Основы материаловедения

Билет №1

1. Межатомное взаимодействие, влияние энергии межатомного взаимодействия на свойства материалов

Любой материал представляет собой продукт взаимодействия огромного количества атомов, и свойства материала зависят от характера взаимодействия этих атомов. Зная характер взаимодействия атомов, можно прогнозировать свойства материалов. Поскольку взаимодействие множества атомов анализировать достаточно сложно, вначале для простоты рассмотрим взаимодействие двух атомов.

Между двумя атомами действует сила притяжения, она убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между атомами. Помимо силы притяжения, между атомами действует и сила взаимного отталкивания, которая обратно пропорциональна расстоянию в степени n, где n больше 2.

В том случае, когда взаимодействует множество атомов, смещение любого из них приводит к росту энергии системы, Поэтому потенциальную кривую можно представить в виде периодической функции (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость энергии потенц-го взаимодейс-твия (Wp) от расстояния между атомами (x) для случая взаимодействия множества атомов

При минимуме энергии системы расстояния между атомами одинаковы и равны r₀. Вдоль любого направления расстояния будут равны r₀, хотя эти расстояния по разным направлениям будут разными. Расстояние между атомами вдоль какого-либо направления принято обозначать а.

Для переброса атома из одного равновесного положения в другое требуется повышение энергии. Поэтому в том случае, когда энергия системы минимальна или незначительно отличается от минимальной, атомы не могут перемещаться из одного положения в другое, и мы имеем дело с твердым телом. При значительном повышении энергии системы атомы активно колеблются, обмениваются энергией - и в результате могут переходить из одного положения в другое. В этом случае мы имеем дело с жидким телом. Дальнейший рост энергии системы приводит к выходу атомов из потенциальной ямы, они перестают взаимодействовать друг с другом, могут занимать различные положения - и мы имеем дело с газом.

2. Электропроводность диэлектриков. Влияние внешних условий на электропроводность диэлектриков

Электропроводность диэлектриков определяет-ся в основном перемещением ионов. На концентра-цию ионов оказывают влияние: состав материала, температура, облучение материала частицами высо-ких энергий. Концентрация подв-х носителей заряда в полярных материалах, как правило, выше, чем в неполярных. Это связано с тем, что ионы примесей электрически взаимодействуют с дипольными моментами полярных молекул, поэтому очистка полярных материалов от примесей затруднена.

Зависимость электропроводности от температуры

При повышении температуры энергия системы повышается на величину kT и вероятность выхода иона из потенциальной ямы возрастает. Поэтому электропроводность диэлектриков при повышении температуры растет в соответствии с выражением:

г=г0exp(E_a/kT),

где: г0 - удельная электропроводность диэлектрика, константа,

Ea - энергия активации выхода иона из потенциальной ямы,

kT- тепловая энергия системы.

Зависимость электропроводности от напряжённости

При сравнительно небольших значениях напряженности поля электропроводность диэлектриков следует закону Ома. Однако при повышении напряженности поля электроп-роводность перестает сле-довать закону Ома. При дальнейшем повышении напряженности поля возможны два случая: в первом электроп-роводность быстро нарастает с ростом напряжен-ности поля (а) (для загрязненных диэлектриков и чистых диэлектриков с ионной связью), а во втором - вначале наступает насыщение электропроводнос-ти, и лишь затем в сильных полях наблюдается ее резкий рост (б) (неионных кристаллов высокой чистоты).

Билет №2

1. Виды химических связей между атомами, влияние типа связи на свойства материалов

Ковалентная связь образуется между атомами одного или нескольких химических элементов с близкими ионизационными потенциалами. В чистом виде ковалентная связь реализуется при взаимодействии элементов с наполовину заполненными электронными оболочками. H₂ ,C, Si, Ge, Sn. Соседние атомы обмениваются электронами.

Появление между положительно заряженными ионами пары отрицательно заряженных электронов приводит к тому, что оба иона притягиваются к обобществленным электронам и, тем самым, притягиваются друг к другу. Каждый атом взаимодействует с ограниченным числом соседей, причем число соседей равно числу валентных электронов атома. Следовательно, ковалентная связь насыщенна. Кроме того, атом взаимодействует только с теми соседями, с которыми он обменялся электронами, то есть ковалентная связь имеет направление.

Ионная связь образуется при взаимодействии атомов с малым количеством валентных электронов и атомов с большим количеством электронов на валентных оболочках. При этом наружные электроны атомов с низкими потенциалами ионизации переходят на валентные оболочки атомов с высокими ионизационными потенциалами. Ионная связь ненасыщенна, поскольку каждый из отрицательно заряженных ионов притягивает к себе положительно заряженные, а каждый из положительно заряженных ионов притягивает к себе все отрицательно заряженные. Однако ионная связь направлена, поскольку ион притягивает к себе разноименно заряженные ионы и отталкивает одноименно заряженные.

Уменьшение размера иона и увеличение его заряда ведет к росту энергии связи, а следовательно, к росту температуру плавления материала, уменьшению коэффициента теплового расширения и к увеличению модуля упругости.

Металлическая связь образуется между атомами одного или нескольких химических элементов, у которых валентные электронные оболочки застроены меньше чем на половину. Поскольку энергия иона минимальна при полностью заполненной внешней оболочке, атомы отдают внешние валентные электроны и превращаются в положительно заряженные ионы, между которыми находятся свободные электроны (электронный газ).

Металлическая связь не имеет направления и ненасыщенна. Кристаллические решетки металлов упакованы плотно.

Связь Ван-дер-Ваальса образуется при сближении молекул или атомов инертных газов и заключается в их связи между собой за счет постоянных или взаимно созданных дипольных моментов.

2. Поляризация диэлектриков, виды поляризации, механизмы поляризации. Влияние внешних условий на поляризацию диэлектриков

Поляризацией называется такое состояние диэлектрика, когда суммарный электрический момент отличен от нуля. Появление поляризации является следствием воздействия различных факторов: электрического поля, температуры, механических напряжений и др. В большинстве диэлектриков поляризация возникает под действием электрического поля.

Виды поляризации

Упругая поляризация не связана с тепловым движением молекул.

Заряженные частицы под действием поля смещаются на очень малые расстояния в пределах поля упругих сил, связывающих эти частицы с другими. Поэтому поляризацией упругого ядерного смещения в промышленных материалах можно пренебречь.

а) упругого электронного смещения. Cвязана со смещением электронных оболочек атомов относительно ядер и имеет место во всех без исключения диэлектриках, за исключением абсолютного вакуума.

б) ионного упругого смещения. Вызвана упругим смешением ионов из равновесных положений под действием внешнего электрического поля. Хар-на для ионных кристаллов (мрамор, соль, слюда, кварц и др.). В таких материалах присутствует ещё и пол-я упругого электронного смещения.

в) дипольно-упругая. Заключается в повороте на малый угол диполей и имеет место в полярных твердых диэлектриках, где диполи прочно связаны связями с другими молекулами.

г) упругого ядерного смещения. Этот вид поляризации наблюдается в газах со сложными молекулами. Вклад этой поляризации в диэлектрическую проницаемость пренебрежимо мал.

Релаксационная поляризация:

а) Дипольно-релаксационная. Наблюдается во многих твердых и жидких диэлектриках с полярными группами: компаунды, бакелит, аминопласты и др. При такой поляризации происходит смещение полярных молекул или смещение радикалов, входящих в состав крупных молекул. Cопровождается необратимыми потерями энергии при нахождении диэлектриков в переменном электрическом поле.

б) Ионно-релаксационная. Связана с перебросом из одного равновесного положения в другое слабосвязанных ионов или полярных групп.

в) Электронно-релаксационная. При приложении электрического поля дефекты кристаллической решетки могут перебрасываться из одного положения в другое.

г) Резонансная. При совпадении собственной частоты колебания структурной единицы вещества с частотой внешнего поля наблюдается резонансная поляризация. В этом случае в узком интервале частот резко возрастает диэлектрическая проницаемость.

Существуют 4 основных мех-ма поляризации:

Электронный, ионный, дипольный, спантанный.

Электронный - упругое смещение

электронов в атомах и ионах

Такая поляризация есть во всех материалах, а поляризации других видов добавляются к электонной. Она происходит быстро (t=10^-14 - 10^-15) и поэтому не зависит от частоты изменения электрического поля до тех пор, пока время поляризации не соизмерима с периодом изменения электрического поля (f = 10^-14 - 10^-15Гц)

При нагревании плотность падает, уменьшается число атомов в единице объема в следствии чего поляризация ослабевает.

Ионный - смещение ионов в

узлах кристаллической решетки электрическим полем за время t=10^-12 - 10^-13 (ионы тяжелее электронов). Она не зависит от частоты до f=10¹²-10¹³Гц. С ростом температуры расстояние м/у ионами увеличивается из-за теплового расширения, хмимические связи ослабляются. Ионы легче смешиваются, поэтому поляризация ионных диэлектриков растет вместе с температурой.

К диэлектрикам с ионной поляризацией относят слюду.

Дипольный-

поворот диполей, находящихся в хаотическом тепловом движении электрическим полем за время 10^-6-10^-8 сек. Дипольную поляризацию, ноаборот, наблюдают в полярных диэлектриках (в воде, канифоле и др) Она сопровождается потерями энергии на преодоление трения при повороте диполей, что приводит к нагреву диэлектрика

При частоте 10⁶-10⁸ Гц диполи не успевают ориентироваться по полю и остается только электронная поляризация.

При низких темпераурах вязкость вещества велика. Диполи неподвижны и электрическая прницаемость обусловлена электронной поляризацией. С увеличением температуры вязкости уменьшается, и диполи начинают поворачиваться, приводя к росту E. При темперауре выше температуры плавления тепловое движение мешает ориентации диполей и E снижается.

Спонтанный наблюдают в

веществах, называемых сигнетоэлектриками, например в титанате бария и титанате стронция.Как правило, в кристаллах сигнетиков, как и в кристаллах магнетиков есть домены. В одном домене все диполи ориентированы одинаково и создают электр. момент домена. В силу этого электрические моменты различных доменов не совпадают по направлению. При воздействии внешнего электрического поля эл. Моменты доменов постепенно ориентруются в направлении поля, что создает поляризацию до 100тыс.

Билет №3

1. Точечные дефекты кристаллической решетки. Влияние точечных дефектов не свойства материалов

К ним относятся атомы инородных элементов (легирующих элементом или примесей), межузельные атомы (атомы основного элемента, по каким-либо причинам покинувшие узлы кристаллической решетки и застрявшие в междоузлиях), вакансии или не занятые атомами узлы кристаллической решетки.

Представление о вакансиях было впервые введено Я. И. Френкелем для объяснения процессов диффузии в металлах - материалах с плотноупакованной кристаллической решеткой.

При наличии в кристаллической решетки вакансии атом может перескочить из узла решетки в вакантное место. Тем самым вакансия смещается, и процесс диффузии можно описывать как последовательное перемещение атомов или как движение вакансий.

Согласно модели Френкеля, при образовании вакансий атом из узла кристаллической решетки перепрыгивает в междоузлие, и появляется пара дефектов - вакансия и межузельный атом, или пара Френкеля.

В материалах с ионной связью между атомами основным носителем заряда являются ионы. При появлении вакансий перемещение ионов облегчается, а следовательно, падает удельное электросопротивление. При появлении в материале примесей кристаллическая решетка искажается, энергия материала локально повышается, что способствует облегчению выхода иона из потенциальной ямы. Таким образом, появление любых точечных дефектов ведет к снижению электросопротивления материалов с ионной связью.

В материалах с ковалентной связью присутствие вакансий приводит к обрыву ковалентной связи и появлению на валентной оболочке атома неспаренного электрона. Наличие неспаренных электронов энергетически невыгодно, и атом теряет его. Таким образом, в материале появляются два носителя заряда: отрицательно заряженный свободный (делокализованный) электрон и положительно заряженная дырка. Следовательно, увеличение концентрации вакансий ведет к падению удельного электрического сопротивления материалов с ковалентной связью.

Присутствие неизовалентных примесей ведет к появлению в материале дырок или свободных электронов, то есть к повышению концентрации носителей заряда.

2. Потери энергии электрического поля в диэлектриках. Влияние внешних условий и особенностей строения диэлектриков на тангенс угла диэлектрических потерь

Под действием электр-ого поля в диэлек-ке развиваются два основных процесса: поляризация и сквозная электропр-сть. Развитие этих процессов может привести к рассеянию энергии электрич-ого поля в диэлек-ке в виде тепла. Так, под действием электр-ого поля свободные носители заряда набирают кинет-ую энергию и, сталкиваясь с молекулами вещ-ва, передают им эту энергию. Т-м об-ом, энергия электрич-ого поля трансформируется в тепловую энергию материала. Кроме того, в случае, когда структурные единицы вещ-ва (молекулы) полярны, внешнее электр-ое поле совершает работу по повороту диполей по полю, и, , энергия поля вновь рассеивается в материале.

Для количеств-ой оценки величины диэлектр-их потерь используют понятие тангенс угла диэлектрических потерь.

В идеальном диэлектрике сдвиг фаз между напряжением и реактивной составляющей тока равен 90 градусам. В реальном диэлектрике появляется активная составляющая тока. Поэтому векторная диаграмма токов и напряжений выглядит, как показано на рисунке 3.10.

Зная величину напряжения, круговую частоту и емкость, можно определить реактивную составляю-щую тока:

Ip=U**C . (7)

Тогда активная составляющая тока определится как:

Ia=Ip*tg . (8)

Рассеиваемую мощность можно определить следующим образом:

Р=UIa= UCtg . (9)

Рис. 3.10. Векторная диаграмма токов и напряжений в реальном диэлектрике

Таким образом, tg можно использовать в качестве меры потерь энергии поля в диэлектрике.

Рассмотрим зависимости tg от температуры в полярных и неполярных диэлектриках.

С увеличением температуры концентрация носителей заряда в диэлектрике повышается, поскольку увеличивается вероятность выхода иона из потенциальной ямы . Поэтому вероятность столкновения носителя заряда со структурной единицей вещества также растет. Следовательно, при увеличении температуры потери на сквозную электропроводность возрастают. В неполярных диэлектриках реализуется упругая электронная или упругая ионная поляризация. Как известно, при развитии упругих процессов потерь энергии нет, поэтому в неполярных диэлектриках основной вид потерь - потери за счет сквозной электропроводности.

В полярных диэлектриках, помимо потерь на сквозную электропроводность, появляются потери на поляризацию, то есть внешнее электрическое поле совершает работу по повороту диполей.

Помимо потерь энергии поля на поляризацию, в полярных диэлектриках существуют потери на сквозную электропроводность. Так, в полярных диэлектриках концентрация носителей заряда, как правило, повышена, поскольку из-за полярности молекул основного материала очистка его от примесей затруднена.

Билет №4

1. Линейные дефекты кристаллической решетки, влияние линейных дефектов на свойства материалов

Дислокации - линейные дефекты кристаллической решетки.

Краевая дислокация. В кристалле имеется оборванная плоскость - экстраплоскость. Вблизи обрыва экстраплоскости остальные плоскости кристаллической решетки изгибаются. Таким образом, вблизи края экстраплоскости кристаллическая решетка искажена. Величина искажений кристаллической решетки быстро снижаются при удалении от края экстраплоскости, но сохраняется при движении вдоль линии обрыва.

Винтовая дислокация:

Особенности вектора Бюргерса:

вектор Бюргерса инвариантен, то есть неизменен. Следовательно, дислокация не может оборваться в кристалле;

энергия упругих искажений решетки пропорциональна квадрату модуля вектора Бюргерса;

при движении решеточной дислокации с вектором Бюргерса, равным периодутрансляции решетки, кристаллическая решетка не изменяется.

При приложении внешних напряжений дислокации смещаются и выходят на поверхность кристалла, и таким образом осуществляется пластическая деформация.

Влияние дислокаций на свойства:

При полном отсутствии дислокаций прочность кристаллов была бы равна теоретической. Важно отметить, что при повышении плотности дислокаций в обычных материалах их прочность возрастает. Повышение прочности металлов в ходе холодной пластической деформации называют наклепом, или нагартовкой.

Наличие в материале дислокаций резко повышает скорость диффузии.

Искажение кристаллической решетки за счет присутствия дислокаций повышает удельное электрическое сопротивление металлических материалов и снижает удельное электрическое сопротивление неметаллических материалов.

2. Принципы выбора материалов для разрывных контактов

Разрывные контакты периодически замыкаются и размыкаются. При этом между контактными площадками образуется электрическая дуга. Возникновение дуги ведет к росту температуры, а, следовательно, к снижению механической прочности, окислению материала контактов, появляется вероятность их сваривания, а также возможна эрозия материала.

Для того чтобы материал разрывных контактов надежно работал, он должен удовлетворять следующим требованиям:

* иметь высокую электропроводность;

* быть устойчивым к коррозии;

* иметь высокую температуру плавления;

* быть твердым;

* иметь высокую теплоту испарения;

* обладать высокой теплопроводностью.

Кроме того, материал должен быть дешевым и недефицитным.

Билет №5

1. Поверхностные дефекты кристаллической решетки, влияние поверхностных дефектов на свойства материалов

К поверхностным дефектам решетки относятся дефекты упаковки и границы зерен.

Дефект упаковки. При движении обычной полной дислокации атомы последовательно становятся из одного равновесного положения в другое, а при движении частичной дислокации атомы переходят в новые положения, нетипичные для данной кристаллической решетки. В результате в материале появляется дефект упаковки. Появление дефектов упаковки связано с движением частичных дислокаций.

В том случае, когда энергия дефекта упаковки велика, расщепление дислокации на частичные энергетически невыгодно, а в том случае, когда энергия дефекта упаковки мала, дислокации расщепляются на частичные, и между ними появляется дефект упаковки. Материалы с низкой энергией дефекта упаковки прочнее материалов с высокой энергией дефекта упаковки.

Границы зёрен представляют собой узкую переходную область между двумя кристаллами неправильной формы. Ширина границ зерен, как правило, составляет 1,5-2 межатомных расстояния. Поскольку на границах зерен атомы смещены из равновесного положения, то энергия границ зерен повышена. Энергия границ зерен существенно зависит от угла разориентации кристаллическихрешеток соседних зерен. При малых углах разориентации (до 5 град.) энергия границ зерен практически пропорциональна углу разориентировки. При углах разориентировки, превышающих 5 град., плотность дислокаций на границах зерен становится столь высокой, что ядра дислокаций сливаются.

Зависимость энергии границ зерен (Егр) от угла разориентации (). сп₁ и сп₂ - углы разориентации специальных границ.

При определенных углах разориентации соседних зерен энергия границ зерен резко снижается. Такие границы зерен называются специальными. Соответственно углы разориентации границ, при которых энергия границ минимальна, называют специальными углами.

Измельчение зерен ведет к росту удельного электрического сопротивления металлических материалов и падению удельного электрического сопротивления диэлектриков и полупроводников.

2. Принципы выбора материалов для скользящих контактов

В основном, к материалам скользящих контактом предъявляются те же требования, что и к материалам разрывных контактов:

* иметь высокую электропроводность;

* быть устойчивым к коррозии;

* иметь высокую температуру плавления;

* быть твердым;

* иметь высокую теплоту испарения;

* обладать высокой теплопроводностью.

Однако особенно остро ставится вопрос об уменьшении износа при трении. Для снижения износа трения можно повысит твердость материала контактирующих пар и использовать смазку. Естественно, что смазка должна быть электропроводной.

Для коллекторов электрических моторов используют холоднодеформированную медь, а для щеток используют графит. Для тяжелонагруженных машин для изготовления щеток используют металлографитовые щетки - медно-графитовые и бронзо-графитовые.

Билет №6

1. Объемные дефекты кристаллических решеток. Влияние объемных дефектов на свойства материалов

К объёмным, или трехмерным дефектам кристаллической решетки относятся трещины и поры. Наличие трещин резко снижает прочность как материалов на металлической основе, так и неметаллических материалов. Это связано с тем, что острые края трещин являются концентраторами напряжений. Важно отметить, что при одинаковой геометрии трещин пластичность металлических материалов остается выше, чем неметаллических.

Присутствие в материале пор также снижает прочность металлических материалов, поскольку уменьшается истинное сечение деталей. В неметаллических материалах влияние пор на свойства материала не столь однозначно. Крупные поры снижают прочность материала, поскольку уменьшается сечение изделий. В то же время мелкие поры могут повышать прочность материалов. Это связано с тем, что при возникновении пор появляется свободная поверхность. Таким образом, на атомы, находящиеся на поверхности пор, действуют сжимающие напряжения. Неметаллические материалы с ионной или ковалентной связью между атомами хорошо сопротивляются действию сжимающих и плохо противостоят действию растягивающих напряжений. При всех реальных схемах нагружения (например, изгиб) в материале возникают как растягивающие, так и сжимающие напряжения. При наличии пор сжимающие напряжения на их поверхности компенсируют внешние растягивающие напряжения. Поэтому присутствие мелких пор ведет к росту прочности неметаллических материалов.

Поскольку энергия атомов на поверхности объёмных дефектов повышена, то они являются источником вакансий. При нагреве трещины и поры как бы "испаряются", превращаясь в вакансии. При охлаждении вакансии вновь "конденсируются". При "конденсации" вакансионного "пара" система стремится к минимуму энергии, а следовательно, к минимуму поверхностной энергии. Таким образом, при нагреве и последующем охлаждении острые трещины превращаются в сферические поры, то есть за счет чередования нагрева с охлаждением можно превращать опасные трещины в менее опасные поры.

Уменьшение сечения материала при наличии пор и трещин, а также искажение кристаллической решетки вблизи их поверхности приводит к повышению удельного электросопротивления металлических материалов. В неметаллических материалах наличие объёмных дефектов снижает удельное электросопротивление вследствие повышения подвижности ионов по вакансиям в материалах с ионной связью и облегчения выхода электронов в материалах с ковалентной связью.

2. Влияние напряженности электрического поля на электропроводность диэлектриков

При сравнительно небольших значениях напряженности поля электропроводность диэлектриков следует закону Ома. Однако при повышении напряженности поля электропроводность перестает следовать закону Ома. При дальнейшем повышении напряженности поля возможны два случая: в первом электропроводность быстро нарастает с ростом напряженности поля (рис. 26 а), а во втором - вначале наступает насыщение электропроводности, и лишь затем в сильных полях наблюдается ее резкий рост (рис. 26 б).



Рис.26. Зависимость электропроводности от напряженности поля для загрязненных диэлект-риков и чистых диэлектриков с ионной связью (а) и неионных кристаллов высокой чистоты (б).

Первый случай наблюдается в загрязненных диэлектриках и чистых диэлектриках с ионной связью, в которых при увеличении напряженности поля происходит размножение заряженных частиц. Второй случай типичен для неионных диэлектриков высокой чистоты, в которых число заряженных частиц ограничено, что и вызывает насыщение электропроводности. В очень сильных полях происходит размножение ионов в результате перехода к пробою диэлектриков.

Билет №7

1. Материалы высокой электропроводности

К материалам высокой электропроводности предъявляются следующие требования:

Высокая электропроводность

Высокая механическая прочность

Технологичность - то есть способность к сварке, пайке, высокая пластичность.

Высокая коррозионная стойкость.

Низкая стоимость.

Одной из важнейших характеристик проводниковых материалов является их электропроводность ():

=nq (4.1)

где: n - концентрация носителей заряда, q - величина заряда, - подвижность носителей заряда.

Очевидно, что высокой электропроводностью будут обладать чистые непереходные металлы с ГЦК решеткой (Ag, Cu, Al, Au).

Высокой механической прочностью будут обладать металлы с низкой энергией дефекта упаковки или сплавы металлов. Однако в случае образования твердого раствора помимо роста прочности увеличивается и удельное электросопротивление. Поэтому для материалов высокой электропроводности используют лишь такое легирование, когда компоненты не растворяются друг в друге.

Что касается технологичности, то у всех металлов с ГЦК решеткой высокая пластичность, следовательно, из них легко получаются изделия методами обработки давлением. Поэтому проблема технологичности сводится в легкости пайки и сварки.

2. Влияние температуры на тангенс угла потерь полярных и неполярных диэлектриков

1 Влияние температуры на тангенс угла потерь неполярных диэлектриков:

С увеличением температуры концентрация носителей заряда в диэлектрике повышается. Поэтому вероятность столкновения носителя заряда со структурной единицей вещества также растет. Следовательно, при увеличении температуры потери на сквозную электропроводность возрастают.

В неполярных диэлектриках реализуется упругая электронная или упругая ионная поляризация. Как известно, при развитии упругих процессов потерь энергии нет, поэтому в неполярных диэлектриках основной вид потерь - потери за счет сквозной электропроводности.

2. Влияние температуры на тангенс угла потерь в полярных диэлектриках:

В полярных диэлектриках, помимо потерь на сквозную электропроводность, появляются потери на поляризацию, то есть внешнее электрическое поле совершает работу по повороту диполей. Эту работу можно оценить как произведение момента сил (М) на угол поворота (). При увеличении температуры подвижность диполей растет, и момент сил, необходимый для поворота на один и тот же угол, снижается. В то же время, рост подвижности диполей при повышении температуры ведет к увеличению угла поворота под действием постоянного момента сил. Таким образом, работа, совершаемая электрическим полем на поворот диполей, при росте температуры вначале увеличивается, а затем уменьшается.

Помимо потерь энергии поля на поляризацию, в полярных диэлектриках существуют потери на сквозную электропроводность. Важно отметить, что хотя качественно процесс электропроводности в полярных диэлектриках не отличается от процесса электропроводности в неполярных диэлектриках, количественные различия имеются. Так, в полярных диэлектриках концентрация носителей заряда, как правило, повышена, поскольку из-за полярности молекул основного материала очистка его от примесей затруднена. Суммируя потери на сквозную проводимость и поляризацию, получаем зависимость tg от температуры показанную на рис. 38.

Билет№8

1. Металлические материалы высокого сопротивления

Материалы высокого электрического сопротивления используются для поглощения электрической энергии и преобразования ее в тепло. Очевидно, что к таким материалам будут предъявляться следующие требования:

Высокое удельное сопротивление

Высокая механическая прочность

Технологичность - то есть способность к сварке, пайке, высокая пластичность.

Высокая коррозионная стойкость.

Низкая стоимость.

Низкое значение термо- Э.Д.С. в паре с медью.

Малый температурный коэффициент сопротивления

Очевидно, что для того, чтобы материал имел высокое удельное сопротивление, он должен представлять собой твердый раствор одного металла в другом. Причем хотя бы один из компонентов сплава должен быть переходным металлом. Из теории сплавов известно, что неограниченное растворение одного металла в другом возможно при близости размеров ионов и одинаковом типе кристаллических решеток.

С увеличением частоты электрического поля длина пробега ионов за время полупериода колебаний уменьшается, а следовательно, уменьшается запасенная ими кинетическая энергия. Кроме того, снижается вероятность столкновения иона со структурными единицами материала. В силу этих причин при росте частоты электрического поля диэлектрические потери снижаются (рис. 36).

2. Влияние частоты электрического поля на тангенс угла диэлектрических потерь для полярных диэлектриков

Как отмечалось выше, при нахождении диэлектрика в электрическом поле в нем развиваются два процесса: электропроводность и поляризация. Оба процесса сопровождаются потерями энергии электрического поля. Потери на электропроводность при росте частоты снижаются. Однако на определенных частотах резко возрастает резонансная поляризация, поэтому коэффициент диэлектрических потерь К на этих частотах резко возрастает. На рис.39 показана зависимость коэффициента диэлектрических потерь от частоты электрического поля для диэлектрика сложного состава. Как видно из приведенного рисунка, на определенных частотах начинается резонансная поляризация полярных молекул различных компонентов диэлектрика, а следовательно, возрастают потери.

Наличие максимумов коэффициента диэлектрических потерь на определенных частотах ограничивает применение полярных диэлектриков в высоко частотных полях. Так, в качестве изоляции в высокочастотных радиокабелях типа РК-75 используется полиэтилен с неполярными молекулами. В силовых проводах типа АППВ в качестве материала изоляции используется полихлорвинил с полярными молекулами. Если в радиокабеле вместо полиэтилена использовать полихлорвинил, то при рабочих частотах - десятки и сотни мегагерц - потери будут настолько велики, что сигнал по кабелю проходить не будет. Напротив, в силовом кабеле недопустимо использовать в качестве изоляции полиэтилен, поскольку у материалов с неполярными молекулами прочность существенно ниже, чем у материалов с полярными молекулами.

Билет№9

1. Влияние размера зерен на электрические и механические свойства металлических материалов

Отдельные участки кристаллической решетки прочно связаны между собой в комплексы - зерна. Взаимное расположение зерен отдельных элементов и сплавов определяет структуру металлов и их свойства.

Величина зерен оказывает существенное влияние на механические свойства металлов: чем мельче зерна, тем прочнее металл.

С увеличением размера зерна характеристики прочности, и особенно ударная вязкость снижается, а увеличиваются магнитные и электрические свойства и наоборот.

2. Влияние давления на электрическую прочность газов

Другим ярким представителем развития фотонной ионизации является зависимость электропрочности газов от давления. При повышении давления выше атмосферного электропрочность газа растет. Это связано с уменьшением межмолекулярных расстоянием и снижением длины свободного пробега ионов. При снижении давления электрическая прочность газа уменьшается и даже под действием поля малой напряженности газ начинает светиться. Для случая воздуха, чем ниже давление, тем меньше длина волны испускаемого света, то есть по мере уменьшения давления цвет свечения меняется с красного до синего. При низких давлениях (менее 10^-4 торр.) воздух перестает светиться - «черный вакуум». Изменения длины светового излучения связано с тем, что по мере снижения давления длина пробега ионов возрастает и ионы набирают большую кинетическую энергию. Соответственно возбужденные столкновениями с ионами электроны атомов испускают кванты большей энергии или меньшей длины. При разряжении соответствующем «черному вакууму» концентрация молекул в межэлектродном пространстве насколько мала, что длина пробега ионов сравнивается с межэлектродным промежутком. Поэтому вероятность ионизации молекул становится ничтожно малой и пробой наступает за счет вырывания электронов из электродов.

Билет№10

1. Принципы выбора материалов высокой электропроводности

К материалам высокой электропроводности предъявляются следующие требования:

Высокая электропроводность

Высокая механическая прочность

Технологичность - то есть способность к сварке, пайке, высокая пластичность.

Высокая коррозионная стойкость.

Низкая стоимость.

Одной из важнейших характеристик проводниковых материалов является их электропроводность ():

=nq (4.1)

где: n - концентрация носителей заряда, q - величина заряда, - подвижность носителей заряда.

Очевидно, что высокой электропроводностью будут обладать чистые непереходные металлы с ГЦК решеткой (Ag, Cu, Al, Au).

Высокой механической прочностью будут обладать металлы с низкой энергией дефекта упаковки или сплавы металлов. Однако в случае образования твердого раствора помимо роста прочности увеличивается и удельное электросопротивление. Поэтому для материалов высокой электропроводности используют лишь такое легирование, когда компоненты не растворяются друг в друге.

Что касается технологичности, то у всех металлов с ГЦК решеткой высокая пластичность, следовательно, из них легко получаются изделия методами обработки давлением. Поэтому проблема технологичности сводится в легкости пайки и сварки.

2. Влияние частоты электрического поля на электрическую прочность газов

Взаимодействие ионов, ускоренных электрическим полем, с молекулами газа приводит к образованию дополнительного количества положительных ионов и электронов. Внешнее электрическое поле разносит ионы и электроны в разные стороны. Однако по мере движения ионы рекомбинируют с электронами. Таким образом, одновременно развиваются два процесса: а) размножение заряженных частиц за счет ионизации молекул и б) уменьшение количества заряженных частиц за счет их взаимной рекомбинации.

В случае постоянного электрического поля концентрация заряженных частиц в межэлектродном пространстве зависит только от напряженности поля. При увеличении напряженности поля происходит преобладание процесса ионизации над процессом рекомбинации и при определенной напряженности поля происходит пробой.

Процессы изменения концентрации ионов, происходящие в низкочастотных полях, аналогичны процессам в постоянном поле. Однако в высокочастотных полях концентрация заряженных частиц меняется. При достаточно высоких частотах подвижные электроны успевают сместиться на большие расстояния и достигают электродов. Малоподвижные положительные ионы с большой массой за время полу периода колебаний не успевают сместиться на сколь либо значительные расстояния и концентрация положительных ионов в межэлектродном пространстве растет. Появляется так называемый «объемный заряд». Поэтому, начиная с частот, превышающих десятки килогерц вероятность столкновения ионов с молекулами возрастает и электропрочность газов снижается (рис. 42). Дальнейший рост частоты электрического поля (или уменьшение его полу периода) приводит к тому, что за время полу периода не только положительные ионы не успевают сместиться на сколь либо значительные расстояния, но и электроны не успевают вылететь из межэлектродного пространства. Вероятность рекомбинации заряженных частиц растет и их концентрация падает. Кроме того, снижение времени полу периода требует увеличения силы, действующей на ионы, чтобы кинетической энергии хватило для ионизации молекул. Поэтому при частотах, превышающих мегагерц, электропрочность газов возрастает.

Билет№11

1. Влияние добавок кремния на электрические, механические и магнитные свойства железа

Низкое электрическое сопротивление железа приводит к тому, что в переменных полях в железе возникают большие потери на вихревые токи и снижается магнитная проницаемость. При легировании железа кремнием удельное электрическое сопротивление существенно возрастает. Так у сплава, содержащего 5% кремния, удельное электрическое сопротивление достигает 0,7 мкОм м, то есть увеличивается более чем в 7 раз по сравнению с чистым железом.

Кроме того, присутствие кремния в железе снижает магнитную анизотропию и магнитострикцию. При увеличении отношения a/r снижается разница в значениях обменного интеграла по различным направлениям, а следовательно, уменьшается магнитная анизотропия. У сплава содержащего 6,8% Si магнитная анизотропия в 3 раза меньше чем у чистого железа, а магнитострикция практически равна нулю. Наконец при добавке к железу кремния нейтрализуется вредное влияние примесей кислорода и углерода. Последнее обстоятельство связано с тем, что кремний раскисляет сталь и способствует переходу углерода из карбида железа (цементита) в графит в соответствии с уравнениями:

FeO + Si = Fe + SiO₂ (4)

Fe₃C + Si = (Fe,Si) + Г (5)

Важно отметить, что взаимодействие кремния с дислокациями приводит к снижении подвижности последних, поэтому снижается пластичность сплавов. В связи с этим промышленные сплавы железа с кремнием - электротехнические стали содержат не более 5% Si.

Поскольку у электротехнических сталей сохраняется магнитная анизотропия, то для улуч-шения магнитных свойств применяют текстурован-ную сталь, то есть сталь, у которой некоторые крис-таллографические направления в соседних зернах совпадают. Для получения стали с высокой магнит-ной проницаемостью и малыми потерями необходи-мо совпадение у соседних зерен направлений типа [111]. Для того чтобы получить магнитную текстуру применяют холодную прокатку с большими обжатиями и последующий отжиг при температуре 900-1000^оС. В ходе холодной деформации происходит ориентация зерен, а при отжиге идет рекристаллизация, приводящая к снижению плотности дислокаций и росту зерен. Текстурованную сталь называют также холоднокатаной. Холоднокатаная сталь в 1,5 раза дороже горячекатаной, но потери в ней вдвое ниже. Важно иметь в виду, что для эффективного использования текстурованной электротехнической стали магнитный поток должен проходить вдоль направления легкого намагничивания.

2. Электротепловой пробой диэлектриков

При нахождении диэлектрика в электрическом поле, часть энергии электрического поля рассеивается в диэлектрике из-за диэлектрических потерь, и диэлектрик нагревается. Повышение температуры диэлектрика по сравнению с окружающей средой ведет к отводу тепла. Дальнейшее развитие процессов зависит от соотношения скорости отвода тепла и скорости тепловыделения. На рисунке 43 показаны зависимости мощности тепловыделения (Р_тв) и мощности отвода тепла (Р_то) от температуры для неполярного диэлектрика. Как видно из приведенного рисунка в области температур от точки a до точки b мощности отвода тепла превышает мощность тепловыделения, поэтому повышения температуры не происходит. Вне этой области мощность выделения тепла превы-шает мощность отвода тепла и диэлектрик нагревается. Нагрев материала диэлектрика может привести к его растрескиванию, оплавлению, обугливанию, что снижает электропрочность диэлектрика и ведет к его разрушению.

Очевидно, что стойкость к электротепловому пробою зависит как от свойств самого материала (у полярных диэлектриков диэлектрические потери выше и стойкость к электротепловому пробою ниже), так и от конструкции изолятора. Чем выше поверхность изолятора, тем больше тепла рассеивается в окружающую среду и меньше вероятность электротеплового пробоя.

Следует также отметить, что в случае, когда рабочая температура изолятора приближается к точке b любое повышение температуры приведет к выходу изоляции из строя. В то же время в случае, когда рабочая температура находится ниже точки, а колебания температуры не столь опасны. Нагрев диэлектрика (при нахождении его при температуре ниже точки а) приведет к увеличению мощности отвода тепла. Поэтому мощности выделения и отвода тепла сравняются.

Таким образом, наиболее опасными температурами являются температуры вблизи точки b. Поэтому зависимость электропрочности диэлектриков от температуры выглядит, как показано на рис. 44.

Билет №12

1.Принципы получения магнитомягких материалов

Магнитомягкими называют материалы легко перемагничивающиеся под действием внешнего магнитного поля. Для таких материалов характерны низкие значения коэрцитивной силы и высокие значения магнитной проницаемости. Их используют для концентрации магнитного поля. В большинстве случаев магнитомягкие материалы работают в переменных магнитных полях, поэтому для них важно высокое удельное электрическое сопротивление. Исторически первым магнитомягким материалом было малоуглеродистое железо, обладающее низкой механической твердостью. Поэтому такие материалы получили название магнитомягких.

Для работы в качестве магнитопроводов в постоянных и низкочастотных полях наиболее подходящими являются железо и его сплавы с кремнием. Поскольку у железа для заполнения 3d орбитали не хватает 4 электронов, атомы железа обладают большим магнитным моментом. В связи с этим, у железа высокая индукция насыщения (2,2 Тл). Следует отметить, что наиболее часто встречающиеся примеси - углерод, кислород, сера и фосфор - плохо растворяются в железе при невысоких температурах и выделяются в виде карбидов, оксидов, сульфидов и фосфидов. Эти включения затрудняют перемещение границ доменов и, тем самым снижают магнитную проницаемость и увеличивают коэрцитивную силу.

Наиболее дешевым материалом является технически чистое железо с суммарным содержанием примесей до 0,1%. Благодаря сравнительно низкому удельному электрическому сопротивлению (0,1 мкОм м) технически чистое железо используется в основном для магнитопроводов постоянного магнитного потока. Существенным недостатком технически чистого железа является его старение, то есть повышение коэрцитивной силы со временем за счет выделения тонко дисперсных частиц карбидов и нитридов. Для уменьшения вредного влияния старения химические соединения выделяют заранее в виде сравнительно крупных частиц. Для этого материал подвергают отжигу при 910 - 950 С и медленному охлаждению.

Очистка железа от примесей приводит к росту магнитной проницаемости и снижению коэрцитивной силы. Эти преимущества особенно ярко проявляются в слабых полях, то есть в полях используемых в радиоэлектронике и измерительных устройствах. Очистка железа производится электролизом, восстановлением в водороде химически чистых окислов железа и термическим разложением пентакарбонила железа (Fe(CO)₅). Соответственно различают электролитическое, восстановленное и карбонильное железо. Поскольку очистка существенно увеличивает стоимость материала, его применение крайне ограничено. Наибольшее применение получило карбонильное железо. Это связано с тем, что при разложении пентакарбонила железа получается металлический порошок. Смешав этот порошок с каким-либо лаком можно получить материал, сочетающий высокое удельное электрическое сопротивление с высокой магнитной проницаемостью.

2. Электрохимический пробой диэлектриков

Данный вид пробоя обусловлен тем, что при длительном нахождении в электрическом поле происходит изменение химического состава диэлектрика. Чем выше напряженность электри-ческого поля, тем сильнее возбуждаются молекулы диэлектрика и время, необходимое для выхода мате-риала диэлектрика из строя снижается. В то же вре-мя химически инертные диэлектрики имеют больше время работы. Зависимость времени безопасной службы материала диэлектрика от времени принято называть «кривой жизни» диэлектрика (рис.45).

Как видно из приведенного рисунка, стабильность фторопласта (кривая б) заметно выше, чем стабильность полиэтилена (кривая а). Это связано с тем, что энергия связи фтора с углеродом (450 кДж/моль) заметно выше энергии связи водорода с углеродом (290 кДж/моль). Поэтому для разрушения молекулы фторопласта нужны большие флуктуации энергии его устойчивость выше.

Билет №13

1. Металлические материалы высокой электропроводности

К материалам высокой электропроводности предъявляются следующие требования:

Высокая электропроводность

Высокая механическая прочность

Технологичность - то есть способность к сварке, пайке, высокая пластичность.

Высокая коррозионная стойкость.

Низкая стоимость.

Одной из важнейших характеристик проводниковых материалов является их электропроводность ():

=nq (4.1)

где: n - концентрация носителей заряда, q - величина заряда, - подвижность носителей заряда.

Очевидно, что высокой электропроводностью будут обладать чистые непереходные металлы с ГЦК решеткой (Ag, Cu, Al, Au).

Высокой механической прочностью будут обладать металлы с низкой энергией дефекта упаковки или сплавы металлов. Однако в случае образования твердого раствора помимо роста прочности увеличивается и удельное электросопротивление. Поэтому для материалов высокой электропроводности используют лишь такое легирование, когда компоненты не растворяются друг в друге.

Что касается технологичности, то у всех металлов с ГЦК решеткой высокая пластичность, следовательно, из них легко получаются изделия методами обработки давлением. Поэтому проблема технологичности сводится в легкости пайки и сварки.

2. Сегнетоэлектрики. Природа высокой диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрических материалов

В сегнетоэле-ах в опред-ом диапазоне темпер-р наблюдается спонтанная или самопроизвольная поляр-ия. Название эта группа диэлек-ов получла по предложению И.В. Курчатова от сегнетовой соли, в кристалах кот. впервые была обнаружена спонтаная поляр-ия. Поскольку свойства сегнетоэл-ов во многом аналогичны св-вам ферромагн-ов, за рубежом их часто называют ферроэлектриками. В 1944 г. наш соотечественник Б. М. Вул открыл новый сегнетоэлектрик - титанат бария BaTiO₃

Рассмотрим природу спонтанной поляриз-ии в таких материалах на примере титаната бария. Элементарную ячейку кристал-ой реш-ки этого материала можно представить следующим образом. В вершинах куба находятся ионы бария, по центрам граней куба находятся ионы кислорода, а в центре куба находится ион титана

Поскольку м/у атомами титана, кислорода и бария осуществляется ионная связь кристаллическая решетка данного соединения упакована неплотно. Следовательно, ион титана может смещаться относительно центра элементарной ячейки. При смещении иона титана к какому либо иону (или группе ионов) кислорода, кулоновские силы удерживают ион титана в этом положении, и элементарная ячейка становится поляризованной. Поляризация одной элементарной ячейки приводит к появлению диполя, электрическое поле которого поляризует соседние элементарные ячейки. Таким образом, кристалл самопроизвольно (спонтанно) поляризуется. Повышение температуры приводит к активизации колебаний иона титана, и при равенстве энергии теплового движения этого иона с энергией электростатического взаимодействия с ионами кислорода элементарные ячейки кристалла деполяризуется. В итоге кристалл переходит из сегнетоэлектрического в параэлектрическое состояние. Температуру перехода принято называть температурой Кюри.

Важно отметить, что при температурах, меньших температуры Кюри, в отсутствии внешнего поля достаточно большие кристаллы сегнетоэлектриков не обладают электрическим моментом. Это обусловлено тем, что в случае, ко-гда все дипольные моменты элементарных ячеек кристалла ориентированы одинаково, вокруг кристалла появляется электрическое поле. Потенциальная энергия такого кристалла резко возрастает. Для снижения потенциальной энергии кристалл разбивается на области (домены), в пределах которых дипольные моменты элементарных ячеек параллельны, но суммарные электрические моменты соседних доменов антипараллельны или перпендикулярны. Таким образом, суммарный электрический момент кристалла равен нулю.

При помещении сегнетоэлектрика в электрическое поле суммарные моменты диполей ориентируются по полю и поляризация сегнетоэлектрика возрастает.

Рост поляризации приводит к росту отношения Р/Е, а следовательно, к росту диэлектрической проницаемости. Однако по мере роста напряженности поля прирост поляризации снижается, падает отношение P/E, и поэтому зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности поля имеет куполообразный вид. У сегнетоэлектриков максимальные значения диэлектрической проницаемости достигают сотен тысяч единиц, соответственно, габариты конденсаторов из таких материалов могут быть весьма малыми.

Существенное влияние на диэлектрическую проницаемость оказывает температура. При повышении температуры кинетическая энергия ангармонических колебаний ионов возрастает, и электростатическая связь между ионами ослабевает. Внешнему полю легче перебросить ионы из одного положения в другое, соответственно, поляризация и диэлектрическая проницаемость возрастают. Максимум диэлектрической проницаемости наблюдается при температуре Кюри.