Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Харківська національна академія міського господарства

Харківська національна академія міського господарства




Сторінка1/6
Дата конвертації25.04.2017
Розмір0.61 Mb.
  1   2   3   4   5   6

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ МІСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА

ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНІ МАТЕРІАЛИ.

ПРОВІДНИКОВІ, МАГНІТНІ Й НАПІВПРОВІДНИКОВІ МАТЕРІАЛИ

(Тексти лекцій для студентів спеціальностей

6.

Напівпровідники́ (англ. semiconductors) - матеріали, електропровідність яких має проміжне значення між провідностями провідника та діелектрика. Відрізняються від провідників сильною залежністю питомої провідності від концентрації домішок, температури та різних видів випромінювання.
090603 - ЕСЕ, 6.090605 - СДС, 6.092202 - ЕТ)

Харків-ХНАМГ-2007


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

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

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

Рекомендовано кафедрою електропостачання міст,

протокол № 10 від 21.06.2007 р.


Вступ

Використання будь-якого електротехнічного матеріалу завжди супроводжується його вибором з існуючої номенклатури. З кожним роком номенклатура матеріалів, які застосовуються в електротехнічній промисловості, розширюється, що ускладнює завдання відбору відповідного матеріалу.

Електротехні́чна промисло́вість - галузь машинобудування, яка випускає продукцію для виробництва, передавання та перетворення електроенергії у інші види енергії - механічну, світлову, теплову, хімічну тощо.
Вибір слід проводити, виходячи з усього комплексу властивостей, якими він володіє. Для забезпечення надійної роботи проектованого електротехнічного виробу необхідні дані про вплив різних зовнішніх факторів на характеристики використовуваних матеріалів. Таким чином, тільки на підстави комплексного вивчення характеристик електротехнічних матеріалів може бути здійснений раціональний вибір того чи іншого електротехнічного матеріалу.



1.Провідникові матеріали

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

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

1. Надпровідники;

2. Кріопровідники;

3. Метали;

4. Сплави металів;

Електри́чний заря́д - фізична величина, яка є кількісною мірою властивості фізичних тіл або частинок речовини, що вступають в електромагнітну взаємодію. Електричний заряд звичайно позначають латинськими літерами q або великою буквою Q .
Сплав або стоп (англ. alloy) - тверда або рідка однорідна речовина, утворена сплавленням (стопленням) кількох металів або металів з неметалами. Всі сплави, як і метали, у твердому стані зазвичай мають кристалічну будову.

5. Електроліти;

6. Напівпровідники.

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

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

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

До рідких провідників відносять розплавлені метали й електроліти. При нормальній температурі як рідкий провідник може використовуватися тільки ртуть, що має температуру плавлення мінус 39 оС, або галій ( -29.

Температу́ра плáвлення і затверді́ння - температура, при якій тверде кристалічне тіло здійснює перехід у рідкий стан і навпаки. За іншим визначенням - температура, за якої тверда фаза речовини знаходиться в рівновазі з рідкою.
8 оС). Інші метали можуть бути рідкими провідниками тільки при підвищених або високих температурах.

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

Всі гази й пари при низьких напруженістях електричного поля не є провідниками. Однак коли напруженість електричного поля перевищує деяке критичне значення, що відповідає появі ударної і фотонної іонізації, газ стає провідником з електронною та іонною електропровідністю.

Електричне поле (англ. Electric field) - одна зі складових електромагнітного поля, що існує навколо тіл або частинок, що мають електричний заряд, а також у вільному вигляді при зміні магнітного поля (наприклад, в електромагнітних хвилях).
Напру́женість електри́чного по́ля - це векторна фізична величина, яка виражає відношення сили, яка діє у даній точці простору у даний момент часу, на пробний одиничний електричний заряд у електричному полі.
Особливе рівноважне провідне середовище представляє сильно іонізований газ із рівною кількістю електронів і позитивно заряджених іонів в одиниці об'єму, що називається плазмою.

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



1.1. Основні положення теорії електропровідності

Виведемо загальну формулу, що виражає зв'язок питомої провідності речовини з фізичними величинами, якіхарактеризують носії заряду, наявні в речовині.

Носії заряду - загальний термін для позначення часток чи квазічасток, які дають внесок у електричний струм.
Фізи́чна величи́на - властивість, спільна в якісному відношенні для багатьох фізичних об'єктів (фізичних систем, їхніх станів і процесів, що в них відбуваються) та індивідуальна в кількісному відношенні для кожного з них.
Припустимо, що в речовині є тільки однакові за своєю природою, абсолютним значенням і знаком електричні заряди. Будемо вважати, що в одиниці об'єму речовини з ребром, рівним одиниці довжини, перебуває n носіїв зарядів. Тоді сумарний заряд цього об'єму відповідно дорівнює n*q. Якщо в розглянутій частині речовини діє електричне поле з напруженістю E, яка перпендикулярна до однієї з граней куба, то на кожний носій заряду діятиме сила, рівна F = n*q. Ця сила створює впорядковану складову Vд швидкості носія заряду, що називається швидкістю дрейфу на відміну від Vт – невпорядкованого теплового руху.
Теплови́й рух - хаотичний рух мікрочастинок (молекул і атомів), з яких складаються всі тіла.
У позитивних зарядів швидкість дрейфу збігається з напрямком напруженості електричного поля, а в негативних зарядів спрямована проти вектора напруженості. У зв'язку з тим, що швидкості різних носіїв зарядів відрізняються одна від одної й до того ж змінюються в часі, під Vд і Vт матимемо на увазі середню швидкість для всіх носіїв зарядів за деякий досить великий проміжок часу.

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

J = n*q* Vд (1.

Диференціа́льний пере́різ розсі́яння - це відношення числа частинок, розсіяних в тілесний кут d Ω до потоку частинок, які падають на мішень та до величини тілесного кута, густина ймовірності розсіяння в даний тілесний кут.
1)

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

; (1.2)

; (1.3)

(1.4)

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

u = Vд / E (1.5)

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

Запишемо загальну формулу питомої провідності в найпростішому вигляді

(1.6)

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



(1.7)

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



(1.8)
1.2. Електропровідність металів

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

Коли на метал не діє зовнішнє електричне поле, розподіл швидкостей теплового руху електронів Vт за різними напрямками рівноімовірний. У зв'язку з цим геометрична сума цих швидкостей у будь-який момент часу дорівнює нулю й відповідно струм у відсутності прикладеної напруги не протікає.

Момент часу - точка на часовій осі. Про події, що відповідають одному моменту часу, говорять як про одночасні.
Якщо до металу прикласти напругу, то в ньому створюється напруженість електричного поля Е і на кожний електрон діятиме додаткове механічне зусилля F = E*q. Розглядаючи електрон як матеріальну частку, що володіє масою й не зустрічає перешкод своєму рухові у вигляді тертя навколишнього середовища, можна сказати, що електрон одержує постійне прискорення переважно в напрямку поля:

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

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

Vд = a*t = E*(e/m)*t. (1.10)

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

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

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

Vд max = E (e/m) τ . (1.11)

Відповідно середня швидкість Vд дорівнює

(1.12)

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



, (1.13)

де l – середня довжина вільного пробігу електрона;

Довжина́ ві́льного пробі́гу або середня довжина вільного пробігу - середня Відстань, яку долає частинка за проміжок часу між зіткненнями з іншими частинками.
Vт – середня швидкість теплового руху електронів.

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

(1.14 )

Завдяки наявності складові швидкості дрейфу й теплової швидкості створюється впорядкований рух зарядів у напрямку градієнта електричного поля, тобто через метал протікає електричний струм.

Електри́чний струм (англ. electric current) - упорядкований, спрямований рух електрично заряджених частинок у просторі.
Питому провідність металу можна визначити за формулою (1.6), підставляючи замість q заряд електрона, а замість значення Vд середнє значення швидкості дрейфу з формули (1.
Елемента́рний електри́чний заря́д - фізична константа, яка характеризує силу електромагнітної взаємодії, абсолютне значення заряду електрона.
14):



(1.15 )

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

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

, ( 1.

Тепло́ або Теплова́ ене́ргія - енергія руху атомів, молекул або інших частинок, з яких складається тіло. Теплова енергія може виділятися завдяки хімічним реакціям (горіння), ядерним реакціям (ядерний розпад і синтез), механічним взаємодіям (тертя).
16 )

де k - постійна Больцмана.

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

(1.17 )

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



( 1.18 )

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

Для практичних розрахунків використовуємо формулу

, ( 1.19 )

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

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



Cu

Tпл Т



Рис 1.2 - Графік залежності для міді.

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

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

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

TKρ



ТКρ

0 100% Ni

100% 0 Cu

Рис 1.

Тверді́ ро́зчини (рос. раствор твердый, англ. solid solution, isomorphic mixture; нім. feste Lösung f, Mischkristall m) - це однорідні кристалічні або аморфні фази, що складаються з двох і більше компонентів, і які зберігають свою гомогенність при зміні співвідношення компонентів.
3 - Графік залежності і ТК залежно від процентного вмісту

компонентів

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

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

(1.20 )

де L0 – число Лоренца;

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

Важливою властивістю металів є контактна різниця потенціалів.

Теплопрові́дність - здатність речовини переносити теплову енергію, а також кількісна оцінка цієї здатності: фізична величина, що характеризує інтенсивність теплообміну в речовині, яка дорівнює відношенню густини теплового потоку до градієнта температури.
Конта́ктна різни́ця потенціа́лів - різниця електростатичних потенціалів, яка виникає при контакті двох різних металів.
Обумовлена вона різним значенням роботи виходу електронів з різних металів, а також різною концентрацією електронів у них.
Робо́та ви́ходу - найменша кількість енергії, яку необхідно надати електрону для того, щоб вивести його з твердого тіла у вакуум.



Рис.1.4 - Схема термопари

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

(1.21 )

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

Температурний коефіцієнт лінійного розширення провідників визначається за формулою

(1.22)

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



(1.
Електри́чний о́пір - властивість провідника створювати перешкоди проходженню електричного струму.
23)

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

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

Температурний коефіцієнт опору дроту знаходимо за формулою



Тоді


Звідси



1.3. Провідникові матеріали

Вимоги, пропоновані до провідникових матеріалів:



  • висока питома провідність;

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

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

  • бути доступними на вітчизняному ринку;

  • мати низьку вартість.

Практичне застосування як провідникові матеріали одержали мідь і алюміній.

За хімічним складом мідь підрозділяється на кілька марок: М1, М00к, М0к, М0ку, М00б, М0б, М1б, М1у, М1к, М1ф, М1р.

Механі́чні власти́вості матеріа́лу (англ. mechanical properties of materials) - сукупність показників, що характеризують здатність матеріалу чинити опір навантаженням, які діють на нього та його здатність до деформування при цьому, а також особливості його поведінки у процесі руйнування.
Хімічний склад, також Склад речовини - термін хімії - частка вмісту окремих хімічних елементів у речовині, матеріалі, сплаві, породі тощо.
Цифри 00, 0, і 1 показують вміст міді, букви к, ку позначають катодну мідь, б - безкисневу, у - катодну переплавлену, р, ф - розкислену.

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

За механічними характеристиками розрізняють мідь марок МТ і ММ.

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

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

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

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

Механічні й електричні характеристики провідникової міді визначають області її застосування.

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

Тверда (холоднокатана) мідь, питомий опір якої має бути не більше 0,0180 мкОм*м, застосовується в основному там, де необхідно забезпечити високу механічну міцність, твердість, пружність і опірність стираючим навантаженням.

Мі́цність - здатність матеріалу чинити опір незворотній (пластичній, в'язкій) деформації і руйнуванню (розділенню на частини) під дією навантажень або інших факторів (усадка, нерівномірне температурне поле і т. д.).
Такі вимоги пред'являються до міді при виготовленні контактних проводів, шин розподільних пристроїв, колекторних пластин електричних машин і т.д.
Розподільний пристрій - це електричний пристрій для прийому електроенергії (від генераторів електростанції, трансформаторів, перетворювачів і ін.) і її розподілу між окремими споживачами.
Електр́ична маш́ина - електромеханічний пристрій для перетворення механічної енергії на електричну чи електричної на механічну, або електричної енергії одного роду чи з одними параметрами на електричну енергію іншого роду або з іншими параметрами.

  1   2   3   4   5   6



  • 1.Провідникові матеріали
  • 1.1. Основні положення теорії електропровідності
  • 1.2. Електропровідність металів
  • Коефіцієнт теплопровідності
  • 1.3. Провідникові матеріали