижными электронами, равна

σ_e=n_eqμ_e, (15)

где n_e – концентрация свободных электронов, – подвижность электронов.

Когда электрон выскакивает из ковалентной связи, он становится электроном проводимости. На его месте появляется незанятое место или дырка. На это незанятое место может перескочить электрон из соседней связи, т.е. дырка заполнится в одном месте, но появится в соседнем. Таким образом дырка может перемещаться по кристаллу, и это перемещение дырки эквивалентно движению положительно заряженной частицы. Значит при возбуждении электрона в кристалле появляются два подвижных носителя заряда противоположных знаков: отрицательный электрон и положительная дырка.

Дырочную проводимость s_p можно вычислить по формуле:

σ_p=n_pqμ_p, (16)

где n_p – концентрация дырок, – подвижность дырок.

В свою очередь, концентрации электронов и дырок определяются соотношением:

 

, (17)

, (18)

где N_e0 и N_p0 – константы, k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.

Общая проводимость равна сумме электронной и дырочной проводимостей

σ = σ_e+ σ_p. (19)

 

 

Собственные полупроводники

Химически чистые полупроводни­ки называются собственными полупроводниками. К ним относится ряд