Prezentare pe tema „conductoare și dielectrice”. Prezentare „Conductori și dielectrici într-un câmp electrostatic” prezentare pentru o lecție de fizică (clasa a 10-a) pe tema Definiții de bază și clasificare a dielectricilor

• Ce este un câmp electric?
• Numiți principalele proprietăți ale câmpului electrostatic.
• Ce generează câmpul electric?
• Cum se numește intensitatea câmpului electric?
• Ce câmp electric se numește uniform?
• Cum se poate obține un câmp electric uniform?
• Cum sunt direcționate liniile de forță ale unui câmp electric uniform?
• Cum se calculează intensitatea câmpului electric creat de o sarcină punctiformă?

Conductori și dielectrici într-un câmp electrostatic

Schema cursului:

• 1. Conductoare și dielectrice.
• 2. Conductoare într-un câmp electrostatic.
• 3. Dielectrice într-un câmp electrostatic.

Două tipuri de dielectrici.

• 4.Constanta dielectrica.

Structura metalelor

Ultimul electron este slab atras de nucleu deoarece:

• departe de miez
• 10 electroni îl resping pe al unsprezecelea

ultimul electron părăsește nucleul și devine liber

substanțe prin conductivitate

conductoare

• conductoare

dielectrice

Acestea sunt substanțe care nu conduc electricitatea

fără taxe gratuite

acestea sunt substanțe care conduc curentul electric

exista taxe gratuite

Structura metalelor

Structura metalelor

E intern

E extern= E intern

Conductor metalic într-un câmp electrostatic

E extern= E intern

E în general =0

CONCLUZIE:

Nu există câmp electric în interiorul conductorului.

Întreaga sarcină statică a unui conductor este concentrată pe suprafața acestuia.

Structura dielectrică

structura moleculei de sare

dipol electric -

o colecție de două sarcini punctiforme, egale ca mărime și opuse ca semn.

Structura unui dielectric polar

Dielectric într-un câmp electric

E intern E extern .

E ext.

E intern

CONCLUZIE:

DIELECTRICA SLABĂ CÂMPUL ELECTRIC EXTERN

Galimurza S.A.

Constanta dielectrică a mediului

Intensitatea câmpului electric în vid

Intensitatea câmpului electric într-un dielectric

Constanta dielectrică a mediului

E O

La director:

• Legea lui Coulomb:
• Intensitatea câmpului electric creat de o sarcină punctiformă:

q 1 q 2

r

2

q

r

2

Ce sunt cuptorul cu microunde?

Cuptoarele cu microunde de uz casnic folosesc unde electromagnetice cu o frecvență de 2450 MHz - cuptor cu microunde.

În astfel de microunde câmpul electric 2 · 2 450 000 000 își schimbă direcția o dată pe secundă.

Microunde: frecvența microundelor 2450 MHz

Cum încălzesc cuptorul cu microunde alimentele?

Încălzirea produselor are loc datorită a două mecanisme fizice:

1. încălzirea stratului de suprafață cu microunde

2. pătrunderea ulterioară a căldurii în adâncimea produsului datorită conductivității termice.

dispozitiv

putere,

frecvență,

cuptor cu microunde

telefon mobil

GSM clasa 4

telefon mobil

Pe suprafața sferei, conurile decupează mici zone sferice care pot fi considerate plate. A r1r1 r2r2 S1S1 S2S2, sau Conurile sunt similare între ele, deoarece unghiurile de la vârf sunt egale. Din similitudine rezultă că ariile bazelor sunt legate ca pătratele distanțelor de la punctul A la locuri și, respectiv. Prin urmare,

Suprafețe echipotențiale Un curs aproximativ al suprafețelor echipotențiale pentru un anumit moment de excitație cardiacă este prezentat în figură. Într-un câmp electric, suprafața unui corp conductor de orice formă este o suprafață echipotențială. Liniile punctate indică suprafețele echipotențiale, numerele de lângă ele indică valoarea potențială în milivolți.

Constanta dielectrică a substanțelor Substanța ε ε Gaze și vapori de apă Azot Hidrogen Aer Vid Vapori de apă (la t=100 ºС) Heliu Oxigen Dioxid de carbon Lichide Azot lichid (la t= –198,4 ºС) Benzină Apă Hidrogen lichid (la t= –252, 9 ºС) Heliu lichid (la t= –269 ºC) Glicerină 1,0058 1,006 1,4 1,9–2,0 81 1,2 1,05 43 Oxigen lichid (la t= –192,4 ºС) Ulei de transformare Alcool Eter Hârtie D= Lemn ceară – Eter solide 10 ºС) Parafină Cauciuc Mică Sticlă Titan Bariu Porțelan Chihlimbar 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 6,0–10,4–6,82

Literatură O. F. Kabardin „Fizica. Materiale de referinta". O. F. Kabardin „Fizica. Materiale de referinta". A. A. Pinsky „Fizica. Un manual pentru școlile și clasele de clasa a X-a cu studiu aprofundat al fizicii.” A. A. Pinsky „Fizica. Un manual pentru școlile și clasele de clasa a X-a cu studiu aprofundat al fizicii.” G. Ya. Myakishev „Fizica. clase de electrodinamică”. G. Ya. Myakishev „Fizica. clase de electrodinamică”. Revista „Kvant”. Revista „Kvant”.

Conductoare și dielectrice

Câmp electric în materie. Orice mediu slăbește puterea câmpului electric. Caracteristicile electrice ale unui mediu sunt determinate de mobilitatea particulelor încărcate din acesta. Substanțe, conductori, semiconductori, dielectrici. Substanțe. Sarcinile libere sunt particule încărcate de același semn care se pot mișca sub influența unui câmp electric. Sarcinile legate sunt diferite de sarcinile care nu se pot mișca sub influența unui câmp electric independent unele de altele. Dirijori. Conductorii sunt substanțe în care încărcăturile gratuite se pot deplasa în volum. Conductori - metale, soluții de săruri, acizi, aer umed, plasmă, corpul uman. - Explorer.ppt

Conductoare într-un câmp electric

Conductoare într-un câmp electric. Nici în alți conductori nu există câmp electric. Să luăm în considerare câmpul electric din interiorul unui conductor metalic...... Dielectrici. În dielectricii nepolari, centrul sarcinii pozitive și negative coincide. Într-un câmp electric, orice dielectric devine polar. Dipol. Polarizarea dielectricilor. - Conductoare într-un câmp electric.ppt

Conductoare într-un câmp electrostatic

Conductori și dielectrici într-un câmp electrostatic. Conductori într-un câmp electrostatic Dielectrici într-un câmp electrostatic. - Metale; soluții lichide și topituri de electroliți; plasmă. Conductorii includ: Conductori într-un câmp electrostatic. Evnesh. Câmpul intern îl va slăbi pe cel extern. Evn. Nu există câmp în interiorul unui conductor plasat într-un câmp electrostatic. Proprietăți electrostatice ale conductoarelor metalice omogene. Dielectrice. Polar. nepolar. Dielectricii includ aer, sticlă, ebonită, mica, porțelan și lemn uscat. Dielectricii într-un câmp electrostatic. - Conductoare într-un câmp electrostatic.ppt

Conductoare și dielectrice

Câmp electric. Conductori și dielectrici într-un câmp electrostatic. Conductoare și dielectrice. Substanțe prin conductivitate. Ultimul electron. Structura metalelor. Conductor metalic. Conductor metalic într-un câmp electrostatic. Structura dielectrică. Structura unui dielectric polar. Dielectric într-un câmp electric. Constanta dielectrică a mediului. legea lui Coulomb. Cuptor cu microunde. Cuptor cu microunde. Cum microundele încălzesc alimentele. Putere. - Conductori si dielectrici.ppt

Conductori într-un câmp electric; dielectrici într-un câmp electric

Subiect: „Conductori și dielectrici într-un câmp electric.” Dirijori. Încărcare în interiorul unui conductor. Conform principiului suprapunerii câmpului, tensiunea din interiorul conductorului este zero. Sfera conducătoare. Să luăm un punct arbitrar A. Sarcinile ariilor sunt egale. Inductie electrostatica. Suprafețe echipotențiale. Cei mai faimoși pești electrici sunt. Stingray electric. Țipar electric. Dielectrice. Dielectricii sunt materiale în care nu există încărcături electrice gratuite. Există trei tipuri de dielectrici: polari, nepolari și feroelectrici. - Conductori în câmp electric, dielectrici în câmp electric.ppt

Câmp electric în dielectrice

Dielectricii nu conduc curentul electric în condiții normale. Termenul „dielectric” a fost introdus de Faraday. Un dielectric, ca orice substanță, este format din atomi și molecule. Moleculele dielectrice sunt neutre din punct de vedere electric. Polarizare. Intensitatea câmpului într-un dielectric. Sub influența câmpului, dielectricul este polarizat. Câmpul rezultat în interiorul dielectricului. Camp. Polarizare electrică. Câmpul extern este creat de un sistem de încărcări electrice gratuite. Teorema lui Gauss pentru un câmp într-un dielectric. Teorema lui Gauss pentru câmpul electrostatic într-un dielectric. Proprietățile feroelectricilor depind puternic de temperatură. - Dielectric.ppt

Polarizarea dielectricilor

Polarizarea dielectricilor. Constanta dielectrica relativa. Vector de polarizare. Mecanisme de polarizare. Polarizare spontană. Polarizarea migrației. Tipuri de polarizare elastică. Polarizare elastică ionică. Polarizare elastică dipol. Tipuri de polarizare termică. Polarizare termică dipol. Polarizare termică electronică. Constanta dielectrică. Feroelectrice. Piezoelectrice. Efectele piezoelectrice se observă numai în cristale care nu au un centru de simetrie. Piroelectrice. Piroelectricele prezintă polarizare spontană de-a lungul axei polare. Fotopolarizare. -

Slide 1

Conductorii sunt substanțe în care există multe particule încărcate libere. De exemplu, în metale aceștia sunt electronii învelișului exterior, care sunt conectați foarte slab cu nucleele atomilor și, prin urmare, aparțin de fapt conductorului metalic în ansamblu. Acesta este așa-numitul gaz de electroni. Tocmai datorită prezenței particulelor încărcate care se pot mișca liber în întregul volum al unui conductor metalic, nu există câmp electric în interiorul metalelor. Nici în alți conductori nu există câmp electric. Luați în considerare câmpul electric din interiorul unui conductor metalic......

Slide 2


Slide 3


Deoarece E0 = E1, atunci E = E0-E1= 0 Nu există câmp electric în interiorul conductorului

Slide 4


Când sarcinile sunt în echilibru, nu există câmp electric în interiorul conductorului, iar sarcinile sunt situate pe suprafața acestuia.

Slide 5

Dielectrice

Acestea sunt substanțe care nu au particule încărcate liber în interiorul lor. Este necesar să se facă distincția între dielectricii polari, în care centrul sarcinii pozitive și negative nu coincide. În dielectricii nepolari, centrul sarcinii pozitive și negative coincide. Într-un câmp electric, orice dielectric devine polar.

Slide 6

Dipol

Acesta este un sistem de două sarcini opuse conectate, în care centrul sarcinii pozitive și negative nu coincide. Un dipol plasat într-un câmp electric este supus unui cuplu, determinându-l să se orienteze de-a lungul câmpului. M=F٠L, unde L este distanța dintre centrele sarcinilor legate.

la disciplina „Inginerie electrică”

pe tema: „Conductori, semiconductori și dielectrici”

Kurchatov 2008

Introducere

Materiale conductoare

Informații generale

Bronzuri de conducere

Aluminiu

Semiconductori. Dispozitive semiconductoare

2.1. Informații generale

2.2. Diode semiconductoare

2.3. tiristoare

Materiale electroizolante

3.1. Definiții de bază și clasificare a dielectricilor

3.2. Caracteristicile materialelor electroizolante

Concluzie

Bibliografie

Introducere

În funcție de natura acțiunii câmpului electric asupra corpurilor, acestea pot fi împărțite în conductori, dielectrici și semiconductori. Proprietățile corpurilor și comportamentul lor într-un câmp electric sunt determinate de structura și aranjarea atomilor din corpuri. Atomii conțin particule încărcate electric: pozitiv - protoni, negativ - electroni. În stare normală, un atom este neutru din punct de vedere electric, deoarece numărul de protoni care formează nucleul unui atom este egal cu numărul de electroni care se rotesc în jurul nucleului și formează „învelișurile de electroni” ale atomului. Electronii din învelișul exterior de valență determină conductivitatea electrică a unei substanțe. Nivelurile de energie ale electronilor de valență exteriori formează banda de valență sau umplută. În această zonă, electronii sunt într-o stare stabilă legată. Pentru a elibera orice electron în această zonă, este necesar să consumați ceva energie. În consecință, electronii în stare liberă ocupă niveluri de energie mai ridicate. Zona de niveluri de energie mai înalte, situată deasupra benzii de valență și separată de aceasta prin banda interzisă, combină niveluri de energie neumplute sau libere și se numește banda de conducție sau banda de excitație. Pentru a transfera un electron din banda de valență în banda de conducție, este necesar să i se imparte energie din exterior. Lățimea benzii interzise pe care un electron trebuie să o depășească pentru a trece de la o stare stabilă la o stare liberă (la banda de conducție) este unul dintre principalele criterii de împărțire a corpurilor în conductori, semiconductori și dielectrici.

1. Materiale conductoare

1.1. Informații generale

Atât solidele cât și lichidele și, în condiții adecvate, gazele pot fi folosite ca conductoare de curent electric. Materialele conductoare din inginerie electrică includ metalele, aliajele lor, compozițiile metal-ceramice de contact și carbonul electric. Cele mai importante materiale conductoare solide utilizate practic în electrotehnică sunt metalele și aliajele acestora, caracterizate prin conductivitate electronică; parametrul principal pentru ele este rezistivitatea electrică în funcție de temperatură.

Gama de rezistivitate a conductoarelor metalice este foarte îngustă și variază de la 0,016 μΩm pentru argint până la 1,6 μΩm pentru aliajele fier-crom-aluminiu rezistente la căldură. Rezistența electrică a grafitului trece printr-un minim odată cu creșterea temperaturii, urmată de o creștere treptată.

În funcție de tipul de aplicație, materialele conductoare sunt împărțite în grupuri:

conductoare de înaltă conductivitate– metale pentru firele liniilor de transmisie a energiei electrice și pentru fabricarea cablurilor, firelor de înfășurare și instalare pentru înfășurările transformatoarelor, mașinilor electrice, echipamentelor etc.;

materiale de construcție– bronz, alamă, aliaje de aluminiu etc., utilizate la fabricarea diverselor piese purtătoare de curent;

aliaje de înaltă rezistență– destinate fabricării de rezistențe suplimentare pentru instrumente de măsură, rezistențe standard și depozite de rezistență, reostate și elemente de dispozitive de încălzire, precum și aliaje pentru termocupluri, fire de compensare etc.;

materiale de contact– folosit pentru perechi de contacte permanente, de rupere și glisante;

materiale de lipit toate tipurile de materiale conductoare.

Mecanismul de trecere a curentului în metale se datorează mișcării (derivare) electronilor liberi sub influența unui câmp electric; Prin urmare, metalele sunt numite conductoare cu conductivitate electronică sau conductoare de primul fel.

Rezistența electrică a conductorilor

Rezistența electrică se datorează faptului că electronii liberi, în derivă, interacționează cu ionii pozitivi ai rețelei cristaline metalice. Pe măsură ce temperatura crește, ciocnirile electronilor cu ionii devin mai frecvente, astfel încât rezistența conductorilor depinde de temperatură. Rezistența conductorilor depinde de materialul conductorului, adică. structura rețelei sale cristaline. Pentru un conductor cilindric omogen cu lungimea l și aria secțiunii transversale S, rezistența este determinată de formula

R= ρ ٠ l/ S(1.)

unde ρ=RS/l este rezistivitatea conductorului (rezistența unui conductor cilindric omogen având o lungime unitară și o secțiune transversală unitară).

Unitatea de rezistență este Ohm.

1 Ohm: Ohm este rezistența conductorului prin care, la o tensiune de 1 V, circulă un curent de 1 Ohm = 1 V/A.

Valoarea σ=1/ρ, inversul rezistivității, se numește conductivitatea electrică a conductorului.

Unitatea de măsură a conductivității electrice este siemens (Cm).

Siemens - conductivitatea electrică a unui conductor cu o rezistență de 1 Ohm, adică 1 cm=1 ohm¹. Din formula (1.1) rezultă că unitatea de măsură a rezistivității este Ohm-metrul (Ohm ٠m).

Tabelul 1.1 Rezistivitatea conductoarelor cele mai comune

Material ρ, 10־/> Ohm∙m Caracteristicile materialului

Silver 1.6 Cel mai bun dirijor

Cupru 1.7 Cel mai frecvent utilizat

Aluminiu 2.9 Folosit frecvent

Fier de călcat 9.8 Rareori folosit




Rezistivitatea electrică a unui conductor depinde nu numai de tipul de substanță, ci și de starea acesteia. Dependența rezistivității ρ de temperatură este exprimată prin formula

ρ = ρ 0 (1+ αt), (1.2)

unde ρ0 – rezistivitate la 0°C; t – temperatura (scala Celsius); α este coeficientul de temperatură al rezistenței, care caracterizează modificarea relativă a rezistenței conductorului atunci când acesta este încălzit cu 1°C sau 1 K:

α = (ρ-ρ )/ρ t. (1.3)

Coeficienții de temperatură de rezistență ai substanțelor sunt diferiți la diferite temperaturi. Cu toate acestea, pentru multe metale modificarea α cu temperatura nu este foarte mare. Pentru toate metalele pure α ≈ 1/273 K־¹ (sau °C־¹).

Dependența rezistenței metalului de temperatură este baza pentru proiectarea termometrelor de rezistență. Se folosesc atat la temperaturi foarte ridicate, cat si la temperaturi foarte scazute, cand nu este posibila folosirea termometrelor cu lichid.

Din conceptul de conductivitate a unui conductor rezultă că cu cât rezistența conductorului este mai mică, cu atât conductivitatea acestuia este mai mare. Când metalele pure sunt încălzite, rezistența lor crește, iar când sunt răcite, rezistența lor scade.

În 1911, fizicianul olandez Kamerlingh Onnes a efectuat experimente cu mercur, care poate fi obținut în forma sa pură. A întâlnit un fenomen nou, complet neașteptat. Rezistivitatea mercurului la 4,2 K (aproximativ -269°C) a scăzut brusc la o valoare atât de scăzută încât a devenit practic imposibil de măsurat. Kamerlingh Onnes a numit acest fenomen de dispariție a rezistenței electrice drept supraconductivitate.

PAGE_BREAK--

În prezent, supraconductivitatea a fost descoperită în mai mult de 25 de elemente metalice, un număr mare de aliaje, unii semiconductori și polimeri. Temperatura Tcr pentru trecerea unui conductor la starea supraconductoare pentru metalele pure variază de la 0,14 K pentru iridiu la 9,22 K pentru niobiu.

Mișcarea electronilor într-un metal aflat în stare de supraconductivitate este astfel ordonată încât electronii care se mișcă de-a lungul unui conductor nu experimentează aproape nicio coliziune cu atomii și ionii rețelei. O explicație completă a fenomenului de supraconductivitate poate fi dată din punctul de vedere al mecanicii cuantice.

Pe lângă proprietățile pur electrice, pentru a efectua prelucrarea tehnologică necesară și pentru a asigura o durată de viață specificată în funcțiune, materialele conductorului trebuie să aibă o rezistență la căldură, rezistență mecanică și ductilitate suficiente.

1.2. Cupru

Cuprul pur ocupă locul următor în conductivitate electrică, după argint, care are cea mai mare conductivitate dintre toți conductorii cunoscuți. Conductivitatea ridicată și rezistența la coroziune atmosferică, combinate cu o ductilitate ridicată, fac din cuprul principalul material pentru fire.

În aer, firele de cupru se oxidează lent, devenind acoperite cu un strat subțire de oxid de CuO, care previne oxidarea ulterioară a cuprului. Coroziunea cuprului este cauzată de dioxid de sulf SO2, hidrogen sulfurat H2S, amoniac NH3, oxid de azot NO, vapori de acid azotic și alți reactivi.

Cuprul conducător se obține din lingouri prin purificare galvanică în băi electrolitice. Impuritățile, chiar și în cantități nesemnificative, reduc drastic conductivitatea electrică a cuprului, făcându-l inadecvat pentru conductorii de curent, prin urmare doar două grade de cupru, MO și M1, sunt utilizate ca cupru electric.

Aproape toate produsele conductoare din cupru sunt realizate prin laminare, presare și tragere. Astfel, prin tragere pot fi produse fire cu diametrul de până la 0,005 mm, benzi cu grosimea de până la 0,1 mm și folie de cupru cu o grosime de până la 0,008 mm.

Cuprul conductor este utilizat atât în ​​formă recoaptă după prelucrare la rece (cupru moale de calitate MM), cât și fără recoacere (cupru dur de calitate MT).

La temperaturi de tratament termic peste 900°C, datorită creșterii intense a boabelor, proprietățile mecanice ale cretei se deteriorează brusc.

Pentru a crește rezistența la fluaj și stabilitatea termică, cuprul este aliat cu argint în intervalul 0,07 - 0,15%, precum și magneziu, cadmiu, zirconiu și alte elemente.

Cuprul cu aditivi de argint este utilizat pentru înfășurarea mașinilor de mare viteză și rezistente la căldură, iar cuprul aliat cu diverse elemente este utilizat în comutatoare și inele colectoare ale mașinilor cu încărcare puternică.

1.3. Alamă

Aliajele de cupru și zinc, numite alama, sunt utilizate pe scară largă în inginerie electrică. Zincul se dizolvă în cupru până la 39%.

La diferite mărci de alamă, conținutul de zinc poate ajunge până la 43%. Alama care conține până la 39% zinc are o structură de soluție solidă monofazată și se numește α-alama. Aceste alama au cea mai mare ductilitate, deci sunt folosite la realizarea pieselor prin laminare si tragere la cald sau la rece: table, benzi, sarma. Fără încălzire, părțile configurațiilor complexe pot fi realizate din tablă de alamă folosind ambutișare adâncă și ștanțare.

Alama bifazată este mai dură și mai fragilă și poate fi presată numai când este fierbinte.

Adăugarea de staniu, nichel și mangan la alamă crește proprietățile mecanice și rezistența la coroziune, iar adăugarea de aluminiu în compoziție cu fier, nichel și mangan conferă alamei, pe lângă îmbunătățirea proprietăților mecanice și rezistența la coroziune, duritate ridicată. . Cu toate acestea, prezența aluminiului în alamă face lipirea dificilă, iar lipirea cu lipituri moi devine aproape imposibilă.

Alama clasa L68Și L63 Datorită ductilității lor ridicate, sunt ușor ștanțate și pot fi îndoite; se lipesc ușor cu toate tipurile de lipire. În inginerie electrică sunt utilizate pe scară largă pentru diferite piese sub tensiune;

alamă clase LS59-1Și LMC58-2 utilizate pentru fabricarea cuștilor rotoare ale motoarelor electrice și pentru piese purtătoare de curent realizate prin tăiere și ștanțare la cald; lipit bine cu diverse lipituri;

alamă LA67-2.5 utilizat pentru piese turnate purtătoare de curent cu rezistență mecanică și duritate crescute care nu necesită lipire cu lipituri moi;

alamă LK80-3LȘi LS59-1L utilizat pe scară largă pentru turnarea pieselor purtătoare de curent ale echipamentelor electrice, pentru suporturile de perii și pentru turnarea rotoarelor motoarelor asincrone. Acceptă bine lipirea cu diverse lipituri.

1.4. Bronzuri de conducere

Bronzurile conducătoare aparțin aliajelor de cupru, necesitatea utilizării lor este cauzată în principal de rezistența mecanică insuficientă și stabilitatea termică a cuprului pur în unele cazuri.

Gama generală de bronzuri este foarte extinsă, dar doar câteva mărci de bronzuri au o conductivitate electrică ridicată.

Bronz cu cadmiu se referă la cele mai comune bronzuri conducătoare. Dintre toate clasele, bronzul de cadmiu are cea mai mare conductivitate electrică. Datorită rezistenței crescute la abraziune și rezistenței mai mari la căldură, acest bronz este utilizat pe scară largă pentru fabricarea de fire de cărucior și plăci colectoare;

bronz de beriliu se referă la aliajele care câștigă rezistență ca urmare a abraziunii. Are proprietăți elastice ridicate, stabil când este încălzit la 250°C și conductivitate electrică de 2 - 2,5 ori mai mare decât conductivitatea altor grade de bronzuri de uz general. Acest bronz și-a găsit o largă aplicație pentru fabricarea diferitelor piese de arc care acționează simultan ca conductor de curent, de exemplu: arcuri purtătoare de curent, anumite tipuri de suporturi pentru perii, contacte culisante în diverse dispozitive, dispozitive cu fișă etc.;

Bronz fosforic are rezistență ridicată și proprietăți bune de arc; datorită conductibilității sale electrice scăzute, este utilizat pentru fabricarea pieselor de arc cu densități scăzute de curent.

Piesele turnate purtătoare de curent sunt fabricate din diferite grade de bronz turnat pentru construcția de mașini, cu o conductivitate în intervalul de 8-15% din conductibilitatea cuprului pur. O trăsătură caracteristică a bronzurilor este contracția scăzută în comparație cu fonta și oțelul și proprietățile ridicate de turnare, prin urmare sunt utilizate pentru turnarea diferitelor părți purtătoare de curent de configurații complexe destinate mașinilor și aparatelor electrice.

Toate mărcile de bronz turnat pot fi împărțite în staniu și fără staniu, unde principalele elemente de aliere sunt Al, Mn, Fe, Pb, Ni.

Aluminiu

Proprietățile caracteristice ale aluminiului pur sunt greutatea specifică scăzută, punctul de topire scăzut, conductivitate termică și electrică ridicată, ductilitate ridicată, căldură latentă de fuziune foarte mare și o peliculă durabilă, deși foarte subțire, de oxid care acoperă suprafața metalului și o protejează. de la pătrunderea oxigenului în interior.

O bună conductivitate electrică asigură utilizarea pe scară largă a aluminiului în inginerie electrică. Deoarece densitatea aluminiului este de 3,3 ori mai mică decât cea a cuprului, iar rezistivitatea este de numai 1,7 ori mai mare decât cea a cuprului, atunci aluminiul pe unitate de masă are de două ori conductivitatea cuprului.

Dioxidul de sulf, hidrogenul sulfurat, amoniacul și alte gaze găsite în aerul zonelor industriale nu au un efect vizibil asupra vitezei de coroziune a aluminiului. Efectul vaporilor de apă asupra aluminiului este, de asemenea, nesemnificativ. În contact cu majoritatea metalelor și aliajelor care sunt nobile în domeniul potențialului electrochimic, aluminiul servește ca anod și, prin urmare, coroziunea sa în electroliți va progresa.

Pentru a evita formarea de cupluri galvanice într-o atmosferă umedă, joncțiunea aluminiului cu alte metale este etanșată prin lăcuire sau alte mijloace.

Testele pe termen lung ale firelor de aluminiu au arătat că acestea nu sunt inferioare firelor de cupru în ceea ce privește rezistența la coroziune.

Tabelul 1.2. Principalele caracteristici ale materialelor conductoare

Material

Densitate,

Temperatura

punctul de topire, °C

Electrice specifice

rezistenta la 20°C,

Temperatura medie

Coeficient de rezistență de la 0 la 100°C, 1/grad

Notă

Aluminiu

Fire, cabluri, anvelope, conductoare ale rotoarelor cu cuști de veveriță, carcase și scuturi de rulmenți ale mașinilor electrice mici

Bronz cu cadmiu – contacte, bronz fosfor – arcuri

Contacte, cleme

Fire, cabluri, cauciucuri

Lipituri pentru cositorire și lipire într-un aliaj cu plumb

Continuare
--PAGE_BREAK--

2. Semiconductoare. Dispozitive semiconductoare

2.1. Informații generale

Semiconductorii sunt substanțe a căror conductivitate este intermediară între conductivitățile metalelor și ale dielectricilor. Semiconductorii sunt atât conductori săraci, cât și dielectrici săraci. Granița dintre semiconductori și dielectrici este arbitrară, deoarece dielectricii la temperaturi ridicate se pot comporta ca semiconductori, iar semiconductorii puri la temperaturi scăzute se comportă ca dielectrici. În metale, concentrația de electroni este practic independentă de temperatură, iar la semiconductori purtătorii de sarcină apar doar atunci când temperatura crește sau când energia este absorbită dintr-o altă sursă.

Semiconductori tipici sunt carbonul (C), germaniul (Ge) și siliciul (Si). Germaniul este un element fragil, alb-cenușiu, descoperit în 1886. Sursa de dioxid de germaniu sub formă de pulbere, din care se obține germaniu solid pur, este cenușa anumitor tipuri de cărbune.

Siliciul a fost descoperit în 1823. Este distribuit pe scară largă în scoarța terestră sub formă de silice (dioxid de siliciu), silicați și aluminosilicați. Nisipul, cuarțul, agatul și silexul sunt bogate în dioxid de siliciu. Siliciul pur este obținut din dioxid de siliciu chimic. Siliciul este cel mai utilizat material semiconductor.

Să luăm în considerare mai detaliat formarea electronilor de conducție în semiconductori folosind siliciu ca exemplu. Atomul de siliciu are numărul de serie Z=14 în tabelul periodic al lui D.I. Mendeleev. Prin urmare, atomul său conține 14 electroni. Cu toate acestea, doar 4 dintre ele sunt pe învelișul exterior neumplut și sunt slab legate. Acești electroni se numesc electroni de valență și dau naștere celor patru valențe ale siliciului. Atomii de siliciu sunt capabili să-și combine electronii de valență cu alți atomi de siliciu folosind ceea ce se numește legătură covalentă (Figura 2.1). În legătura covalentă, electronii de valență sunt împărțiți între diferiți atomi, rezultând formarea unui cristal.

Pe măsură ce temperatura cristalului crește, vibrațiile termice ale rețelei conduc la ruperea unor legături de valență. Ca urmare a acestui fapt, unii dintre electronii care au participat anterior la formarea legăturilor de valență sunt despărțiți și devin electroni de conducere. În prezența unui câmp electric, se mișcă împotriva câmpului și formează un curent electric.

Cu toate acestea, atunci când un electron este eliberat în rețeaua cristalină, se formează o legătură interatomică neumplută. Astfel de spații „goale” cu electroni de legătură lipsă sunt numite „găuri”. Apariția găurilor într-un cristal semiconductor creează o oportunitate suplimentară pentru transferul de încărcare. Într-adevăr, gaura poate fi umplută de un electron transferat sub influența vibrațiilor termice de la un atom vecin. Ca urmare, comunicarea normală va fi restabilită în acest loc, dar va apărea o gaură în alt loc. Oricare dintre ceilalți electroni de legătură etc., poate intra, la rândul său, în această nouă gaură. Umplerea secvențială a unei legături libere cu electroni este echivalentă cu mișcarea unei găuri în direcția opusă mișcării electronilor. Astfel, dacă în prezența unui câmp electric electronii se mișcă împotriva câmpului, atunci găurile se vor deplasa în direcția câmpului, adică. felul în care s-ar mișca sarcinile pozitive. În consecință, într-un semiconductor există două tipuri de purtători de curent - electroni și găuri, iar conductivitatea totală a semiconductorului este suma conductibilității electronice (de tip n, din cuvântul negativ) și a conductibilității găurilor (de tip p, din cuvânt pozitiv).

Alături de tranzițiile electronilor de la o stare legată la o stare liberă, există tranziții inverse în care un electron de conducere este captat într-una dintre pozițiile libere ale electronilor de legătură. Acest proces se numește recombinare electron-gaură. Într-o stare de echilibru, se stabilește o astfel de concentrație de electroni (și o concentrație egală de găuri) la care numărul de tranziții directe și inverse pe unitatea de timp este același.

Procesul de conducere considerat în semiconductori puri se numește conductivitate intrinsecă. Conductivitatea intrinsecă crește rapid odată cu creșterea temperaturii și aceasta este o diferență semnificativă între semiconductori și metale, a căror conductivitate scade odată cu creșterea temperaturii. Toate materialele semiconductoare au un coeficient de rezistență negativ la temperatură.

Semiconductori puri sunt un obiect de interes în principal teoretic. Cercetările majore pe semiconductori se referă la efectele adăugării de impurități la materialele pure. Fără aceste impurități, majoritatea dispozitivelor semiconductoare nu ar exista.

Materialele semiconductoare pure, cum ar fi germaniul și siliciul, conțin un număr mic de perechi electron-gaură la temperatura camerei și, prin urmare, pot conduce foarte puțin curent. Alierea este utilizată pentru a crește conductivitatea materialelor pure.

Dopajul este adăugarea de impurități la materialele semiconductoare. Se folosesc două tipuri de impurități. Impuritățile de primul tip - pentavalente - constau din atomi cu cinci electroni de valență, de exemplu, arsen și antimoniu. Al doilea tip de impuritate - trivalent - constă din atomi cu trei electroni de valență, de exemplu, indiu și galiu.

Când un material semiconductor pur este dopat cu un material pentavalent, cum ar fi arsenul (As), unii dintre atomii semiconductori sunt înlocuiți cu atomi de arsen (Figura 2.2). Atomul de arsen introduce patru dintre electronii săi de valență în legături covalente cu atomii vecini. Al cincilea electron al său este slab legat de nucleu și poate deveni ușor liber. Atomul de arsen este numit atom donor deoarece donează electronul suplimentar. Materialul semiconductor dopat conține un număr suficient de atomi donatori și, prin urmare, electroni liberi, pentru a menține curentul.

La temperatura camerei, numărul de electroni liberi suplimentari depășește numărul de perechi electron-gaură. Aceasta înseamnă că materialul are mai mulți electroni decât găuri. Prin urmare, electronii sunt numiți purtători majoritari. Găurile sunt numite purtători minoritari. Deoarece purtătorii majoritari au o sarcină negativă, un astfel de material se numește semiconductor de tip n.

Când un material semiconductor este dopat cu atomi trivalenți, cum ar fi atomi de indiu (In), acești atomi își vor plasa cei trei electroni de valență între trei atomi învecinați (Figura 2.3). Acest lucru va crea o gaură în legătura covalentă.

Prezența unor găuri suplimentare va permite electronilor să se deplaseze cu ușurință de la o legătură covalentă la alta. Deoarece găurile acceptă cu ușurință electronii, atomii care introduc găuri suplimentare într-un semiconductor sunt numiți atomi acceptori.

În condiții normale, numărul de găuri dintr-un astfel de material depășește semnificativ numărul de electroni. Prin urmare, găurile sunt purtătorii majoritari, iar electronii sunt purtători minoritari. Deoarece cei mai mulți purtători au o sarcină pozitivă, materialul este numit semiconductor de tip p.

Materialele semiconductoare de tip N și p au o conductivitate semnificativ mai mare decât semiconductorii puri. Această conductivitate poate fi crescută sau scăzută prin modificarea cantității de impurități. Cu cât un material semiconductor este mai puternic dopat, cu atât rezistența lui electrică este mai mică.

Contactul a doi semiconductori cu diferite tipuri de conductivitate se numește joncțiune p-n și are o proprietate foarte importantă - rezistența sa depinde de direcția curentului. Rețineți că un astfel de contact nu poate fi realizat prin apăsarea a doi semiconductori unul împotriva celuilalt. O joncțiune p-n este creată într-o placă semiconductoare prin formarea unor regiuni cu diferite tipuri de conductivitate în ea. Metodele de obținere a joncțiunilor p-n sunt descrise mai jos.

Deci, într-o bucată dintr-un semiconductor monocristal, se formează o joncțiune p-n la limita dintre două straturi cu conductivități diferite. Există o diferență semnificativă în concentrațiile purtătorilor de sarcină. Concentrația electronilor în regiunea n este de multe ori mai mare decât concentrația lor în regiunea p. Ca rezultat, electronii difuzează în regiunea de concentrație scăzută (în regiunea p). Aici se recombină cu găurile și în acest fel creează o sarcină negativă spațială a atomilor acceptori ionizați, care nu este compensată de sarcina pozitivă a găurilor.

În același timp, are loc difuzia găurilor în regiunea n. Aici, se creează o sarcină pozitivă spațială a ionilor donor, care nu este compensată de sarcina electronilor. Astfel, se creează un strat dublu de sarcină spațială la graniță (Fig. 2.4), epuizat de principalii purtători de curent. Un câmp electric de contact Ek apare în acest strat, împiedicând tranziția ulterioară a electronilor și a găurilor de la o regiune la alta.

Câmpul de contact menține o stare de echilibru la un anumit nivel. Dar chiar și în acest caz, sub influența căldurii, o mică parte din electroni și găuri vor continua să treacă prin bariera de potențial cauzată de sarcinile spațiale, creând un curent de difuzie. Totuși, în același timp, sub influența câmpului de contact, purtătorii de sarcină minoritari ai regiunilor p și n (electroni și găuri) creează un curent de conducere mic. Într-o stare de echilibru, acești curenți se anulează reciproc.

Dacă o sursă de curent externă este conectată la joncțiunea p-n, atunci tensiunea indicată în Fig. 2.5 polaritatea inversă va duce la apariția unui câmp extern E, care coincide în direcția cu câmpul de contact Eк. Ca urmare, lățimea stratului dublu va crește și practic nu va exista curent din cauza purtătorilor majoritari. Doar un curent mic este posibil în circuit datorită purtătorilor minoritari (curent invers Irev).

Când tensiunea de polaritate directă este pornită, direcția câmpului extern este opusă direcției câmpului de contact (Fig. 2.6). Lățimea stratului dublu va scădea și în circuit va apărea un curent direct Ipr mare. Astfel, joncțiunea p-n are o conductivitate unidirecțională pronunțată. Aceasta este exprimată prin caracteristica curent-tensiune (Fig. 2.7).

Continuare
--PAGE_BREAK--

Când o tensiune directă este aplicată unei joncțiuni p-n, curentul crește rapid odată cu creșterea tensiunii. Când se aplică o tensiune inversă joncțiunii p-n, curentul este foarte mic, ajunge rapid la saturație și nu se modifică până la o anumită valoare limită a tensiunii inverse Urev, după care crește brusc. Aceasta este așa-numita tensiune de avarie, la care are loc o defecțiune a joncțiunii p-n și este distrusă. Trebuie remarcat faptul că în figura 2.7 scara curentului invers este de o mie de ori mai mică decât scara curentului direct.

2.2. Diode semiconductoare

Joncțiunea pn stă la baza diodelor semiconductoare, care sunt utilizate pentru a redresa curentul alternativ și pentru alte transformări neliniare ale semnalelor electrice.

Dioda conduce curentul în direcția înainte numai atunci când mărimea tensiunii externe (în Volți) este mai mare decât bariera de potențial (în eV). Pentru o diodă cu germaniu, tensiunea externă minimă este de 0,3 V, iar pentru o diodă cu siliciu, 0,7 V.

Când dioda începe să conducă curentul, apare o cădere de tensiune pe ea. Această cădere de tensiune este egală cu bariera de potențial și se numește cădere de tensiune directă.

Toate diodele au curent invers scăzut. În diodele cu germaniu se măsoară în microamperi, iar în diodele cu siliciu în nanoamperi. O diodă cu germaniu are un curent invers mai mare, deoarece este mai sensibilă la temperatură. Acest dezavantaj al diodelor cu germaniu este compensat de o barieră cu potențial scăzut.

Atât diodele cu germaniu, cât și cu siliciu pot fi deteriorate de căldură extremă sau de tensiune inversă mare. Producătorii specifică curentul direct maxim care poate curge în siguranță prin diodă, precum și tensiunea inversă maximă (tensiune inversă de vârf). Dacă tensiunea inversă de vârf este depășită, un curent invers mare va curge prin diodă, creând căldură în exces și provocând defectarea acesteia.

La temperatura camerei, curentul invers este mic. Pe măsură ce temperatura crește, curentul invers crește, perturbând funcționarea diodei. La diodele cu germaniu, curentul invers este mai mare decât la diodele cu siliciu și depinde mai mult de temperatură, dublându-se pentru creșteri de temperatură cu aproximativ 10°C.

Simbolul schematic pentru o diodă este prezentat în Figura 2.8, partea p este reprezentată printr-o săgeată și partea n printr-o linie. Curentul continuu curge din partea p în partea n (de-a lungul săgeții). Partea n se numește catod, iar partea p este anodul.

Există trei tipuri de joncțiuni pn: joncțiuni crescute, joncțiuni fuzionate și joncțiuni de difuzie, care sunt fabricate folosind diferite tehnologii. Metodele de fabricație pentru fiecare dintre aceste tranziții sunt diferite.

Metoda de creștere a joncțiunii (cea mai veche) este următoarea: materialul semiconductor pur și impuritățile de tip p sunt plasate într-un recipient de cuarț și încălzite până când se topesc. Un mic cristal semiconductor numit sămânță este plasat în amestecul topit. Cristalul de sămânță se rotește încet și este scos din topitură atât de încet încât un strat din amestecul topit are timp să crească pe el. Amestecul topit, care crește pe cristalul sămânță, se răcește și se solidifică. Are aceeași structură cristalină ca și sămânța. După extragere, sămânța este dopată alternativ cu impurități de tip n și p. Acest lucru creează straturi de tip n și p în cristalul crescut. Astfel, cristalul crescut este format din multe straturi p-n.

Metoda de creare a joncțiunilor p-n fuzionate este extrem de simplă. Pe un cip semiconductor de tip n este plasată o mică perlă de material trivalent, cum ar fi indiul. Perla și cristalul sunt încălzite până când perla în sine se topește și topește parțial cristalul semiconductor. În zona în care se unesc, se formează material de tip p. După răcire, materialul se recristalizează și se formează o joncțiune p-n solidă.

În prezent, metoda difuziei pentru producerea joncțiunilor p-n este cea mai des utilizată. Masca cu fante este plasată peste o felie subțire de semiconductor de tip p sau n numită substrat. După aceasta, substratul este introdus într-un cuptor și intră în contact cu impuritățile care se află în stare gazoasă. La temperaturi ridicate, atomii de impurități pătrund în substrat. Adâncimea de penetrare este controlată de timpul de expunere și de temperatură.

După formarea joncțiunii p-n, dioda trebuie plasată într-o carcasă pentru a o proteja de influențele mediului și daune mecanice. Carcasa trebuie să ofere, de asemenea, capacitatea de a conecta dioda la circuit. Tipul carcasei este determinat de scopul diodei (Fig. 2.9).Dacă trebuie să circule un curent mare prin diodă, carcasa trebuie proiectată astfel încât să protejeze joncțiunea p-n de supraîncălzire.

Dioda poate fi verificată prin măsurarea rezistenței înainte și inversă folosind un ohmmetru. Valoarea acestor rezistențe caracterizează capacitatea diodei de a trece curentul într-o direcție și de a nu trece curentul în cealaltă direcție.

O diodă cu germaniu are o rezistență directă scăzută, aproximativ 100 ohmi, iar rezistența sa inversă depășește 100.000 ohmi. Rezistența directă și inversă a diodelor cu siliciu este mai mare decât a diodelor cu germaniu. Testarea diodei cu un ohmmetru ar trebui să arate rezistență scăzută înainte și rezistență mare inversă.

Dacă terminalul pozitiv al ohmmetrului este conectat la anodul diodei, iar terminalul negativ la catod, atunci dioda este polarizată direct. În acest caz, curentul trece prin diodă, iar ohmetrul prezintă o rezistență scăzută. Dacă cablurile ohmmetrului sunt schimbate, dioda va fi polarizată invers. Un curent mic va curge prin el, iar ohmetrul va prezenta o rezistență ridicată.

Dacă dioda are rezistență scăzută înainte și inversă scăzută, probabil că este scurtcircuitată. Dacă dioda are rezistență ridicată atât în ​​direcția înainte, cât și în cea inversă, atunci este probabil un circuit deschis.

Tensiunea inversă mare aplicată unei diode poate crea un curent invers mare care va supraîncălzi dioda, cauzând defectarea acesteia. Tensiunea inversă la care are loc defectarea se numește tensiune de defalcare sau tensiune inversă maximă. Diodele speciale, numite diode zener, sunt proiectate să funcționeze la tensiuni mai mari decât tensiunea de rupere a diodei zener. Această zonă se numește zonă de stabilizare.

Când tensiunea inversă este suficient de mare pentru a provoca defectarea diodei Zener, un curent invers mare trece prin ea. Înainte de apariția unei defecțiuni, curentul invers este mic. După ce apare o defecțiune, curentul invers crește brusc. Acest lucru se întâmplă deoarece rezistența diodei Zener scade pe măsură ce tensiunea inversă crește.

Tensiunea de defalcare a unei diode zener este determinată de rezistivitatea diodei și, la rândul său, depinde de tehnica de dopaj utilizată la fabricarea acesteia. Tensiunea nominală de rupere este tensiunea inversă la curentul de stabilizare. Curentul de stabilizare este puțin mai mic decât curentul invers maxim al diodei. Tensiunea de avarie este de obicei indicată cu o precizie de 1 până la 20%.

Capacitatea unei diode zener de a disipa puterea scade pe măsură ce temperatura crește. Prin urmare, puterea disipată de o diodă zener este specificată pentru o anumită temperatură. Cantitatea de putere disipată depinde și de lungimea cablurilor: cu cât cablurile sunt mai scurte, cu atât mai multă putere este disipată de diodă. Producătorul specifică, de asemenea, un factor de deformare pentru a determina disiparea puterii la alte temperaturi. De exemplu, un factor de deformare de 6 miliwați pe grad Celsius înseamnă că puterea disipată de diodă scade cu 6 miliwați pe grad de creștere a temperaturii.

Carcasele diodelor Zener au aceeași formă ca și diodele convenționale:

Diodele Zener de putere redusă sunt disponibile în carcase din sticlă sau rășină epoxidice, în timp ce cele de mare putere sunt disponibile într-o carcasă metalică cu șurub. Denumirea schematică a unei diode zener este prezentată în Fig. 2.11.

Principalii parametri ai diodelor zener sunt curentul maxim de stabilizare, curentul invers și tensiunea inversă. Curentul maxim de stabilizare este curentul invers maxim care poate circula prin dioda zener fără a depăși puterea de disipare specificată de producător. Curentul invers este curentul de scurgere înainte de începerea defecțiunii. Este indicat la o anumită tensiune inversă egală cu aproximativ 80% din tensiunea de stabilizare.

Diodele Zener sunt folosite pentru a stabiliza tensiunea, de exemplu, pentru a compensa modificările tensiunii liniei de alimentare sau modificările unei sarcini rezistive alimentate cu curent continuu.

Figura 2.12 prezintă un circuit tipic de control al diodei Zener. Dioda Zener este conectată în serie cu rezistorul R. Rezistorul face ca un astfel de curent să treacă prin dioda Zener, astfel încât să funcționeze în modul de defalcare (stabilizare). Tensiunea DC de intrare trebuie să fie mai mare decât tensiunea de stabilizare a diodei zener. Căderea de tensiune pe dioda Zener este egală cu tensiunea de stabilizare a diodei Zener. Diodele Zener sunt produse cu o anumită tensiune de defalcare, care se numește tensiune de stabilizare. Căderea de tensiune pe rezistor este egală cu diferența dintre tensiunea de intrare și tensiunea de stabilizare.

Tensiunea de intrare poate crește sau scădea. Acest lucru determină o creștere sau o scădere corespunzătoare a curentului prin dioda zener. Când o diodă Zener funcționează la o tensiune de stabilizare (în regiunea de defecțiune), un curent mare poate trece prin ea pe măsură ce tensiunea de intrare crește. Cu toate acestea, tensiunea pe dioda zener va rămâne aceeași. Dioda Zener contracarează creșterea tensiunii de intrare, deoarece rezistivitatea acesteia scade pe măsură ce curentul crește. Acest lucru permite ca tensiunea de ieșire a diodei Zener să rămână constantă pe măsură ce se modifică tensiunea de intrare. O modificare a tensiunii de intrare apare doar ca o modificare a căderii de tensiune pe rezistorul serie. Suma tensiunii scade pe acest rezistor, iar dioda zener este egală cu tensiunea de intrare. Tensiunea de ieșire este îndepărtată de la dioda zener. Tensiunea de ieșire poate fi crescută sau scăzută prin înlocuirea diodei zener și a rezistenței conectate în serie cu aceasta.

Continuare
--PAGE_BREAK--

Circuitul descris produce o tensiune constantă. La proiectarea unui circuit, trebuie luate în considerare atât curentul, cât și tensiunea. Sarcina externă consumă curent, care este determinat de rezistența și tensiunea de ieșire. Atât curentul de sarcină, cât și cel de stabilizare trec printr-un rezistor conectat în serie cu dioda zener. Acest rezistor trebuie selectat astfel încât un curent de stabilizare să circule prin dioda zener și să fie situat în regiunea de defecțiune.

Pe măsură ce o sarcină rezistivă crește, curentul care curge prin ea scade, ceea ce ar trebui să determine o creștere a căderii de tensiune pe sarcină. Dar dioda zener previne orice schimbare de tensiune. Suma curentului de stabilizare și a curentului de sarcină printr-un rezistor conectat în serie rămâne constantă. Acest lucru asigură o cădere constantă de tensiune pe rezistorul în serie. La fel, pe măsură ce curentul prin sarcină crește, curentul de reglare scade, asigurând o tensiune constantă. Acest lucru permite circuitului să mențină o tensiune de ieșire constantă în timp ce tensiunea de intrare fluctuează.

2.3. tiristoare

Tiristoarele sunt o clasă largă de dispozitive semiconductoare utilizate pentru comutarea electronică. Aceste dispozitive semiconductoare sunt bistabile și au trei sau mai multe joncțiuni pn. Tiristoarele sunt acoperite de feedback pozitiv intern, care vă permite să creșteți amplitudinea semnalului de ieșire prin aplicarea unei părți din tensiunea de ieșire la intrare.

Tiristoarele sunt utilizate pe scară largă în controlul puterii DC și AC. Acestea sunt folosite pentru a porni și opri puterea furnizată încărcăturii, precum și pentru a regla valoarea acesteia, de exemplu, pentru a controla iluminarea sau turația motorului.

Tiristoarele sunt fabricate din siliciu folosind metoda difuziei sau aliajului de difuzie și constau din patru straturi semiconductoare de tip p și de tip n dispuse alternativ. Figurile 2.13, 2.14 și 2.15 prezintă un circuit simplificat al unui tiristor, caracteristica curent-tensiune și, respectiv, simbolul său schematic.

Cele patru straturi sunt adiacente unul altuia, formând trei joncțiuni p-n. Cele două terminale exterioare sunt anodul și catodul, iar un electrod de control poate fi conectat la unul dintre straturile din mijloc. Acest tiristor nu conține un electrod de control, iar deschiderea și închiderea lui este controlată prin modificarea tensiunii aplicate acestuia. Astfel de tiristoare se numesc dinistori.

Cu polaritatea tensiunii aplicată tiristorului indicată în figura 2.13, partea principală a acestuia va fi la joncțiunea p-n închisă 2, în timp ce tranzițiile 1 și 3 vor fi deschise. În acest caz, găurile care se deplasează de la stratul p1 la stratul p2 se recombină parțial cu electronii din stratul n1. Sarcina lor necompensată în stratul p2 va provoca o contra-injecție secundară de electroni din stratul n2, iar electronii din stratul n2 vor trece prin stratul p2 în stratul n1, recombinându-se parțial cu găurile din stratul p2. Acestea vor provoca contrainjecția secundară a găurilor din stratul p1. Aceste fenomene vor crea condițiile necesare desfășurării procesului de avalanșă. Cu toate acestea, procesul de avalanșă va începe numai la o tensiune externă suficient de mare Uper. În acest caz, tiristorul se va muta din punctul A al caracteristicii curent-tensiune în secțiunea BC (Fig. 2.14), iar curentul prin acesta va crește brusc. În acest caz, din cauza abundenței sarcinilor în joncțiunea 2, tensiunea pe ea va scădea semnificativ (la aproximativ 1 V), iar energia eliberată în această tranziție va fi insuficientă pentru dezvoltarea proceselor ireversibile în structura dispozitivului.

Dacă curentul prin tiristor este redus mult la o anumită valoare Isp (curent de menținere), atunci tiristorul se va închide și va intra într-o stare cu conductivitate scăzută (secțiunea OA din Fig. 2.14). Dacă tiristorului i se aplică o tensiune de polaritate inversă, atunci caracteristica curent-tensiune va fi aceeași cu cea a unei diode semiconductoare (secțiunea OD din Fig. 2.14).

Tiristorul considerat necontrolat are un dezavantaj semnificativ: deschiderea și închiderea sa este posibilă numai cu schimbări mari ale tensiunii și curentului extern.

Mult mai des folosesc tiristoare care au un electrod de control (Fig. 2.16).

3. Materiale electroizolante

3.1. Definiții de bază și clasificare a dielectricilor

Materialele electroizolante sau dielectricii sunt substanțe care sunt utilizate pentru a izola elemente sau părți ale echipamentelor electrice care se află la potențiale electrice diferite. În comparație cu materialele conductoare, dielectricii au rezistență electrică semnificativ mai mare. O proprietate caracteristică a dielectricilor este capacitatea de a crea câmpuri electrice puternice în ei și de a acumula energie electrică. Această proprietate a dielectricilor este utilizată în condensatoare electrice și alte dispozitive.

În funcție de starea lor de agregare, dielectricii sunt împărțiți în gazoase, lichide și solide. Grupul dielectricilor solizi (polimeri înalți, materiale plastice, ceramică etc.) este deosebit de mare.

În funcție de compoziția lor chimică, dielectricii sunt împărțiți în organici și anorganici. Elementul principal din moleculele tuturor dielectricilor organici este carbonul. Dielectricii anorganici nu conțin carbon. Dielectricii anorganici (mica, ceramica etc.) au cea mai mare rezistenta la caldura.

În funcție de metoda de producție, dielectricii sunt împărțiți în naturali (naturali) și sintetici. Cel mai numeros este grupul de materiale izolatoare sintetice.

Un grup mare de dielectrici solizi este de obicei împărțit într-un număr de subgrupe, în funcție de compoziția, structura și caracteristicile tehnologice ale acestor materiale. Astfel, există dielectrici ceramici, cerosi, film, minerali etc.

Toate dielectricii, deși într-o mică măsură, prezintă conductivitate electrică. Spre deosebire de conductori, dielectricii prezintă o modificare a curentului în timp datorită scăderii curentului de absorbție. De la un moment dat, sub influența curentului continuu, în dielectric se stabilește doar curentul de conducere. Valoarea acestuia din urmă determină conductivitatea dielectricului.

Când intensitatea câmpului electric depășește limita de rezistență dielectrică, are loc o defecțiune. Defalcarea este procesul de distrugere a unui dielectric, în urma căruia dielectricul își pierde proprietățile de izolare electrică în punctul de defecțiune.

Valoarea tensiunii la care are loc defalcarea dielectricului se numește tensiunea de rupere Upr, iar valoarea corespunzătoare a intensității câmpului electric se numește rezistența dielectrică Epr.

Defalcarea dielectricilor solizi este fie un proces pur electric (forma electrică de defalcare), fie un proces termic (forma termică de defalcare). Defalcarea electrică se bazează pe fenomene care au ca rezultat creșterea avalanșă a curentului de electroni în dielectricii solizi.

Semnele caracteristice ale defectării electrice a dielectricilor solizi sunt:

independența sau dependența foarte slabă a rigidității dielectrice de temperatură și durata tensiunii aplicate;

rezistența electrică a unui dielectric solid într-un câmp uniform nu depinde de grosimea dielectricului (până la grosimi de 10־/>− 10־/>cm);

rezistența electrică a dielectricilor solizi este în limite relativ înguste: 10/>–10/>V/cm; și este mai mare decât în ​​forma de defalcare termică;

înainte de defectare, curentul într-un dielectric solid crește conform unei legi exponențiale și imediat înainte de debutul defecțiunii, se observă o creștere bruscă a curentului;

în prezența unui câmp neuniform, defectarea electrică are loc la locul celei mai mari intensități de câmp (efect de margine).

Defalcarea termică are loc cu o conductivitate crescută a dielectricilor solizi și pierderi mari dielectrice, precum și atunci când dielectricul este încălzit de surse de căldură străine sau cu o îndepărtare slabă a căldurii. Datorită eterogenității compoziției, părțile individuale ale volumului dielectric au o conductivitate crescută. Sunt canale subțiri care trec prin toată grosimea dielectricului. Datorită densității crescute de curent, o cantitate semnificativă de căldură va fi generată în unul dintre aceste canale. Acest lucru va presupune o creștere și mai mare a curentului datorită scăderii accentuate a rezistenței acestei secțiuni în dielectric. Procesul de acumulare a căldurii va continua până când are loc distrugerea termică a materialului (topire, carburare) pe întreaga sa grosime - de-a lungul zonei slăbite.

Semnele caracteristice ale defalcării termice a dielectricilor solizi sunt:

defalcarea se observă în locul celui mai rău transfer de căldură de la dielectric către mediu;

tensiunea de rupere a dielectricului scade cu creșterea temperaturii ambiante;

tensiunea de ruptură scade odată cu creșterea duratei tensiunii aplicate;

rezistența electrică scade odată cu creșterea grosimii dielectrice;

rezistența electrică a unui dielectric solid scade odată cu creșterea frecvenței tensiunii alternative aplicate.

În timpul defalcării dielectricilor solizi, sunt adesea observate cazuri când are loc o defecțiune electrică până la o anumită temperatură și apoi, datorită încălzirii suplimentare a dielectricului, are loc procesul de defalcare termică a dielectricului.

3.2. Caracteristicile materialelor electroizolante

Continuare
--PAGE_BREAK--

Dielectrice lichide și semi-lichide– acestea includ uleiuri minerale (transformator, condensator etc.), uleiuri vegetale (ricin) si fluide sintetice (Sovol, Sovtol, PES-D etc.), vaselina.

Uleiurile minerale sunt produse ale distilării petrolului. Anumite tipuri de uleiuri minerale electroizolante diferă între ele ca vâscozitate și nivelul caracteristicilor electrice datorită curățării mai bune a unora dintre ele (condensator, cablu). Caracteristicile rămase ale uleiurilor sunt aproape la același nivel.

Uleiul de ricin se obține din semințele plantei de ricin.

Sovol și Sovtol sunt lichide sintetice neinflamabile. Sovolul se obține prin clorurarea unei substanțe cristaline - bifenil.

Sovol este un lichid vâscos transparent. Sovol este toxic și irită mucoasele, așa că lucrul cu acesta necesită respectarea reglementărilor de siguranță. Sovtol este un amestec de sovol și triclorbenzen, drept urmare are o vâscozitate semnificativ mai mică. Sovol și Sovtol sunt utilizate pentru impregnarea condensatoarelor de hârtie pentru instalații de curent continuu și curent alternativ de frecvență industrială.

PES-D este un dielectric lichid organosiliciu și are rezistență crescută la căldură și rezistență la îngheț. Lichidele organosilicioase sunt non-toxice și non-corozive.

Vaselina este o masă semi-lichidă. Folosit pentru impregnarea condensatoarelor de hârtie.

Dielectrici organici cu înalți polimeri constau din molecule formate din zeci, sute de mii de molecule ale substanței originale - monomerul. Polimerii pot fi naturali (cauciuc natural, chihlimbar etc.) și sintetici. O trăsătură caracteristică a materialelor cu conținut ridicat de polimeri este proprietățile lor dielectrice ridicate.

Dielectrice ceroase: parafina, cerezina si altele sunt substante cu structura policristalina cu un punct de topire clar definit.

Materiale plastice electrice– materialele plastice (materialele plastice) sunt materiale compozite formate din orice substanță de legătură (rășini, polimeri), materiale de umplutură, substanțe plastifiante și stabilizatoare și coloranți.

În ceea ce privește căldura, se disting materialele plastice termorigide și termoplastice. Primele devin infuzibile și insolubile în timpul procesului de presare la cald sau încălzire ulterioară. Materialele plastice termoplastice (termoplasticele), după ce au fost încălzite în timpul procesului de presare, se pot înmuia în timpul încălzirii ulterioare.

Hartii si cartoane electroizolante se refera la materiale fibroase obtinute din fibre vegetale tratate chimic: lemn si bumbac.

Cartonurile electrice pentru utilizare în aer au o structură mai densă în comparație cu cartonurile destinate utilizării în ulei.

Fibra este un material monolitic obținut prin presarea foilor de hârtie pretratate cu o soluție de clorură de zinc. Fibra este adaptabilă la toate tipurile de prelucrare mecanică și ștanțare. Fibra foliei se poate forma după înmuierea semifabricatului în apă fierbinte.

Materiale plastice laminate electroizolante– acestea includ getinaks, textolit și fibra de sticlă. Aceste materiale sunt materiale plastice stratificate în care se folosesc rășini bachelite (rezol) sau siliconice ca liant, transferate într-o stare infuzibilă și insolubilă.

Tipuri speciale de hârtie de impregnare (getinax), precum și țesături de bumbac (textolit) și țesături de sticlă fără alcali (textil din fibră de sticlă) sunt utilizate ca umpluturi în materialele electroizolante stratificate.

Turnarea si impregnarea compusilor electroizolanti (compusi). Compușii sunt compoziții electroizolante care sunt lichide în momentul utilizării lor, care apoi se întăresc și în stare finală (de lucru) sunt substanțe solide.

În funcție de scopul lor, compușii sunt împărțiți în compuși de impregnare și de umplere. Primele sunt utilizate pentru impregnarea înfășurărilor mașinilor și dispozitivelor electrice, cele din urmă - pentru umplerea cavităților din cuplajele de cabluri, precum și în carcasele dispozitivelor și dispozitivelor electrice (transformatoare, șocuri etc.).

Compușii pot fi termorigizi, care nu se înmoaie după întărire, sau termoplastici, care se înmoaie la încălzirea ulterioară. Materialele termoplastice includ compuși pe bază de epoxid, poliester și alte rășini. Materialele termoplastice includ compuși pe bază de bitum, dielectrici cerosi și polimeri termoplastici (polistiren, poliizobutilenă etc.).

Compușii pe bază de bitum sunt utilizați pe scară largă ca fiind cele mai ieftine și inerte substanțe chimic, cu rezistență ridicată la apă și caracteristici electrice bune.

Lacuri si emailuri electroizolante.

Lacurile sunt soluții de substanțe filmogene: rășini, bitum, uleiuri sicative (semințe de in, tung), eteri de celuloză sau compoziții ale acestor materiale în solvenți organici. În timpul procesului de uscare a lacului, solvenții se evaporă din acesta, iar în baza de lac au loc procese fizice și chimice, ducând la formarea unei pelicule de lac.

Lacurile de impregnare sunt folosite pentru a impregna înfășurările mașinilor și dispozitivelor electrice pentru a le cimenta spirele, a crește conductivitatea termică a înfășurărilor și a le crește rezistența la umiditate. Folosind lacuri de acoperire, se creează acoperiri de protecție rezistente la umiditate, rezistente la ulei și alte acoperiri pe suprafața înfășurărilor sau a plasticului și a altor părți izolatoare. Lacurile adezive sunt destinate lipirii foilor de mica intre ele sau pe hartie si tesaturi (micanite, micalenti), precum si pentru lipirea materialelor de film pe hartie, carton, tesaturi si in alte scopuri.

Emailurile sunt lacuri cu pigmenți introduși în ele - umpluturi anorganice (oxid de zinc, dioxid de titan, plumb roșu). Sunt introduse substanțe pigmentare pentru a crește duritatea, rezistența mecanică, rezistența la umiditate, rezistența la arc și alte proprietăți ale peliculelor de email. Emailurile sunt materiale de acoperire.

După metoda de uscare, lacurile și emailurile se disting între uscare la cald (la cuptor) și la rece (aer). Primele necesită 80 – 180°C pentru întărire, în timp ce cele din urmă se usucă la temperatura camerei.

Țesături lăcuite izolatoare electrice (țesături lăcuite) sunt materiale flexibile constând din țesătură impregnată cu lac sau un fel de compoziție lichidă de izolare electrică. După întărire, lacul sau altă compoziție de impregnare formează o peliculă flexibilă care oferă proprietăți de izolare electrică țesăturilor lacuite.

În funcție de baza țesăturii, țesăturile lăcuite sunt împărțite în bumbac, mătase, nailon și sticlă (țesături lac de sticlă). Uleiul, uleiul-bitumul și poliesterul sunt utilizate ca compoziții de impregnare pentru țesăturile lăcuite. Escapon sau lacuri siliconice, precum și soluții de latexuri de cauciuc siliconic sau suspensii fluoroplastice.

Țesăturile lipicioase din fibră de sticlă și cauciuc-sticlă, impregnate cu compuși termorigide cu aderență sporită, asigură soliditatea izolației realizate din aceste materiale.

Principalele domenii de aplicare a țesăturilor lacuite sunt: ​​mașini electrice, dispozitive și dispozitive de joasă tensiune. Țesăturile lăcuite sunt utilizate pentru izolarea flexibilă între ture și caneluri, precum și diferite garnituri izolatoare electrice.

Pentru a izola părțile frontale ale înfășurărilor și ale altor elemente purtătoare de curent de formă neregulată, se folosesc benzi lăcuite, tăiate la un unghi de 45° față de baza țesăturii lăcuite.

Materiale electroizolante din peliculă Sunt filme subțiri (de la 10 la 200 microni) flexibile, incolore sau colorate.

Utilizarea materialelor de film pentru izolarea canelurilor la mașinile electrice face posibilă reducerea grosimii izolației. Materialele de izolare electrică film sunt produse în principal din dielectrici sintetici cu moleculare înaltă (lavsan, fluoroplastic-4 etc.).

Mică izolatoare electric. Mica naturală este folosită în principal pentru izolarea electrică. Dintre micile sintetice se folosește fluorflogopitul.

Micile sunt substanțe cu o structură caracteristică în foiță. Acest lucru permite ca cristalele de mica să fie împărțite în foi subțiri - de la 6 la 45 de microni sau mai mult. Dintre toate micale naturale, doar muscovitul și flogopitul sunt folosite ca dielectrici. Aceste mici sunt ușor de împărțit și au proprietăți electrice ridicate.

Următoarele tipuri de mica sunt utilizate în inginerie electrică.

Mică smulsă - frunze subțiri de contur arbitrar. În funcție de zona dreptunghiului care poate fi înscris pe conturul frunzei, mica smulsă este împărțită în nouă dimensiuni. Pe baza grosimii frunzelor, mica smulsă este împărțită în patru grupe. Mica smulsă este utilizată pentru producerea de materiale electroizolante din mica lipită (micanit, micafolia, micalentă etc.).

Mică condensatoare - frunze dreptunghiulare obținute prin ștanțare (tăiere) din plăci de mica (polbora). Mica condensatorului este utilizată în producția de condensatoare de mica ca principal dielectric și, de asemenea, ca plăci de protecție.

Mica pentru aparate electrice de vid este piese plate de diferite forme, echipate cu orificii specificate. Aceste produse sunt obținute prin tăierea plăcilor de mica muscovit. Grosimea pieselor de mica este in intervalul 0,1 – 0,5 mm.

Mică de ghilotină - plăci dreptunghiulare de diferite dimensiuni și grosimi de 0,08 - 0,6 mm. Acest tip de produse din mica este folosit ca diferite tipuri de garnituri electrice izolante în mașini electrice și dispozitive de putere redusă.

Materiale electroizolante pe bază de mica fabricat din mica smulsa si substante de legare; micanite, micafolia si micalente. Sunt materiale compozite formate din foi de mica lipite intre ele folosind un fel de rasina sau lac. Domeniul principal de aplicare a materialelor de mica lipite este izolarea înfășurărilor mașinilor electrice de înaltă tensiune (slot, turn etc.), precum și a mașinilor de joasă tensiune rezistente la căldură.

Materiale electroizolante din mica si mica-plastic– în timpul dezvoltării micii naturale și fabricării materialelor electroizolante pe bază de mica smulsă se generează aproximativ 90% din diverse deșeuri. Reciclarea deșeurilor a dus la producerea de noi materiale electroizolante - mica și plastice mica.

Materialele mica sunt obtinute din hartie sau carton mica, pretratate cu un fel de compozitie de legare (rasini, lacuri).

Pentru a obtine hartie de mica, deseurile de mica sub forma de resturi curate sunt supuse unui tratament termic la 750 – 800°C. Ca rezultat, ele suferă o umflare semnificativă și sunt împărțite în particule mici. După spălarea lor cu apă, se formează o suspensie de mica, din care se face hârtie de mica și carton.

Materiale electroceramice sunt substante solide obtinute ca urmare a tratamentului termic - ardere a maselor ceramice initiale formate din diverse minerale luate intr-un anumit raport.

Partea principală a multor materiale electroceramice (porțelan, steatit etc.) sunt substanțe argiloase naturale (argile, caolini). Pe lângă materialele argiloase, în masele electroceramice se introduc cuarț, feldspat (electroporțelan), precum și talc, carbonat de bariu sau carbonat de calciu (steatit) etc.

Concluzie

Înainte de crearea mecanicii cuantice, conductivitatea substanțelor era explicată luând în considerare mișcarea unui gaz de electroni. Particulele acestui gaz - electroni - se ciocnesc cu ionii rețelei cristaline a substanței. Conform teoriei cuantice a conductivității, care consideră mișcarea electronilor printr-o rețea cristalină drept propagarea undelor de electroni de Boyle, nodurile rețelei nu pot fi un obstacol pentru o undă de electroni. Teoria cuantică a conductivității solidelor se bazează pe teoria benzilor. În solide, electronii iau doar anumite valori energetice. Fiecare astfel de valoare este reprezentată de un nivel de energie. Nivelurile sunt grupate în zone, separate între ele prin goluri de energie aparținând zonei.

În metale, zonele fie se suprapun între ele, fie nu sunt complet umplute cu electroni. Și într-un metal, sub influența unui câmp electric, un electron se mișcă liber de la un nivel la altul. Posibilitatea ușoară de a trece de la un nivel la altul înseamnă mișcarea liberă a electronului.

În semiconductori și izolatori, banda umplută este separată de golul de energie liberă. Electronii pot trece prin această bandă interzisă datorită energiei termice. Probabilitatea unor astfel de tranziții crește odată cu creșterea temperaturii. Prin urmare, odată cu creșterea temperaturii, conductivitatea semiconductorilor și a dielectricilor crește - aceasta este cea mai importantă diferență a lor față de metale.

Bibliografie

Sindeev Yu.G., Granovsky V.G. Inginerie Electrică. Manual pentru studenții universităților pedagogice și tehnice. Rostov-pe-Don: „Phoenix”, 1999.

Lihaciov V.L. Inginerie Electrică. Director. Volumul 1./V.L. Lihaciov. – M.: SOLON-Press, 2003.

Jdanov L.S., Jdanov G.L. Fizică pentru instituţiile de învăţământ secundar de specialitate: Manual. – ed. a IV-a, rev. – M.: Știință. Redacția principală de literatură fizică și matematică, 1984.

Remizov A.N. Curs de fizică: Manual pentru universități / A.N. Remizov, A.Ya. Potapenko. – M.: Dropia, 2002.

Dmitrieva V.F. Fizică: Manual pentru școlile tehnice./Ed. V.L. Prokofiev, - ed. a IV-a, șters. – M.: Mai sus. scoala, 2001.

Gribov L.A., Prokofieva N.I. Fundamentele fizicii: manual. – Ed. a II-a. – M.: Știință. Fizmatlit, 1995.

Yavorsky B.M., Pinsky A.A. Fundamentele fizicii: manual. În două volume: T.1. – ed. a 3-a. refăcut – M.: Știință. Fizmatlit, 1981.