Презентация на тема "проводници и диелектрици". Презентация "Проводници и диелектрици в електростатично поле" презентация за урок по физика (10 клас) на тема Основни определения и класификация на диелектриците

• Какво е електрическо поле?
• Назовете основните свойства на електростатичното поле.
• Какво генерира електрическото поле?
• Как се нарича напрегнатостта на електрическото поле?
• Какво електрично поле се нарича равномерно?
• Как може да се получи еднородно електрическо поле?
• Как са насочени силовите линии на еднородно електрическо поле?
• Как да изчислим силата на електрическото поле, създадено от точков заряд?

Проводници и диелектрици в електростатично поле

Конспект на лекцията:

• 1. Проводници и диелектрици.
• 2. Проводници в електростатично поле.
• 3. Диелектрици в електростатично поле.

Два вида диелектрици.

• 4. Диелектрична константа.

Структура на металите

Последният електрон е слабо привлечен от ядрото, защото:

• далеч от ядрото
• 10 електрона отблъскват единадесетия

последният електрон напуска ядрото и става свободен

вещества чрез проводимост

проводници

• проводници

диелектрици

Това са вещества, които не провеждат електричество

без безплатни такси

това са вещества, които провеждат електрически ток

има безплатни такси

Структура на металите

Структура на металите

д вътрешни

д външен=д вътрешни

Метален проводник в електростатично поле

д външен= д вътрешни

д в общи линии =0

ЗАКЛЮЧЕНИЕ:

Вътре в проводника няма електрическо поле.

Целият статичен заряд на проводника е концентриран върху повърхността му.

Диелектрична структура

структурата на молекулата на солта

електрически дипол -

съвкупност от два точкови заряда, еднакви по големина и противоположни по знак.

Структурата на полярен диелектрик

Диелектрик в електрическо поле

д вътрешни д външен .

д вътр.

д вътрешни

ЗАКЛЮЧЕНИЕ:

ДИЕЛЕКТРИКЪТ ОТСЛАБВА ВЪНШНОТО ЕЛЕКТРИЧЕСКО ПОЛЕ

Galimurza S.A.

Диелектрична константа на средата

Напрегнатост на електрическото поле във вакуум

Напрегнатост на електрическото поле в диелектрик

Диелектрична константа на средата

д О

Към директорията:

• Закон на Кулон:
• Напрегнатост на електрическото поле, създадено от точков заряд:

р 1 р 2

r

2

р

r

2

Какво представляват микровълните?

Домакинските микровълнови фурни използват електромагнитни вълни с честота 2450 MHz - микровълни.

В такива микровълни електрическото поле 2 · 2 450 000 000 променя посоката си веднъж в секунда.

Микровълнова: микровълнова честота 2450 MHz

Как микровълните загряват храната?

Нагряването на продуктите се дължи на два физически механизма:

1. нагряване на повърхностния слой с микровълни

2. последващо проникване на топлина в дълбочината на продукта поради топлопроводимост.

устройство

мощност,

честота,

микровълнова печка

мобилен телефон

GSM клас 4

мобилен телефон

На повърхността на сферата конусите изрязват малки сферични области, които могат да се считат за плоски. A r1r1 r2r2 S1S1 S2S2, или Конусите са подобни един на друг, тъй като ъглите при върха са равни. От подобието следва, че площите на основите се отнасят като квадратите на разстоянията от точка А до площадките и съответно. По този начин,

Еквипотенциални повърхности На фигурата е показан приблизителен ход на еквипотенциалните повърхности за определен момент на сърдечно възбуждане. В електрическо поле повърхността на проводящо тяло с всякаква форма е еквипотенциална повърхност. Пунктираните линии показват еквипотенциални повърхности, числата до тях показват потенциалната стойност в миливолта.

Диелектрична константа на веществата Вещество ε ε Газове и водни пари Азот Водород Въздух Вакуум Водни пари (при t=100 ºС) Хелий Кислород Въглероден диоксид Течности Течен азот (при t= –198,4 ºС) Бензин Вода Течен водород (при t= –252, 9 ºС) Течен хелий (при t= –269 ºC) Глицерин 1,0058 1,006 1,4 1,9–2,0 81 1,2 1,05 43 Течен кислород (при t= –192,4 ºС) Трансформаторно масло Алкохол Етер Твърди вещества Диамант Восъчна хартия Сухо дърво Лед (при t= – 10 ºС) Парафин Каучук Слюда Стъкло Титан барий Порцелан Кехлибар 1,5 2,2 26 4,3 5,7 2,2 2,2–3,7 70 1,9–2,2 3,0–6,0 5,7–7,2 6,0–10,4–6,8 2,8

Литература О. Ф. Кабардин „Физика. Справочни материали“. О. Ф. Кабардин „Физика. Справочни материали“. А. А. Пински „Физика. Учебник за 10. клас на училищата и паралелките със задълбочено изучаване на физика." А. А. Пински „Физика. Учебник за 10. клас на училищата и паралелките със задълбочено изучаване на физика." Г. Я. Мякишев „Физика. Часове по електродинамика“. Г. Я. Мякишев „Физика. Часове по електродинамика“. Списание "Квант". Списание "Квант".

Проводници и диелектрици

Електрическо поле в материята. Всяка среда отслабва силата на електрическото поле. Електрическите характеристики на средата се определят от подвижността на заредените частици в нея. Вещества, проводници, полупроводници, диелектрици. вещества. Свободните заряди са заредени частици със същия знак, които могат да се движат под въздействието на електрическо поле. Свързаните заряди са различни от зарядите, които не могат да се движат под въздействието на електрическо поле независимо един от друг. Проводници. Проводниците са вещества, в които свободните заряди могат да се движат в целия обем. Проводници - метали, разтвори на соли, киселини, влажен въздух, плазма, човешко тяло. - Explorer.ppt

Проводници в електрическо поле

Проводници в електрическо поле. В други проводници също няма електрическо поле. Нека разгледаме електрическото поле вътре в метален проводник...... Диелектрици. В неполярните диелектрици центърът на положителния и отрицателния заряд съвпада. В електрическо поле всеки диелектрик става полярен. Дипол. Поляризация на диелектрици. - Проводници в електрично поле.ppt

Проводници в електростатично поле

Проводници и диелектрици в електростатично поле. Проводници в електростатично поле Диелектрици в електростатично поле. - Метали; течни разтвори и стопилки на електролити; плазма. Проводниците включват: Проводници в електростатично поле. Евнеш. Вътрешното поле ще отслаби външното. евн. Вътре в проводник, поставен в електростатично поле, няма поле. Електростатични свойства на хомогенни метални проводници. Диелектрици. Полярен. Неполярни. Диелектриците включват въздух, стъкло, ебонит, слюда, порцелан и сухо дърво. Диелектрици в електростатично поле. - Проводници в електростатично поле.ppt

Проводници и диелектрици

Електрическо поле. Проводници и диелектрици в електростатично поле. Проводници и диелектрици. Вещества по проводимост. Последен електрон. Структура на металите. Метален проводник. Метален проводник в електростатично поле. Диелектрична структура. Структурата на полярен диелектрик. Диелектрик в електрическо поле. Диелектрична константа на средата. Закон на Кулон. Микровълнова печка. Микровълнова печка. Как микровълните загряват храната. Мощност. - Проводници и диелектрици.ppt

Проводници в електрическо поле; диелектрици в електрично поле

Тема: „Проводници и диелектрици в електрическо поле“. Проводници. Заряд вътре в проводник. Според принципа на суперпозицията на полето, напрежението вътре в проводника е нула. Провеждаща сфера. Да вземем произволна точка А. Зарядите на площите са равни. Електростатична индукция. Еквипотенциални повърхности. Най-известните електрически риби са. Електрически скат. Електрическа змиорка. Диелектрици. Диелектриците са материали, които нямат свободни електрически заряди. Има три вида диелектрици: полярни, неполярни и сегнетоелектрици. - Проводници в електрично поле, диелектрици в електрично поле.ppt

Електрическо поле в диелектриците

Диелектриците не провеждат електрически ток при нормални условия. Терминът "диелектрик" е въведен от Фарадей. Диелектрикът, като всяко вещество, се състои от атоми и молекули. Диелектричните молекули са електрически неутрални. Поляризация. Напрегнатост на полето в диелектрик. Под въздействието на полето диелектрикът се поляризира. Полученото поле вътре в диелектрика. Поле. Електрическо отклонение. Външното поле се създава от система от свободни електрически заряди. Теорема на Гаус за поле в диелектрик. Теорема на Гаус за електростатичното поле в диелектрик. Свойствата на фероелектриците силно зависят от температурата. - Диелектрик.ppt

Поляризация на диелектрици

Поляризация на диелектрици. Относителна диелектрична константа. Вектор на поляризация. Механизми на поляризация. Спонтанна поляризация. Миграционна поляризация. Видове еластична поляризация. Йонна еластична поляризация. Диполна еластична поляризация. Видове термична поляризация. Диполна термична поляризация. Електронна термична поляризация. Диелектричната константа. Сегнетоелектрици. Пиезоелектрици. Пиезоелектричните ефекти се наблюдават само в кристали, които нямат център на симетрия. Пироелектрици. Пироелектриците проявяват спонтанна поляризация по протежение на полярната ос. Фотополяризация. -

Слайд 1

Проводниците са вещества, в които има много свободни заредени частици. Например, в металите това са електроните на външната обвивка, които са свързани с ядрата на атомите много слабо и следователно всъщност принадлежат към металния проводник като цяло. Това е така нареченият електронен газ. Именно поради наличието на заредени частици, които могат да се движат свободно по целия обем на металния проводник, вътре в металите няма електрическо поле. В други проводници също няма електрическо поле. Помислете за електрическото поле вътре в метален проводник......

Слайд 2


Слайд 3


защото E0 = E1, тогава E = E0-E1= 0 Вътре в проводника няма електрическо поле

Слайд 4


Когато зарядите са в равновесие, вътре в проводника няма електрическо поле и зарядите са разположени на повърхността му.

Слайд 5

Диелектрици

Това са вещества, които нямат свободни заредени частици в себе си. Необходимо е да се прави разлика между полярните диелектрици, в които центърът на положителния и отрицателния заряд не съвпада. В неполярните диелектрици центърът на положителния и отрицателния заряд съвпада. В електрическо поле всеки диелектрик става полярен.

Слайд 6

Дипол

Това е система от два свързани противоположни заряда, в която центърът на положителния и отрицателния заряд не съвпадат. Дипол, поставен в електрическо поле, е подложен на въртящ момент, което го кара да се ориентира по протежение на полето. M=F٠L, където L е разстоянието между центровете на свързаните заряди.

по дисциплина "Електротехника"

на тема: „Проводници, полупроводници и диелектрици“

Курчатов 2008г

Въведение

Материали за проводници

Главна информация

Дирижиране на бронз

Алуминий

полупроводници. Полупроводникови устройства

2.1. Главна информация

2.2. Полупроводникови диоди

2.3. Тиристори

Електроизолационни материали

3.1. Основни определения и класификация на диелектриците

3.2. Характеристики на електроизолационните материали

Заключение

Библиография

Въведение

В зависимост от характера на действието на електрическото поле върху телата те могат да бъдат разделени на проводници, диелектрици и полупроводници. Свойствата на телата и тяхното поведение в електрическо поле се определят от структурата и разположението на атомите в телата. Атомите съдържат електрически заредени частици: положителни - протони, отрицателни - електрони. В нормално състояние атомът е електрически неутрален, тъй като броят на протоните, които изграждат ядрото на атома, е равен на броя на електроните, които се въртят около ядрото и образуват „електронните обвивки“ на атома. Електроните във външната валентна обвивка определят електрическата проводимост на веществото. Енергийните нива на външните валентни електрони образуват валентната или запълнена лента. В тази зона електроните са в стабилно свързано състояние. За да се освободи всеки електрон в тази зона, е необходимо да се изразходва малко енергия. Следователно електроните в свободно състояние заемат по-високи енергийни нива. Зоната с по-високи енергийни нива, разположена над валентната зона и отделена от нея от забранената зона, комбинира незапълнени или свободни енергийни нива и се нарича зона на проводимост или зона на възбуждане. За да се прехвърли електрон от валентната зона в зоната на проводимост, е необходимо да му се придаде енергия отвън. Ширината на забранената зона, която електронът трябва да преодолее, за да премине от стабилно състояние в свободно състояние (към зоната на проводимост), е един от основните критерии за разделяне на телата на проводници, полупроводници и диелектрици.

1. Материали за проводници

1.1. Главна информация

Като проводници на електрически ток могат да се използват както твърди вещества, така и течности, а при подходящи условия и газове. Проводниковите материали в електротехниката включват метали, техните сплави, контактни металокерамични състави и електрически въглерод. Най-важните твърди проводникови материали, практически използвани в електротехниката, са металите и техните сплави, характеризиращи се с електронна проводимост; основният параметър за тях е електрическото съпротивление като функция на температурата.

Диапазонът на съпротивлението на металните проводници е много тесен и варира от 0,016 μΩm за сребро до 1,6 μΩm за топлоустойчиви желязо-хром-алуминиеви сплави. Електрическото съпротивление на графита преминава през минимум с повишаване на температурата, последвано от постепенно нарастване.

Въз основа на вида на приложението проводниковите материали се разделят на групи:

проводници с висока проводимост– метали за електропроводни проводници и за производство на кабели, намотки и монтажни проводници за намотките на трансформатори, електрически машини, съоръжения и др.;

строителни материали– бронз, месинг, алуминиеви сплави и др., използвани за производството на различни тоководещи части;

сплави с висока устойчивост– предназначени за производство на допълнителни съпротивления за измервателни уреди, стандартни съпротивления и съпротивителни резервоари, реостати и елементи на нагревателни уреди, както и сплави за термодвойки, компенсационни проводници и др.;

контактни материали– използва се за двойки постоянни, прекъсващи и плъзгащи се контакти;

материали за запояваневсички видове проводникови материали.

Механизмът за преминаване на ток в металите се дължи на движението (дрейфа) на свободни електрони под въздействието на електрическо поле; Поради това металите се наричат ​​проводници с електронна проводимост или проводници от първи вид.

Електрическо съпротивление на проводниците

Електрическото съпротивление се дължи на факта, че свободните електрони, когато се движат, взаимодействат с положителните йони на металната кристална решетка. С повишаването на температурата сблъсъците на електрони с йони стават по-чести, така че съпротивлението на проводниците зависи от температурата. Съпротивлението на проводниците зависи от материала на проводника, т.е. структурата на неговата кристална решетка. За хомогенен цилиндричен проводник с дължина l и площ на напречното сечение S съпротивлението се определя по формулата

Р= ρ ٠ л/ С(1.)

където ρ=RS/l е съпротивлението на проводника (съпротивлението на хомогенен цилиндричен проводник с единица дължина и единица площ на напречното сечение).

Единицата за съпротивление е ом.

1 Ohm: Ohm е съпротивлението на проводника, през който при напрежение 1 V протича ток от 1 Ohm = 1 V/A.

Стойността σ=1/ρ, реципрочната на съпротивлението, се нарича електрическа проводимост на проводника.

Единицата за електрическа проводимост е сименс (Cm).

Siemens - електрическа проводимост на проводник със съпротивление 1 Ohm, т.е. 1 см=1 ом¹. От формула (1.1) следва, че единицата за съпротивление е ом-метър (Ohm ٠m).

Таблица 1.1 Съпротивление на най-често срещаните проводници

Материал ρ, 10־/> Ohm∙m Характеристики на материала

Сребро 1.6 Най-добър проводник

Мед 1.7 Най-често използван

Алуминий 2.9 Често използван

Желязо 9.8 Използва се рядко




Електрическото съпротивление на проводника зависи не само от вида на веществото, но и от неговото състояние. Зависимостта на съпротивлението ρ от температурата се изразява с формулата

ρ = ρ 0 (1+ αT), (1.2)

където ρ0 – съпротивление при 0°C; t – температура (скала по Целзий); α е температурният коефициент на съпротивление, характеризиращ относителното изменение на съпротивлението на проводника при нагряване с 1°C или 1 K:

α = (ρ-ρ )/ρ T. (1.3)

Температурните коефициенти на съпротивление на веществата са различни при различни температури. Въпреки това, за много метали промяната в α с температурата не е много голяма. За всички чисти метали α ≈ 1/273 K־¹ (или °C־¹).

Зависимостта на съпротивлението на метала от температурата е в основата на проектирането на съпротивителни термометри. Използват се както при много високи, така и при много ниски температури, когато използването на течни термометри не е възможно.

От концепцията за проводимост на проводника следва, че колкото по-ниско е съпротивлението на проводника, толкова по-голяма е неговата проводимост. При нагряване на чистите метали съпротивлението им се увеличава, а при охлаждане съпротивлението им намалява.

През 1911 г. холандският физик Kamerlingh Onnes провежда експерименти с живака, който може да се получи в чист вид. Той се натъкна на ново, напълно неочаквано явление. Съпротивлението на живака при 4,2 K (около -269°C) спада рязко до толкова ниска стойност, че става практически невъзможно за измерване. Kamerlingh Onnes нарича това явление на изчезване на електрическо съпротивление като свръхпроводимост.

РАЗДЕЛИТЕЛ НА СТРАНИЦА--

Понастоящем свръхпроводимостта е открита в повече от 25 метални елемента, голям брой сплави, някои полупроводници и полимери. Температурата Tcr за преминаване на проводник в свръхпроводящо състояние за чисти метали варира от 0,14 K за иридий до 9,22 K за ниобий.

Движението на електрони в метал в състояние на свръхпроводимост е така подредено, че електроните, движещи се по протежение на проводник, почти не изпитват сблъсъци с атоми и йони на решетката. Пълно обяснение на явлението свръхпроводимост може да се даде от гледна точка на квантовата механика.

В допълнение към чисто електрическите свойства, за да се извърши необходимата технологична обработка и да се осигури определен експлоатационен живот, проводниковите материали трябва да имат достатъчна топлоустойчивост, механична якост и пластичност.

1.2. Мед

Чистата мед се нарежда на следващо място по електропроводимост след среброто, което има най-висока проводимост от всички известни проводници. Високата проводимост и устойчивост на атмосферна корозия, съчетани с висока пластичност, правят медта основен материал за проводници.

Във въздуха медните проводници се окисляват бавно, покривайки се с тънък слой CuO оксид, който предотвратява по-нататъшното окисляване на медта. Корозията на медта се причинява от серен диоксид SO2, сероводород H2S, амоняк NH3, азотен оксид NO, пари на азотна киселина и някои други реагенти.

Проводимата мед се получава от слитъци чрез галванично пречистване в електролитни вани. Примесите, дори в незначителни количества, рязко намаляват електрическата проводимост на медта, което я прави неподходяща за токови проводници, поради което като електрическа мед се използват само два вида мед, MO и M1.

Почти всички проводими медни продукти се изработват чрез валцуване, пресоване и изтегляне. Така чрез изтегляне могат да се произвеждат телове с диаметър до 0,005 mm, ленти с дебелина до 0,1 mm и медно фолио с дебелина до 0,008 mm.

Проводимата мед се използва както в отгрята форма след студена обработка (мека мед клас MM), така и без отгряване (твърда мед клас MT).

При температури на термична обработка над 900°C, поради интензивния растеж на зърната, механичните свойства на креда рязко се влошават.

За да се увеличи якостта на пълзене и термичната устойчивост, медта се легира със сребро в диапазона 0,07 - 0,15%, както и с магнезий, кадмий, цирконий и други елементи.

Медта със сребърни добавки се използва за намотки на високоскоростни и топлоустойчиви машини с висока мощност, а медта, легирана с различни елементи, се използва в комутатори и контактни пръстени на тежко натоварени машини.

1.3. Месинг

Сплавите от мед и цинк, наречени месинги, намират широко приложение в електротехниката. Цинкът се разтваря в медта до 39%.

В различни марки месинг съдържанието на цинк може да достигне до 43%. Месингите, съдържащи до 39% цинк, имат еднофазна структура на твърд разтвор и се наричат ​​α-месинги. Тези месинги имат най-голяма пластичност, така че от тях се изработват части чрез горещо или студено валцуване и изтегляне: листове, ленти, тел. Без нагряване части със сложни конфигурации могат да бъдат направени от листов месинг чрез дълбоко изтегляне и щамповане.

Двуфазният месинг е по-твърд и по-крехък и може да се пресова само когато е горещ.

Добавянето на калай, никел и манган към месинга повишава механичните свойства и антикорозионната устойчивост, а добавянето на алуминий в състав с желязо, никел и манган придава на месинга, в допълнение към подобряването на механичните свойства и устойчивостта на корозия, висока твърдост . Наличието на алуминий в месинга обаче затруднява запояването и запояването с меки припои става почти невъзможно.

Месинг клас L68И L63Поради високата си пластичност лесно се щамповат и огъват, лесно се запояват с всички видове припои. В електротехниката се използват широко за различни части под напрежение;

класове месинг LS59-1И LMC58-2използва се за производство на роторни клетки на електродвигатели и за тоководещи части, изработени чрез рязане и горещо щамповане; запоява се добре с различни припои;

месинг LA67-2.5използва се за отлети тоководещи части с повишена механична якост и твърдост, които не изискват запояване с меки припои;

месинг LK80-3LИ LS59-1Lшироко използвани за отливане на тоководещи части на електрическо оборудване, за четкодържатели и за отливане на ротори на асинхронни двигатели. Те приемат добре запояване с различни припои.

1.4. Дирижиране на бронз

Проводимият бронз принадлежи към медните сплави, необходимостта от тяхното използване се дължи главно на недостатъчната механична якост и термична стабилност на чистата мед в някои случаи.

Общата гама от бронз е много обширна, но само няколко марки бронз имат висока електрическа проводимост.

Кадмиев бронзсе отнася до най-често срещаните проводникови бронзи. От всички класове кадмиевият бронз има най-висока електропроводимост. Благодарение на повишената устойчивост на абразия и висока устойчивост на топлина, този бронз се използва широко за производството на тролейни проводници и колекторни плочи;

берилиев бронзсе отнася до сплави, които придобиват якост в резултат на абразия. Има високи еластични свойства, стабилен при нагряване до 250°C и електропроводимост 2 - 2,5 пъти по-висока от проводимостта на други видове бронз с общо предназначение. Този бронз е намерил широко приложение за производството на различни пружинни части, които едновременно действат като проводник на ток, например: токопроводими пружини, някои видове четкодържатели, плъзгащи се контакти в различни устройства, щепселни устройства и др.;

Фосфорен бронзима висока якост и добри пружинни свойства; поради ниската си електропроводимост се използва за производство на пружинни части с ниска плътност на тока.

Лятите тоководещи части се изработват от различни степени на машиностроителен лят бронз с проводимост в рамките на 8-15% от проводимостта на чистата мед. Характерна особеност на бронза е ниското свиване в сравнение с чугуна и стоманата и високите свойства на леене, поради което се използват за леене на различни тоководещи части със сложни конфигурации, предназначени за електрически машини и апарати.

Всички марки лят бронз могат да бъдат разделени на калай и без калай, където основните легиращи елементи са Al, Mn, Fe, Pb, Ni.

Алуминий

Характерните свойства на чистия алуминий са неговото ниско специфично тегло, ниска точка на топене, висока термична и електрическа проводимост, висока пластичност, много висока латентна топлина на топене и издръжлив, макар и много тънък, оксиден филм, покриващ повърхността на метала и защитаващ го. от проникването на кислород вътре.

Добрата електрическа проводимост осигурява широкото използване на алуминия в електротехниката. Тъй като плътността на алуминия е 3,3 пъти по-ниска от тази на медта, а съпротивлението е само 1,7 пъти по-високо от това на медта, тогава алуминият на единица маса има два пъти по-голяма проводимост от медта.

Серен диоксид, сероводород, амоняк и други газове, намиращи се във въздуха на промишлените зони, нямат забележим ефект върху скоростта на корозия на алуминия. Ефектът на водните пари върху алуминия също е незначителен. В контакт с повечето метали и сплави, които са благородни в обхвата на електрохимичния потенциал, алуминият служи като анод и следователно неговата корозия в електролитите ще прогресира.

За да се избегне образуването на галванични двойки във влажна атмосфера, съединението на алуминий с други метали се запечатва чрез лакиране или други средства.

Дългосрочните тестове на алуминиевите проводници показват, че те не са по-ниски от медните по отношение на устойчивостта на корозия.

Таблица 1.2. Основни характеристики на проводниковите материали

Материал

Плътност,

температура

точка на топене, °C

Специфична електрическа

устойчивост при 20°C,

Средна температура

Коефициент на съпротивление от 0 до 100°C, 1/град

Забележка

Алуминий

Жици, кабели, гуми, проводници на ротори с катерица, корпуси и лагерни щитове на малки електрически машини

Кадмиев бронз – контакти, фосфорен бронз – пружини

Контакти, скоби

Жици, кабели, гуми

Припои за калайдисване и запояване в сплав с олово

Продължение
--РАЗДЕЛИТЕЛ НА СТРАНИЦА--

2. Полупроводници. Полупроводникови устройства

2.1. Главна информация

Полупроводниците са вещества, чиято проводимост е междинна между проводимостта на металите и диелектриците. Полупроводниците са едновременно лоши проводници и лоши диелектрици. Границата между полупроводници и диелектрици е произволна, тъй като диелектриците при високи температури могат да се държат като полупроводници, а чистите полупроводници при ниски температури се държат като диелектрици. В металите концентрацията на електрони практически не зависи от температурата, а в полупроводниците носителите на заряд се появяват само когато температурата се повиши или когато енергията се абсорбира от друг източник.

Типичните полупроводници са въглерод (C), германий (Ge) и силиций (Si). Германий е крехък, сиво-бял елемент, открит през 1886 г. Източникът на прахообразен германиев диоксид, от който се получава твърд германий, е пепелта от някои видове въглища.

Силицият е открит през 1823 г. Той е широко разпространен в земната кора под формата на силициев диоксид (силициев диоксид), силикати и алумосиликати. Пясъкът, кварцът, ахатът и кремъкът са богати на силициев диоксид. Чистият силиций се получава от силициев диоксид по химичен път. Силицият е най-широко използваният полупроводников материал.

Нека разгледаме по-подробно образуването на електрони на проводимост в полупроводници, използвайки силиций като пример. Силициевият атом има пореден номер Z=14 в периодичната таблица на Д. И. Менделеев. Следователно неговият атом съдържа 14 електрона. Само 4 от тях обаче са върху незапълнената външна обвивка и са слабо свързани. Тези електрони се наричат ​​валентни електрони и пораждат четирите валенции на силиция. Силициевите атоми са в състояние да комбинират валентните си електрони с други силициеви атоми, използвайки така наречената ковалентна връзка (Фигура 2.1). При ковалентното свързване валентните електрони се споделят между различни атоми, което води до образуването на кристал.

Тъй като температурата на кристала се повишава, топлинните вибрации на решетката водят до разкъсване на някои валентни връзки. В резултат на това някои от електроните, които преди това са участвали в образуването на валентни връзки, се отделят и стават електрони на проводимостта. При наличие на електрическо поле те се движат срещу полето и образуват електрически ток.

Въпреки това, когато електрон се освободи в кристалната решетка, се образува незапълнена междуатомна връзка. Такива „празни“ пространства с липсващи свързващи електрони се наричат ​​„дупки“. Появата на дупки в полупроводниковия кристал създава допълнителна възможност за пренос на заряд. Наистина, дупката може да бъде запълнена от електрон, пренесен под въздействието на топлинни вибрации от съседен атом. В резултат на това нормалната комуникация ще бъде възстановена на това място, но ще се появи дупка на друго място. Всеки от другите електрони на връзката и т.н. може на свой ред да отиде в тази нова дупка. Последователното запълване на свободна връзка с електрони е еквивалентно на движението на дупка в посока, обратна на движението на електрони. Така, ако в присъствието на електрическо поле електроните се движат срещу полето, тогава дупките ще се движат по посока на полето, т.е. начина, по който положителните заряди ще се движат. Следователно в полупроводника има два вида токови носители - електрони и дупки, а общата проводимост на полупроводника е сумата от електронната проводимост (n-тип, от думата отрицателен) и дупковата проводимост (p-тип, от дума положителна).

Наред с преходите на електрони от свързано състояние към свободно състояние, има обратни преходи, при които електрон на проводимост се улавя в една от свободните позиции на електроните на връзката. Този процес се нарича рекомбинация електрон-дупка. В състояние на равновесие се установява такава концентрация на електрони (и равна концентрация на дупки), при която броят на преките и обратните преходи за единица време е еднакъв.

Разглежданият процес на проводимост в чистите полупроводници се нарича присъща проводимост. Собствената проводимост нараства бързо с повишаване на температурата и това е значителна разлика между полупроводниците и металите, чиято проводимост намалява с повишаване на температурата. Всички полупроводникови материали имат отрицателен температурен коефициент на съпротивление.

Чистите полупроводници са обект на предимно теоретичен интерес. Основните полупроводникови изследвания засягат ефектите от добавянето на примеси към чисти материали. Без тези примеси повечето полупроводникови устройства не биха съществували.

Чистите полупроводникови материали като германий и силиций съдържат малък брой двойки електрон-дупка при стайна температура и следователно могат да провеждат много малък ток. Легирането се използва за увеличаване на проводимостта на чисти материали.

Допингът е добавянето на примеси към полупроводниковите материали. Използват се два вида примеси. Примесите от първия тип - петвалентни - се състоят от атоми с пет валентни електрона, например арсен и антимон. Вторият тип примеси - тривалентен - се състои от атоми с три валентни електрона, например индий и галий.

Когато чистият полупроводников материал се легира с петвалентен материал като арсен (As), някои от полупроводниковите атоми се заменят с атоми арсен (Фигура 2.2). Атомът на арсен въвежда четири от своите валентни електрони в ковалентни връзки със съседни атоми. Неговият пети електрон е слабо свързан с ядрото и лесно може да се освободи. Атомът на арсена се нарича донорен атом, защото отдава своя допълнителен електрон. Легираният полупроводников материал съдържа достатъчен брой донорни атоми и следователно свободни електрони, за да поддържа тока.

При стайна температура броят на допълнителните свободни електрони надвишава броя на двойките електрон-дупка. Това означава, че материалът има повече електрони, отколкото дупки. Следователно електроните се наричат ​​мажоритарни носители. Дупките се наричат ​​миноритарни носители. Тъй като повечето носители имат отрицателен заряд, такъв материал се нарича полупроводник от n-тип.

Когато полупроводников материал е легиран с тривалентни атоми, като атоми на индий (In), тези атоми ще поставят своите три валентни електрона между три съседни атома (Фигура 2.3). Това ще създаде дупка в ковалентната връзка.

Наличието на допълнителни дупки ще позволи на електроните лесно да преминават от една ковалентна връзка към друга. Тъй като дупките лесно приемат електрони, атомите, които въвеждат допълнителни дупки в полупроводника, се наричат ​​акцепторни атоми.

При нормални условия броят на дупките в такъв материал значително надвишава броя на електроните. Следователно дупките са основните носители, а електроните са малцинствените носители. Тъй като повечето носители имат положителен заряд, материалът се нарича p-тип полупроводник.

Полупроводниковите материали от N- и p-тип имат значително по-висока проводимост от чистите полупроводници. Тази проводимост може да се увеличи или намали чрез промяна на количеството на примесите. Колкото по-силно легиран е полупроводниковият материал, толкова по-ниско е неговото електрическо съпротивление.

Контактът на два полупроводника с различен тип проводимост се нарича p-n преход и има едно много важно свойство - съпротивлението му зависи от посоката на тока. Имайте предвид, че такъв контакт не може да бъде постигнат чрез притискане на два полупроводника един към друг. В една полупроводникова пластина се създава p-n преход чрез формиране на области с различни видове проводимост в нея. Методите за получаване на p-n преходи са описани по-долу.

И така, в част от монокристален полупроводник се образува p-n преход на границата между два слоя с различна проводимост. Съществува значителна разлика в концентрациите на носители на заряд. Концентрацията на електрони в n-областта е многократно по-голяма от концентрацията им в p-областта. В резултат на това електроните дифундират в областта на тяхната ниска концентрация (в p-областта). Тук те се рекомбинират с дупки и по този начин създават пространствен отрицателен заряд на йонизираните акцепторни атоми, който не се компенсира от положителния заряд на дупките.

В същото време се получава дифузия на дупки в n-региона. Тук се създава пространствен положителен заряд на донорните йони, който не се компенсира от заряда на електрона. Така на границата се създава двоен слой пространствен заряд (фиг. 2.4), обеднен от основните токоносители. В този слой възниква контактно електрическо поле Ek, което предотвратява по-нататъшния преход на електрони и дупки от една област в друга.

Контактното поле поддържа състояние на равновесие на определено ниво. Но дори и в този случай, под въздействието на топлина, малка част от електроните и дупките ще продължат да преминават през потенциалната бариера, причинена от пространствени заряди, създавайки дифузионен ток. Въпреки това, в същото време, под въздействието на контактното поле, малцинствените носители на заряд на p- и n-регионите (електрони и дупки) създават малък ток на проводимост. В състояние на равновесие тези токове взаимно се компенсират.

Ако външен източник на ток е свързан към p-n прехода, тогава напрежението, посочено на фиг. 2.5 обратна полярност ще доведе до появата на външно поле E, съвпадащо по посока с контактното поле Eк. В резултат на това ширината на двойния слой ще се увеличи и на практика няма да има ток поради повечето носители. Възможен е само малък ток във веригата поради миноритарни носители (обратен ток Irev).

Когато напрежението на директната полярност е включено, посоката на външното поле е противоположна на посоката на контактното поле (фиг. 2.6). Ширината на двойния слой ще намалее и във веригата ще възникне голям прав ток Ipr. По този начин p-n преходът има изразена еднопосочна проводимост. Това се изразява чрез ток-напрежението му (фиг. 2.7).

Продължение
--РАЗДЕЛИТЕЛ НА СТРАНИЦА--

Когато се приложи напрежение към p-n преход, токът нараства бързо с увеличаване на напрежението. При подаване на обратно напрежение към p-n прехода токът е много малък, бързо достига насищане и не се променя до определена гранична стойност на обратното напрежение Urev, след което рязко нараства. Това е така нареченото пробивно напрежение, при което настъпва пробив на p-n прехода и той се разрушава. Трябва да се отбележи, че на фигура 2.7 мащабът на обратния ток е хиляда пъти по-малък от мащаба на правия ток.

2.2. Полупроводникови диоди

pn преходът е в основата на полупроводниковите диоди, които се използват за изправяне на променлив ток и за други нелинейни трансформации на електрически сигнали.

Диодът провежда ток в права посока само когато величината на външното напрежение (във волтове) е по-голяма от потенциалната бариера (в eV). За германиев диод минималното външно напрежение е 0,3 V, а за силициев диод - 0,7 V.

Когато диодът започне да провежда ток, върху него се появява спад на напрежението. Този спад на напрежението е равен на потенциалната бариера и се нарича спад на напрежението в посока напред.

Всички диоди имат нисък обратен ток. При германиевите диоди се измерва в микроампери, а при силициевите диоди в наноампери. Германиевият диод има по-висок обратен ток, защото е по-чувствителен към температура. Този недостатък на германиеви диоди се компенсира от ниска потенциална бариера.

Както германиевите, така и силициевите диоди могат да се повредят от екстремна топлина или високо обратно напрежение. Производителите определят максималния прав ток, който може безопасно да тече през диода, както и максималното обратно напрежение (пиково обратно напрежение). Ако пиковото обратно напрежение бъде превишено, голям обратен ток ще тече през диода, създавайки излишна топлина и причинявайки повреда.

При стайна температура обратният ток е малък. С повишаване на температурата обратният ток се увеличава, което нарушава работата на диода. В германиевите диоди обратният ток е по-висок, отколкото в силициевите диоди и е по-зависим от температурата, удвоявайки се за приблизително 10°C повишаване на температурата.

Схематичният символ за диод е показан на фигура 2.8, p-частта е представена със стрелка, а n-частта с линия. Правият ток протича от част p към част n (по стрелката). Частта n се нарича катод, а частта p е анод.

Има три вида pn преходи: разраснати преходи, разтопени преходи и дифузионни преходи, които се произвеждат с помощта на различни технологии. Производствените методи за всеки от тези преходи са различни.

Методът за растеж на кръстовището (най-ранният) е следният: чистият полупроводников материал и примесите от p-тип се поставят в кварцов контейнер и се нагряват, докато се стопят. Малък полупроводников кристал, наречен семе, се поставя в разтопената смес. Зародишният кристал бавно се върти и се изважда от стопилката толкова бавно, че слой от разтопената смес има време да израсне върху него. Разтопената смес, която расте върху зародишния кристал, се охлажда и се втвърдява. Има същата кристална структура като семето. След изтегляне, семената се редуват с примеси от n- и p-тип. Това създава слоеве от n- и p-тип в отглеждания кристал. Така израсналият кристал се състои от много p-n слоеве.

Методът за създаване на кондензирани p-n преходи е изключително прост. Малко зърно от тривалентен материал като индий се поставя върху n-тип полупроводников чип. Зърното и кристалът се нагряват, докато самото зърно се разтопи и частично разтопи полупроводниковия кристал. В областта, където те се съединяват, се образува материал от p-тип. След охлаждане материалът рекристализира и се образува твърд p-n преход.

Понастоящем най-често се използва методът на дифузия за получаване на p-n преходи. Прорезната маска се поставя върху тънък срез от p- или n-тип полупроводник, наречен субстрат. След това субстратът се поставя в пещ и влиза в контакт с примеси, които са в газообразно състояние. При високи температури атомите на примесите проникват в субстрата. Дълбочината на проникване се контролира от времето на експозиция и температурата.

След формирането на p-n прехода, диодът трябва да се постави в корпус, за да се предпази от влиянието на околната среда и механични повреди. Корпусът също трябва да осигурява възможност за свързване на диода към веригата. Видът на корпуса се определя от предназначението на диода (фиг. 2.9).Ако през диода трябва да протича голям ток, корпусът трябва да бъде проектиран така, че да предпазва p-n прехода от прегряване.

Диодът може да се провери чрез измерване на съпротивлението напред и назад с помощта на омметър. Стойността на тези съпротивления характеризира способността на диода да пропуска ток в едната посока и да не пропуска ток в другата посока.

Германиевият диод има ниско предно съпротивление, около 100 ома, а обратното му съпротивление надвишава 100 000 ома. Правото и обратното съпротивление на силициевите диоди са по-високи от тези на германиевите диоди. Тестването на диода с омметър трябва да покаже ниско предно съпротивление и високо обратно съпротивление.

Ако положителният извод на омметъра е свързан към анода на диода, а отрицателният извод към катода, тогава диодът е предубеден. В този случай токът протича през диода и омметърът показва ниско съпротивление. Ако проводниците на омметъра се разменят, диодът ще бъде обратно предубеден. През него ще тече малък ток и омметърът ще покаже високо съпротивление.

Ако диодът има ниско съпротивление напред и назад, вероятно е късо. Ако диодът има високо съпротивление както в посоки напред, така и в обратна посока, тогава вероятно е отворена верига.

Високото обратно напрежение, приложено към диод, може да създаде висок обратен ток, който ще прегрее диода, което ще доведе до повреда. Обратното напрежение, при което възниква пробив, се нарича пробивно напрежение или максимално обратно напрежение. Специални диоди, наречени ценерови диоди, са проектирани да работят при напрежения, по-високи от напрежението на пробив на ценерови диоди. Тази област се нарича зона на стабилизиране.

Когато обратното напрежение е достатъчно високо, за да причини повреда на ценеровия диод, през него протича висок обратен ток. Преди да настъпи повреда, обратният ток е малък. След повреда обратният ток се увеличава рязко. Това се случва, защото съпротивлението на ценеровия диод намалява с увеличаване на обратното напрежение.

Пробивното напрежение на ценеровия диод се определя от съпротивлението на диода, което от своя страна зависи от техниката на допиране, използвана при производството му. Номиналното напрежение на пробив е обратното напрежение при тока на стабилизиране. Токът на стабилизиране е малко по-малък от максималния обратен ток на диода. Напрежението на пробив обикновено се показва с точност от 1 до 20%.

Способността на ценеров диод да разсейва мощност намалява с повишаване на температурата. Следователно мощността, разсейвана от ценеров диод, е определена за определена температура. Количеството разсейвана мощност също зависи от дължината на проводниците: колкото по-къси са проводниците, толкова повече мощност се разсейва от диода. Производителят също така определя коефициент на отклонение, за да определи разсейването на мощността при други температури. Например коефициент на отклонение от 6 миливата на градус Целзий означава, че мощността, разсейвана от диода, намалява с 6 миливата на градус повишаване на температурата.

Корпусите на ценерови диоди имат същата форма като конвенционалните диоди:

Ценерови диоди с ниска мощност се предлагат в корпуси от стъкло или епоксидна смола, докато тези с висока мощност се предлагат в метален корпус с винт. Схематичното обозначение на ценеров диод е показано на фиг. 2.11.

Основните параметри на ценерови диоди са максимален стабилизиращ ток, обратен ток и обратно напрежение. Максималният стабилизиращ ток е максималният обратен ток, който може да тече през ценеровия диод, без да надвишава разсейваната мощност, посочена от производителя. Обратният ток е токът на утечка преди да започне повредата. Показва се при определено обратно напрежение, равно на приблизително 80% от стабилизиращото напрежение.

Ценеровите диоди се използват за стабилизиране на напрежението, например за компенсиране на промени в напрежението на електропровода или промени в резистивен товар, захранван с постоянен ток.

Фигура 2.12 показва типична верига за управление на ценеров диод. Ценеровият диод е свързан последователно с резистор R. Резисторът предизвиква преминаване на такъв ток през ценеровия диод, така че той да работи в режим на разрушаване (стабилизиране). Входното постоянно напрежение трябва да бъде по-високо от стабилизиращото напрежение на ценеровия диод. Спадът на напрежението върху ценеровия диод е равен на стабилизиращото напрежение на ценеровия диод. Ценеровите диоди се произвеждат с определено пробивно напрежение, което се нарича стабилизиращо напрежение. Спадът на напрежението върху резистора е равен на разликата между входното напрежение и стабилизиращото напрежение.

Входното напрежение може да се увеличи или намали. Това предизвиква съответно увеличение или намаляване на тока през ценеровия диод. Когато ценеровият диод работи при стабилизиращо напрежение (в областта на пробив), през него може да тече голям ток, когато входното напрежение се увеличава. Напрежението на ценеровия диод обаче ще остане същото. Ценеровият диод противодейства на увеличаването на входното напрежение, тъй като неговото съпротивление намалява с увеличаване на тока. Това позволява изходното напрежение на ценеровия диод да остане постоянно, докато входното напрежение се променя. Промяна във входното напрежение се появява само като промяна в спада на напрежението в серийния резистор. Сумата от спадовете на напрежението на този резистор и ценеровия диод е равна на входното напрежение. Изходното напрежение се отстранява от ценеровия диод. Изходното напрежение може да се увеличи или намали чрез замяна на ценеровия диод и резистора, свързан последователно с него.

Продължение
--РАЗДЕЛИТЕЛ НА СТРАНИЦА--

Описаната схема произвежда постоянно напрежение. При проектирането на верига трябва да се вземат предвид както токът, така и напрежението. Външният товар консумира ток, който се определя от неговото съпротивление и изходно напрежение. И токът на натоварване, и токът на стабилизиране протичат през резистор, свързан последователно с ценеровия диод. Този резистор трябва да бъде избран по такъв начин, че стабилизиращ ток да тече през ценеровия диод и да се намира в зоната на повреда.

Тъй като резистивният товар се увеличава, токът, протичащ през него, намалява, което трябва да доведе до увеличаване на спада на напрежението върху товара. Но ценеровият диод предотвратява промяна на напрежението. Сумата от тока на стабилизиране и тока на натоварване през последователно свързан резистор остава постоянна. Това осигурява постоянен спад на напрежението в серийния резистор. По същия начин, когато токът през товара се увеличава, регулиращият ток намалява, осигурявайки постоянно напрежение. Това позволява на веригата да поддържа постоянно изходно напрежение, докато входното напрежение варира.

2.3. Тиристори

Тиристорите са широк клас полупроводникови устройства, използвани за електронно превключване. Тези полупроводникови устройства са бистабилни и имат три или повече pn прехода. Тиристорите са обхванати от вътрешна положителна обратна връзка, която ви позволява да увеличите амплитудата на изходния сигнал чрез прилагане на част от изходното напрежение към входа.

Тиристорите се използват широко в управлението на постоянен и променлив ток. Те се използват за включване и изключване на захранването, подавано към товара, както и за регулиране на неговата стойност, например за управление на осветлението или скоростта на двигателя.

Тиристорите са направени от силиций по метода на дифузия или дифузионна сплав и се състоят от четири полупроводникови слоя от тип p и n, подредени последователно. Фигури 2.13, 2.14 и 2.15 показват опростена схема на тиристор, съответно неговата характеристика на тока и напрежението и неговия схематичен символ.

Четирите слоя са съседни един на друг, образувайки три p-n прехода. Двата най-външни терминала са анодът и катодът, а към един от средните слоеве може да бъде свързан контролен електрод. Този тиристор не съдържа управляващ електрод и неговото отваряне и затваряне се управлява чрез промяна на напрежението, приложено към него. Такива тиристори се наричат ​​динистори.

С полярността на напрежението, приложено към тиристора, посочено на фигура 2.13, основната му част ще бъде в затворения p-n преход 2, докато преходите 1 и 3 ще бъдат отворени. В този случай дупките, движещи се от слой p1 към слой p2, частично се рекомбинират с електрони в слой n1. Техният некомпенсиран заряд в слоя p2 ще предизвика вторично насрещно инжектиране на електрони от слоя n2 и електроните от слоя n2 ще преминат през слоя p2 в слоя n1, като частично се рекомбинират с дупки в слоя p2. Те ще причинят вторично насрещно инжектиране на дупки от слой p1. Тези явления ще създадат необходимите условия за развитие на лавинния процес. Лавинообразният процес обаче ще започне само при някакво достатъчно голямо външно напрежение Uper. В този случай тиристорът ще се премести от точка А на характеристиката ток-напрежение към участък BC (фиг. 2.14), а токът през него ще се увеличи рязко. В този случай, поради изобилието от заряди в junction2, напрежението в него ще спадне значително (до около 1 V), а енергията, освободена при този преход, ще бъде недостатъчна за развитието на необратими процеси в структурата на устройството.

Ако токът през тиристора е силно намален до определена стойност Isp (ток на задържане), тогава тиристорът ще се затвори и ще премине в състояние с ниска проводимост (секция OA на фиг. 2.14). Ако към тиристора се приложи напрежение с обратна полярност, тогава неговата характеристика ток-напрежение ще бъде същата като тази на полупроводников диод (раздел OD на фиг. 2.14).

Разглежданият неконтролиран тиристор има значителен недостатък: неговото отваряне и затваряне е възможно само при големи промени във външното напрежение и ток.

Много по-често те използват тиристори, които имат управляващ електрод (фиг. 2.16).

3. Електроизолационни материали

3.1. Основни определения и класификация на диелектриците

Електроизолационните материали или диелектриците са вещества, които се използват за изолиране на елементи или части от електрическо оборудване, които са при различни електрически потенциали. В сравнение с проводниковите материали, диелектриците имат значително по-високо електрическо съпротивление. Характерно свойство на диелектриците е способността да създават силни електрически полета в тях и да акумулират електрическа енергия. Това свойство на диелектриците се използва в електрически кондензатори и други устройства.

Според агрегатното си състояние диелектриците се делят на газообразни, течни и твърди. Особено голяма е групата на твърдите диелектрици (високополимери, пластмаси, керамика и др.).

Според химичния си състав диелектриците се делят на органични и неорганични. Основният елемент в молекулите на всички органични диелектрици е въглеродът. Неорганичните диелектрици не съдържат въглерод. Най-голяма топлоустойчивост имат неорганичните диелектрици (слюда, керамика и др.).

Според метода на производство диелектриците се разделят на естествени (естествени) и синтетични. Най-многобройна е групата на синтетичните изолационни материали.

Голяма група твърди диелектрици обикновено се разделя на няколко подгрупи в зависимост от техния състав, структура и технологични характеристики на тези материали. По този начин има керамични диелектрици, восъчни, филмови, минерални и др.

Всички диелектрици, макар и в малка степен, проявяват електрическа проводимост. За разлика от проводниците, диелектриците показват промяна в тока с течение на времето поради намаляване на тока на поглъщане. От определен момент под въздействието на постоянен ток в диелектрика се установява само ток на проводимост. Стойността на последното определя проводимостта на диелектрика.

Когато напрегнатостта на електрическото поле надвиши границата на диелектричната якост, настъпва повреда. Пробивът е процесът на разрушаване на диелектрик, в резултат на което диелектрикът губи електроизолационните си свойства в точката на пробив.

Стойността на напрежението, при която настъпва пробив на диелектрика, се нарича напрежение на пробив Upr, а съответната стойност на напрегнатостта на електрическото поле се нарича диелектрична якост Epr.

Разрушаването на твърдите диелектрици е или чисто електрически процес (електрическа форма на пробив) или термичен процес (термична форма на пробив). Електрическият пробив се основава на явления, които водят до лавинообразно увеличаване на електронния ток в твърдите диелектрици.

Характерни признаци на електрически пробив на твърди диелектрици са:

независимост или много слаба зависимост на диелектричната якост от температурата и продължителността на приложеното напрежение;

електрическата якост на твърд диелектрик в еднородно поле не зависи от дебелината на диелектрика (до дебелини 10־/> − 10־/> cm);

електрическата якост на твърдите диелектрици е в относително тесни граници: 10/>–10/>V/cm; и е по-голяма, отколкото при термичната форма на разпадане;

преди разрушаването токът в твърд диелектрик се увеличава по експоненциален закон и непосредствено преди началото на разпада се наблюдава внезапно увеличаване на тока;

в присъствието на неравномерно поле възниква електрически пробив в мястото на най-високата сила на полето (ръбов ефект).

Термично разрушаване възниква при повишена проводимост на твърди диелектрици и големи диелектрични загуби, както и при нагряване на диелектрика от външни източници на топлина или при лошо отвеждане на топлина. Поради разнородността на състава отделни части от диелектричния обем имат повишена проводимост. Те представляват тънки канали, преминаващи през цялата дебелина на диелектрика. Поради повишената плътност на тока, в един от тези канали ще се генерира значително количество топлина. Това ще доведе до още по-голямо увеличение на тока поради рязкото намаляване на съпротивлението на тази секция в диелектрика. Процесът на натрупване на топлина ще продължи, докато настъпи термично разрушаване на материала (топене, карбуризация) по цялата му дебелина - по отслабената зона.

Характерни признаци на термично разпадане на твърди диелектрици са:

повреда се наблюдава в мястото на най-лошия топлопренос от диелектрика към околната среда;

напрежението на пробив на диелектрика намалява с повишаване на температурата на околната среда;

напрежението на пробив намалява с увеличаване на продължителността на приложеното напрежение;

електрическата якост намалява с увеличаване на дебелината на диелектрика;

електрическата якост на твърдия диелектрик намалява с увеличаване на честотата на приложеното променливо напрежение.

По време на разрушаването на твърди диелектрици често се наблюдават случаи, когато възниква електрически пробив до определена температура и след това, поради допълнително нагряване на диелектрика, възниква процесът на термично разрушаване на диелектрика.

3.2. Характеристики на електроизолационните материали

Продължение
--РАЗДЕЛИТЕЛ НА СТРАНИЦА--

Течни и полутечни диелектрици– те включват минерални масла (трансформаторни, кондензаторни и др.), растителни масла (рициново) и синтетични течности (Sovol, Sovtol, PES-D и др.), вазелин.

Минералните масла са продукти от дестилацията на нефт. Някои видове минерални електроизолационни масла се различават един от друг по вискозитет и ниво на електрически характеристики поради по-доброто почистване на някои от тях (кондензатор, кабел). Останалите характеристики на маслата са почти на същото ниво.

Рициновото масло се получава от семената на растението рицин.

Sovol и Sovtol са незапалими синтетични течности. Совол се получава чрез хлориране на кристално вещество - бифенил.

Совол е прозрачна вискозна течност. Sovol е токсичен и дразни лигавиците, така че работата с него изисква спазване на правилата за безопасност. Sovtol е смес от совол и трихлоробензен, в резултат на което има значително по-нисък вискозитет. Sovol и Sovtol се използват за импрегниране на хартиени кондензатори за инсталации с постоянен и променлив ток с индустриална честота.

PES-D е течен органосилициев диелектрик и има повишена устойчивост на топлина и устойчивост на замръзване. Органосилициевите течности не са токсични и не са корозивни.

Вазелинът е полутечна маса. Използва се за импрегниране на хартиени кондензатори.

Високо полимерни органични диелектрицисе състоят от молекули, образувани от десетки, стотици хиляди молекули на първоначалното вещество - мономера. Полимерите могат да бъдат естествени (естествен каучук, кехлибар и др.) И синтетични. Характерна особеност на високополимерните материали са техните високи диелектрични свойства.

Восъчни диелектрици: парафин, церезин и други са вещества с поликристална структура с ясно определена точка на топене.

Електрически пластмаси– пластмасите (пластмасите) са композитни материали, състоящи се от всякакво свързващо вещество (смоли, полимери), пълнители, пластифициращи и стабилизиращи вещества и багрила.

Във връзка с топлината се разграничават термореактивни и термопластични пластмаси. Първите стават нетопими и неразтворими по време на процеса на горещо пресоване или последващо нагряване. Термопластичните пластмаси (термопласти), след като се нагреят по време на процеса на пресоване, могат да омекнат при последващо нагряване.

Електроизолационни хартии и картонисе отнасят до влакнести материали, получени от химически обработени растителни влакна: дърво и памук.

Електрическите картони за използване във въздуха имат по-плътна структура в сравнение с картоните, предназначени за използване в масло.

Влакното е монолитен материал, получен чрез пресоване на листове хартия, предварително обработени с разтвор на цинков хлорид. Влакното се поддава на всички видове механична обработка и щамповане. Листовото влакно може да се оформи след омекване на заготовките му в гореща вода.

Ламинирани електроизолационни пластмаси– те включват гетинакс, текстолит и фибростъкло. Тези материали са слоести пластмаси, в които бакелит (резол) или силиконови смоли се използват като свързващо вещество, прехвърлени в нетопимо и неразтворимо състояние.

Като пълнител в слоестите електроизолационни материали се използват специални видове импрегнираща хартия (гетинакс), както и памучни тъкани (текстолит) и безалкални стъклени тъкани (текстил от фибростъкло).

Наливане и импрегниране на електроизолационни компаунди (компаунди).Компаундите са електроизолационни състави, които са течни по време на употребата си, които след това се втвърдяват и в крайно (работно) състояние са твърди вещества.

Според предназначението си смесите се делят на импрегниращи и запълващи. Първите се използват за импрегниране на намотките на електрически машини и устройства, вторите - за запълване на кухини в кабелни муфи, както и в корпусите на електрически устройства и устройства (трансформатори, дросели и др.).

Съединенията могат да бъдат термореактивни, които не омекват след втвърдяване, или термопластични, които омекват при последващо нагряване. Термопластите включват съединения на базата на епоксидни, полиестерни и някои други смоли. Термопластите включват съединения на базата на битум, восъчни диелектрици и термопластични полимери (полистирен, полиизобутилен и др.).

Съединенията на базата на битум се използват широко като най-евтините и химически инертни вещества с висока устойчивост на вода и добри електрически характеристики.

Електроизолационни лакове и емайллакове.

Лаковете са разтвори на филмообразуващи вещества: смоли, битум, изсушаващи масла (ленено, тунгово), целулозни етери или състави от тези материали в органични разтворители. По време на процеса на съхнене на лака, разтворителите се изпаряват от него, а в основата на лака протичат физични и химични процеси, водещи до образуването на лаков филм.

Импрегниращите лакове се използват за импрегниране на намотките на електрически машини и устройства с цел циментиране на техните навивки, повишаване на топлопроводимостта на намотките и повишаване на тяхната влагоустойчивост. С помощта на покривни лакове се създават защитни влагоустойчиви, маслоустойчиви и други покрития върху повърхността на намотките или пластмасовите и други изолационни части. Адхезивните лакове са предназначени за залепване на листове слюда един към друг или към хартия и тъкани (миканити, микаленти), както и за залепване на филмови материали към хартия, картон, тъкани и за други цели.

Емайлите са лакове с въведени в тях пигменти - неорганични пълнители (цинков оксид, титанов диоксид, червено олово). Пигментиращите вещества се въвеждат за увеличаване на твърдостта, механичната якост, устойчивостта на влага, устойчивостта на дъга и други свойства на емайловите филми. Емайлите са покривни материали.

Според метода на сушене лаковете и емайллаковете се разграничават на горещо (в пещ) и студено (на въздух) сушене. Първите изискват 80 – 180°C за втвърдяването си, а вторите съхнат при стайна температура.

Електроизолационни лакирани тъкани (лакирани тъкани)са гъвкави материали, състоящи се от тъкан, импрегнирана с лак или някакъв вид течен електроизолационен състав. След втвърдяване лакът или друг импрегниращ състав образува гъвкав филм, който осигурява електрически изолационни свойства на лакираните тъкани.

В зависимост от тъканната основа лакираните тъкани се делят на памучни, копринени, найлонови и стъклени (стъклени лакови тъкани). Масло, масло-битум и полиестер се използват като импрегниращи състави за лакирани тъкани. Ескапон или силиконови лакове, както и разтвори на силиконови каучукови латекси или флуоропластични суспензии.

Лепкавите фибростъкло и гумено-стъклените тъкани, импрегнирани с термореактивни съединения с повишена лепкавост, осигуряват здравината на изолацията, изработена от тези материали.

Основните области на приложение на лакираните тъкани са: електрически машини, апарати и апарати ниско напрежение. Лакираните тъкани се използват за гъвкава изолация на междувивки и жлебове, както и различни електроизолационни уплътнения.

За изолиране на челните части на намотките и други тоководещи елементи с неправилна форма се използват лакирани ленти, нарязани под ъгъл 45 ° спрямо основата на лакираната тъкан.

Филмови електроизолационни материалиПредставляват тънки (от 10 до 200 микрона) гъвкави филми, безцветни или цветни.

Използването на филмови материали за изолация на канали в електрически машини позволява да се намали дебелината на изолацията. Филмовите електроизолационни материали се произвеждат главно от синтетични високомолекулни диелектрици (лавсан, флуоропласт-4 и др.).

Електроизолационна слюда. Естествената слюда се използва предимно за електрическа изолация. От синтетичните слюди се използва флуорфлогопит.

Слюдите са вещества с характерна листова структура. Това позволява кристалите на слюдата да бъдат разделени на тънки листове - от 6 до 45 микрона или повече. От всички естествени слюди само мусковитът и флогопитът се използват като диелектрици. Тези слюди лесно се цепят и имат високи електрически свойства.

В електротехниката се използват следните видове слюда.

Изтръгната слюда - тънки листа с произволен контур. В зависимост от площта на правоъгълника, който може да бъде вписан върху очертанията на листа, откъснатата слюда се разделя на девет размера. Въз основа на дебелината на листата скубаната слюда се разделя на четири групи. Изскубаната слюда се използва за производството на слепени електроизолационни материали от слюда (миканит, микафолия, микаленте и др.).

Кондензаторна слюда - правоъгълни листа, получени чрез щамповане (рязане) от слюдени плочи (polbora). Кондензаторната слюда се използва при производството на слюдени кондензатори като основен диелектрик, а също и като защитни плочи.

Слюдата за електрически вакуумни устройства е плоски части с различни форми, оборудвани с определени отвори. Тези продукти се получават чрез рязане на плочи от мусковитна слюда. Дебелината на частите от слюда е в диапазона 0,1 - 0,5 mm.

Гилотинна слюда - правоъгълни пластини с различни размери и дебелина 0,08 - 0,6 мм. Този тип продукти от слюда се използват като различни видове електроизолационни уплътнения в електрически машини и устройства с ниска мощност.

Електроизолационни материали на основата на слюданаправени от изтръгната слюда и свързващи вещества; миканити, микафолия и микаленти. Те са композитни материали, състоящи се от листове слюда, залепени заедно с помощта на някакъв вид смола или лак. Основната област на приложение на залепени слюдени материали е изолацията на намотките на електрически машини с високо напрежение (слот, завъртане и др.), Както и топлоустойчиви машини с ниско напрежение.

Слюда и слюдено-пластмасови електроизолационни материали– по време на разработването на естествена слюда и производството на електроизолационни материали на основата на изтръгната слюда се генерират около 90% от различните отпадъци. Рециклирането на отпадъците доведе до производството на нови електроизолационни материали - слюда и слюдена пластмаса.

Слюдените материали се получават от слюдена хартия или картон, предварително обработени с някакъв вид свързващ състав (смоли, лакове).

За да се получи хартия от слюда, отпадъците от слюда под формата на чисти остатъци се подлагат на термична обработка при 750 - 800 ° C. В резултат на това те претърпяват значително подуване и се разделят на малки частици. След измиването им с вода се образува слюдена суспензия, от която се произвеждат слюдена хартия и картон.

Електрокерамични материалиса твърди вещества, получени в резултат на топлинна обработка - изпичане на първоначални керамични маси, състоящи се от различни минерали, взети в определено съотношение.

Основната част от много електрокерамични материали (порцелан, стеатит и др.) Са естествени глинести вещества (глини, каолини). Освен глинени материали, в електрокерамичните маси се въвеждат кварц, фелдшпат (електропорцелан), както и талк, бариев карбонат или калциев карбонат (стеатит) и др.

Заключение

Преди създаването на квантовата механика, проводимостта на веществата се обясняваше чрез разглеждане на движението на електронен газ. Частици от този газ - електрони - се сблъскват с йони от кристалната решетка на веществото. Според квантовата теория на проводимостта, която разглежда движението на електрони през кристална решетка като разпространение на електронни вълни на де Бойл, възлите на решетката не могат да бъдат пречка за електронна вълна. Квантовата теория за проводимостта на твърдите тела се основава на лентовата теория. В твърдите тела електроните приемат само определени енергийни стойности. Всяка такава стойност е представена от енергийно ниво. Нивата са групирани в зони, разделени една от друга с енергийни пропуски, принадлежащи на зоната.

При металите зоните или се припокриват една с друга, или не са напълно запълнени с електрони. А в метала под въздействието на електрическо поле един електрон се движи свободно от ниво на ниво. Лесната възможност за преминаване от ниво на ниво означава свободно движение на електрона.

В полупроводниците и изолаторите запълнената лента е отделена от празнината на свободната енергия. Електроните могат да преминават през тази забранена лента поради топлинна енергия. Вероятността за такива преходи се увеличава с повишаване на температурата. Следователно, с повишаване на температурата, проводимостта на полупроводниците и диелектриците се увеличава - това е най-важната им разлика от металите.

Библиография

Синдеев Ю.Г., Грановски В.Г. Електроинженерство. Учебник за студенти от педагогически и технически университети. Ростов на Дон: "Феникс", 1999 г.

Лихачов В.Л. Електроинженерство. Справочник. Том 1./В.Л. Лихачов. – М.: СОЛОН-Прес, 2003.

Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика за средни специализирани учебни заведения: Учебник. – 4-то изд., рев. – М.: Наука. Главна редакция на физико-математическата литература, 1984 г.

Ремизов А.Н. Курс по физика: Учебник за университети / A.N. Ремизов, А.Я. Потапенко. – М.: Дропла, 2002.

Дмитриева В.Ф. Физика: Учебник за техникуми./Ред. В.Л. Прокофиев, - 4-то изд., изтрито. – М.: Висше. училище, 2001г.

Грибов Л.А., Прокофиева Н.И. Основи на физиката: Учебник. – 2-ро изд. – М.: Наука. Физматлит, 1995.

Яворски Б.М., Пински А.А. Основи на физиката: Учебник. В два тома: Т.1. – 3-то изд. преработен – М.: Наука. Физматлит, 1981.