Диэлектрический материал. Удельные диэлектрические потери. Проводники и полупроводники. Магнитные материалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Задача 1

Задача 2

Задача 3

Задача 4

Задача 1

К образцу прямоугольной формы из диэлектрического материала размерами аЧb и толщиной h приложено постоянное напряжение. Напряжение подводится к граням аb, покрытым слоями металла. Определить ток утечки, мощность потери, удельные диэлектрические потери, удельные диэлектрические потери при включении образца на переменное напряжение с действующим значением U.

Дано:

а=350

b=250

h=1,3 мм

U=0,8 кВ

f1=40 Гц

f2= 4 кГц

с= 2,15Ч10¹⁶ Ом м ,

сs= 2,5Ч10¹⁶ Ом,

е= 5

tg д= 2,5Ч10⁴

Решение

Объемное сопротивление образца прямоугольной формы:

R_v=сh/аb=2,15Ч10¹⁶Ч1,3/350Ч250=3,2Ч10¹¹Ом

Поверхностное сопротивление

R_s= сsh/2Ч1/(а+b)= 2,5Ч10¹⁶Ч1,3/2Ч1/(350+250)=1,8Ч10¹¹ Ом

I_v=700/3,2Ч10¹¹=2,1Ч10^-9 А

I_s=700/1,8Ч10¹¹ =3,8Ч10^-9 А

I_ск=2,1Ч10^-9 +3,8Ч10^-9 =5,9Ч10^-9 А

Задача 2

Даны два различных проводниковых материала: алюминий и свинец

Проводники - это материалы с сильно выраженной электропроводностью. По применению их делят на материалы высокой проводимости (для проводов различного назначения, токопроводящих деталей, электрических контактов) и материалы высокого сопротивления (для резисторов и нагревательных элементов).

Проводящие материалы условно подразделяются на группы

Классификация проводниковых материалов

Проводники - материалы, удельное электрическое сопротивление которых оценивается десятичным порядком 10^-8 Ом·м

Основные характеристики проводников

Температура плавления 659,8° С. Плотность алюминия при температуре 20° - 2,7 г/см3. Алюминий легко отливается и хорошо обрабатывается. При температуре 100 - 150° С алюминий ковок и пластичен (может быть прокатан в листы толщиной до 0,01 мм).

Электропроводность алюминия сильно зависит от примесей и мало от механической и тепловой обработки. Чем чище состав алюминия, тем выше его электропроводность и лучше противодействие химическим воздействиям. Обработка, прокатка и отжиг значительно влияют на механическую прочность алюминия. При холодной обработке алюминия увеличивается его твердость, упругость и прочность на растяжение. Удельное сопротивление алюминия при 20° С 0,026 - 0,029 ом х мм2/м.

Недостатком алюминия является его сравнительно низкая прочность. Отожженный алюминий почти в три раза менее прочен на разрыв, чем медь. Поэтому при изготовлении проводов его упрочняют путем холодной деформации. В этом случае предел прочности составляет 250 МПа, что является недостаточным для сопротивления сильному натяжению, которое испытывают провода в линиях электропередач. Поэтому для линий электропередач применяют провода со стальной сердцевиной.

Для кабельных и токопроводящих изделий применяют алюминий марок А00, А0, Al, A2. Проводниковый алюминий обычно содержит десятые доли процента примесей, из которых основными являются железо и кремний (таблица).

Химический состав алюминия технического деформируемого, %

Термическая обработка проводникового алюминия для снижения его сопротивления обычно не применяется, так как холодная обработка алюминия мало снижает его электропроводность. Так при обжатии до 95 - 98% электропроводность уменьшается не более чем на 1,2% электропроводности стандартной меди.

Свинец - металл сероватого цвета, дающий на свежем срезе сильный металлический блеск, но затем быстро тускнеющий вследствие поверхностного окисления. Он имеет крупнокристаллическое строение; если протравить свинец азотной кислотой, его кристаллы становятся видны даже невооруженным глазом. Свинец - мягкий, пластичный, малопрочный металл. Преимуществом свинца является его высокая коррозионная стойкость; он устойчив к действию воды, серной и соляной кислот и ряда других реагентов; однако азотная и уксусная кислоты, гниющие органические вещества, известь и некоторые другие соединения разрушают свинец.

Свинец в больших количествах применяют в качестве оболочек, защищающих изоляцию кабелей от проникновения в нее влаги. Кроме того, свинец используют для изготовления плавких предохранителей, пластин свинцовых аккумуляторов и т. д. Свинец широко употребляют как материал, сильно поглощающий рентгеновские лучи. Рентгеновские установки с напряжением 200- 300 кВ по нормам безопасности должны иметь свинцовую защиту при толщине слоя соответственно 4-9 мм. Слой свинца толщиной 1 мм по защитному действию в этих условиях эквивалентен слою стали 11,5 мм или слою обычного кирпича толщиной 110 мм. Свинец поставляют в чушках, т.е. продолговатых слитках массой до 50 кг.

Свинец - температура плавления 327,4°С. Удельное сопротивление 0,217 - 0,227 ом х мм²/м. Свинец применяется в сплавах с другими металлами как кислотоупорный материал. Добавляется в паяльные сплавы (припои).

Свинец был одним из первых металлов, переведенных в состояние сверхпроводимости. Кстати, температура, ниже которой этот металл приобретает способность пропускать электрический ток без малейшего сопротивления, довольно высока - 7,17°K. (Для сравнения укажем, что у олова она равна 3,72, у цинка - 0,82, у титана - всего 0,4°K). Из свинца была сделана обмотка первого сверхпроводящего трансформатора, построенного в 1961 г.

Сплавы свинца с малыми количествами сурьмы, теллура, кадмия, меди; кальция и олова имеют мелкозернистое строение, повышенную механическую прочность и стойкость к вибрациям; однако коррозионная стойкость этих сплавов несколько ниже, чем у чистого свинца. Они находят применение в кабельной технике. В ряде случаев свинец для кабельных оболочек заменяется очень чистым алюминием (имеющим высокую пластичность, что важно для опрессовки кабелей при сравнительно невысоком давлении). Весьма широко используются для ряда конструкций кабелей пластмассовые оболочки, значительно более дешевые и легкие, чем свинцовые. Свинец и его соединения ядовиты.

Задача 3

Даны два различных полупроводниковых материала: Карбит кремния и Варистор

Полупроводники - это материалы с сильной зависимостью Электропроводности от концентрации и вида примесей, дефектов структуры и внешних энергетических воздействий (температуры, электромагнитных полей, освещенности и т.д.).

Классификация полупроводников

Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы - диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании замечательных материалов с электронной или дырочной проводимостью.

Широкое применение полупроводников началось сравнительно недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и, наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод. Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах.

Инженеры не могут обходиться без полупровдниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность.

Чистый карбид кремния стехиометрического состава - бесцветные кристаллы с алмазным блеском. Технический SiC может иметь разнообразную окраску: белую, серую, желтую, зеленую и черную. Цвет материала зависит от сырья и технологии получения кристаллов и определяется как типом и количеством примеси, так и степенью отклонения состава от стехиометрического. Карбид кремния кристаллизуется в двух модификациях: при температурах менее 2000^оС - в кубической типа сфалерита (в?SiC), и при более высоких температурах - в гексагональной (б?SiC). Для высокотемпературной гексагональной модификации карбида кремния характерно явление политипизма: обнаружено более 50 политипных модификаций б?SiC.

Карбид кремния - единственное полупроводниковое бинарное соединение А^IVВ^IV. Тип связи - ковалентный, доля ионной составляющей порядка 10%. Ширина запрещенной зоны для кристаллов SiC составляет 2,39 эВ, для различных модификаций SiC ширина запрещенной зоны может иметь значение в пределах от 2,72 до 3,34 эВ. Большие значения ширины запрещенной зоны позволяют создавать на его основе полупроводниковые приборы, сохраняющие работоспособность при температурах до 600^оС. Собственная электропроводность из-за большой ширины запрещенной зоны наблюдается лишь при температурах выше 1400^оС. Подвижность носителей заряда низкая. Монокристаллы карбида кремния, легированные примесями элементов V группы (азот, фосфор, мышьяк, сурьма, висмут), а также литием и кислородом имеют n-тип проводимости и зеленую окраску. Элементы III группы (бор, алюминий, галлий, индий) и элементы II группы (бериллий, магний, кальций) являются акцепторами. При этом кристаллы имеют p-тип проводимости и голубую или черную окраску. В случае отклонения состава от стехиометрического в сторону кремния кристаллы обладают электропроводностью n-типа, в случае избытка углерода - p-типа.

Варистор (от англ. vari(able) - переменный и (resi)stor - резистор), полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого изменяется при изменении приложенного напряжения. Варистор представляет собой электротехническое изделие, изготовленное из многофазных полупроводниковых материалов.

Основной материал для изготовления варисторов - полупроводниковый карбид кремния SiC. Кристаллы SiC размалывают до размера 40-300 мкм, и этот порошок используют в качестве основы варистора. Электропроводность порошка имеет нелинейный характер, однако она нестабильна, зависит от степени сжатия, крупности помола, меняется при тряске и т. п., поэтому порошок скрепляют связующим веществом. Порошкообразный карбид кремния и связующее вещество запрессовывают в форму и спекают. Если в качестве связующего вещества используют глину, то полученный материал называют тирит. Для изготовления тирита смесь 74% мелкоизмельченного карбида кремния и глины прессуется и обжигается при температуре 1270°С. Если используют жидкое стекло (75% SiO₂ + 24% Na₂O + вода, то есть силикатный клей), то полученный материал, состоящий из 84% SiC и 16% связующего, называют вилит. Смесь для изготовления вилита прессуется и обжигается при температуре 380°С. При использовании в качестве связующего ультрафарфоровой связки получают лэтин, а прессованный углерод с кристаллическим кремнием называется силит.

Поверхность прессованного образца металлизируют и припаивают к ней выводы. Изменение электропроводности варистора с нарастанием напряжения на его выводах связано со сложными явлениями на контактах или на поверхности кристаллов. Например, уменьшение сопротивления с ростом напряжения в варисторах, изготовленных на основе карбида кремния, связано с падением сопротивления контактов между зернами SiC. Это происходит вследствие нелинейного роста тока через p-n- переходы, образующиеся на этих контактах, в результате автоэлектронной эмиссии на острых участках зерен и т. д.

Варисторы на основе карбида кремния имеют невысокий коэффициент нелинейности, порядка 5-7, поэтому в настоящее время для изготовления варисторов применяется оксид цинка с добавками оксидов висмута, кобальта, марганца, сурьмы и хрома. Технология его приготовления сложна, она включает раздельный размол компонентов, смешение со связкой, прессование, спекание с выжиганием связки, размол, вторичное спекание, вжигание электродов. В результате получается высококачественная керамика с высокой нелинейностью, величина которой составляет 50-70. Нелинейность варисторов на основе оксидных полупроводников связана не со свойствами кристаллитов, а со свойствами межкристаллитных прослоек и потенциальных барьеров на поверхности кристаллитов. Однако варисторы на основе оксида цинка менее стабильны при работе и хранении, чем варисторы из карбида кремния.

Нелинейные резисторы - варисторы - широко применяются в производстве вентильных разрядников, предназначенных для защиты электрооборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений. Вентильные разрядники подразделяют на низковольтные и высоковольтные. Варисторы используется также в умножителях частоты, модуляторах, устройствах поглощения перенапряжений и др.

диэлектрические проводниковые магнитные феррит

Задача 4

Даны два различных магнитных материала: Железо технически чистое и Феррит 1БИ.

Магнитные материалы способны сильно намагничиваться во внешнем магнитном поле. По особенностям процесса намагничивания, связанным с их строением, они делятся на ферромагнетики и ферримагнетики (ферриты). Различают магнитомягкие и магнитотвердые материалы. Магнитомягкие материалы легко перемагничиваются. Их применяют в электромагнитах и переменных магнитных полях в качестве сердечников трансформаторов, магнитопроводов электрических машин, реле и т.д. Магнитотвердые материалы трудно размагничиваются, обладают большим запасом магнитной энергии; их используют для изготовления постоянных магнитов и устройств для записи и хранения информации.

Первопричиной магнитных свойств материалов являются электронные круговые токи, создаваемые вращением электронов вокруг собственных осей (электронные спины).

По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного порядка (магнитной восприимчивости) все вещества в природе делятся на: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Сплавы, в которых углерода менее 0,02%, называются технически чистым железом. Технически чистое железо относится также к электротехническим сталям.

Техническое железо(армко-железо) содержит менее 0,04% С и имеет высокую магнитную проницаемость (м = 4500 Гс/Э). Оно является электротехническим магнитно-мягким материалом (марки Э, ЭА, ЭАА) и применяется для сердечников, полюсных наконечников, электромагнитов, пластин аккумуляторов.

Технически чистое железо (низкоуглеродистая электротехническая сталь) содержит менее 0.05% углерода и минимальное количество примесей других элементов. Получается прямым восстановлением чистых руд.

Железо в чистом виде является магнитомягким материалом, магнитные свойства которого существенно зависят от содержания примесей. Среди элементарных ферромагнетиков железо обладает наибольшей индукцией насыщения (около 2,2 Тл). У технически чистого железа магнитная проницаемость составляет мн - (250-400), ммах - (3500-4500), коэрцитивная сила Hc - (50-100) А/м, индукция насыщения Bs 2.18 Тл.Особо чистое железо, содержащее малое количество примесей получают двумя сложными способами:

Электролитическое железо путем электролиза раствора сернокислого или хлористого железа. Магнитная проницаемость электролитического железа мн - 600, ммах - 15000, коэрцитивная сила Hc -30 А/м, индукция насыщения Bs 2.18 Тл

Карбонильное железо получают посредством термического разложения пентакарбонила железа: Fe(CO)5 = Fe+5CО. У карбонильного железа магнитная проницаемость мн - , ммах - 15000, коэрцитивная сила Hc -30 А/м, индукция насыщения Bs2.18 Тл

На магнитные свойства железа влияют химический состав, структура, размер зерна, искажения кристаллической решетки, механические напряжения. Магнитные свойства железа улучшаются при выращивании крупного зерна, в результате многократных переплавок в вакууме. Внутренние напряжения в деталях снимаются отжигом.

Качество электротехнической стали характеризуется величиной и изотропностью магнитных свойств, геометрическими размерами и качеством листов и полос, механическими свойствами, а также параметрами электроизоляционного покрытия. Снижение удельных потерь в стали обеспечивает уменьшение потерь энергии в магнитопроводах; повышение магнитной индукции стали позволяет уменьшить габариты магнитопроводов; снижение анизотропии магнитных свойств улучшает характеристики устройств с вращающимися магнитопроводами. Электротехнические стали применяют в производстве генераторов электрического тока, трансформаторов, электрических двигателей и др.

Ферримагнетики получили свое название от ферритов, под которыми понимают химические соединения окисла железа Fe2O3 с окислами других металлов. В настоящее время используют сотни различных марок ферритов, отличающихся по химическому составу, кристаллической структуре, магнитным, электрическим и другим свойствам.

Наиболее широкое применение нашли ферриты со структурой природного минерала шпинели. Химический состав ферритов-шпинелей отвечает формуле МеFe2O4, где под Ме понимают какой-либо двухвалентный катион. На примере этих соединений рассмотрим наиболее характерные особенности магнитных свойств ферримагнетиков.

Исследования показывают, что наличие или отсутствие магнитных свойств определяется кристаллической структурой материалов и, в частности, расположением ионов двухвалентных металлов и железа между ионами кислорода. Элементарная ячейка шпинели представляет собой куб, в состав которого входит восемь структурных единиц типа МеFe2O4, т.е. 32 иона кислорода, 16 ионов трехвалентного железа и 8 ионов двухвалентного металла. Кислородные ионы расположены по принципу плотной кубической упаковки шаров. При этом возникают междуузлия двух типов: тетраэдрические, образованные окружением четырех ионов, и октаэдрические, образованные окружением шести ионов кислорода. В этих кислородных междуузлиях находятся катионы металлов. Всего в элементарной ячейке шпинели может быть заполнено 8 тетраэдрических промежутков (назовем их позициями типа А) и 16 октаэдрических мест (позиции типа В).

Помимо высокой магнитной проницаемости и малой коэрцитивной силы магнитомягкие материалы должны обладать большой индукцией насыщения, т.е. пропускать максимальный магнитный поток через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. Выполнение этого требования позволяет уменьшить габаритные размеры и массу магнитной системы.

Магнитный материал, используемый в переменных полях, должен иметь возможно меньшие потери на перемагничивание, которые складываются в основном из потерь на гистерезис и вихревые токи.

Ферриты представляют собой оксидные магнитные материалы, у которых спонтанная намагниченность доменов обусловлена нескомпенсированным антиферромагнетизмом.

Большое удельное сопротивление, превышающее удельное сопротивление железа в 103-1013 раз, а следовательно, и относительно незначительные потери энергии в области повышеных и высоких частот наряду с достаточно высокими магнитными свойствами обеспечивают ферритам широкое применение в радиоэлектронике.

Размещено на Allbest.ru