ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Состояния вещества ГАЗООБРАЗНОЕ ЖИДКОЕ ТВЁРДОЕ: монокристаллическое поликристаллическое аморфное (стекло) смешанное (полимеры, ситаллы)

Виды связей в веществе ХИМИЧЕСКИЕ энергия ~10 2 кДж/моль: Ионная Ковалентная полярная Ковалентная неполярная Металлическая МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫЕ Силы Ван-Дер-Ваальса ~ 0,1÷1 кДж/моль Водородная ~ 10÷50 кДж/моль

Электрический ток – направленное движение свободных носителей заряда (с.н.з.) q в электрическом поле напряженностью Е В/м. Плотность тока j – суммарный электрический заряд, переносимый в единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной E. j = q n v э = q n Е = Е (дифференциальная форма закона Ома) n концентрация с.н.з. [м3 ]; µ подвижность с.н.з. м 2 /В с ; v э = Е средняя дрейфовая скорость с.н.з.

γ = q n См/м, 1См=Ом 1 удельная электрическая проводимость =1/ [Ом м] удельное электрическое сопротивление и γ характеризуют электрические свойства материала Обычно относят: к проводникам вещества с ρ < 10 5 Ом м; к диэлектрикам – с > 10 7 Ом м; к полупроводников – с ~ Ом м.

Проводимость G [Cм] и сопротивление R [Ом] однородного изотропного образца зависят от его геометрии, а значит не являются характеристикой материала: G = 1/R = = / – геометрический параметр. Например: Для цилиндра длиной, сечением S : = S/. Для цилиндра с внешним и внутренним диаметрами D и d и осевой длиной : = 2π/ln(D/d).

Возбуждённые (неустойчивые) энергетические уровни Энергетические уровни основного состояния (устойчивые) линейчатый спектр излучения газа линейчатый спектр излучения газа ЭЛЕМЕНТЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ ЗЗ ЗП ВЗ W зонная структура твёрдого тела зонная структура твёрдого тела вырождение уровней вырождение уровней

Металлы металлическая связьпроводникиВЗ ЗП W=0 W=0 полупроводникиЗЗ ЗП ВЗ W W до 3эВ W до 3эВдиэлектрикиЗЗ ЗП ВЗ W W выше 3эВ W выше 3эВ Неметаллы ионная, ковалентная или смешанная связь Классификация материалов согласно зонной теории

Система единиц СИ Основные Длина L [м] Масса М [кг] Время t [с] Сила эл.тока I [А] Температура Т [ºК] Сила света [св] Вспомогательные Плоский угол [рад] Телесный угол [стер] Производные Скорость м/с Сила Н=кг·м/с 2 Работа, энергия Н·м Мощность Вт=Дж/с Разн.потенц. В=Вт/А Заряд Кл=А·с Напр.эл.поля В/м Эл.сопр. Ом=В/А Эл.ёмкость Ф=Кл/В Магн.индукция Тл=Кл·Ом/м 2 Напр.магн.поля А/м

является векторной суммой орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов, а также магнитного момента ядра, который составляет 103 магнитного момента электрона. i pmpm p m = iS· n Элементарный магнитный момент атома Магнитные материалы

Векторная сумма магнитных моментов атомов в единице объёма называется намагниченностью М [А/м]: М= Σ p m ; М= χ·Н χ магнитная восприимчивость

µ = 1+χ ; µ а = µ 0 µ Суммарное магнитное моле в объёме вещества называется магнитной индукцией В [Тл] В= µ 0 ·(Н+М)= µ 0 ·(1+χ)Н μ 0 = 4π 10 7 [ Гн/м ] Намагничиванием называется процесс ориентации магнитных моментов атомов вещества под влиянием внешнего магнитного поля, в результате которого намагниченность материала становится М0.

Виды магнетизма: Различают следующие механизмы намагничивания: 1. Диамагнетизм 2. Парамагнетизм 3. Ферромагнетизм 4. Антиферромагнетизм 5.Ферримагнетизм

Диамагнетизм Диамагнетизм – свойство вещества слабо намагничиваться противоположно внешнему магнитному полю Магнитная восприимчивость χ Магнитная проницаемость µ 0,9999 Диамагентики Cu, Ag, Au, Be, Zn, Ga, B, Pb, Sb

Парамагнетизм Парамагнетизм – свойство вещества слабо намагничиваться согласованно с внешнем магнитным полем Магнитная восприимчивость χ Магнитная проницаемость µ 1, Парамагентики Al, O, Pt, Mg, Pd, Cr, Ca, Mo

Ферромагнетизм Ферромагнетизм – свойство вещества сильно намагничиваться согласованно с внешнем магнитным полем Магнитная восприимчивость χ Магнитная проницаемость µ от 10 3 до 10 7 Ферромагентики Fe, Co, Ni Сd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm

Антиферромагнетики Антиферромагнетики – материалы, в которых в результате обменного взаимодействия соседних атомов происходит антипараллельная ориентация равных по величине магнитных моментов Магнитная восприимчивость χ Магнитная проницаемость µ 1, Антиферромагентики Ce, Nd, Pr, Sm, Eu, Mn, Cr

Ферримагнетики (ферриты) Ферримагнетики (ферриты) – материалы, в которых обменное взаимодействие соседних атомов приводит к антипараллельной ориентации различных по величине (нескомпенсированных) магнитных моментов Магнитная восприимчивость χ до 10 7 Магнитная проницаемость µ до 10 7 Ферриты Fe 2 O 3 ·MeO где Me Mg, Fe, Zn, Co, Cu, Cd, Mn и др.

Намагничивание ферромагнетиков Доменом называется макроскопическая область материала, внутри которой намагниченность спонтанно (Н=0) достигает насыщения, т. е. внутри домена магнитные моменты практически всех атомов ориентированы в одном направлении.

Условия возникновения доменной структуры (ферромагнетизма) 1.Наличие внутренних незаполненных электронных оболочек (d или f) атома; 2. Величина интеграла обменной энергии А>0, что выполняется если диаметр незаполненных оболочек мал по сравнению с межатомным расстоянием кристаллической решетки: a/d>1,5.

Н В,µ I II III IV µ нач ВSВS µ max

НАМАГНИЧИВАНИЕ ФЕРРО- И ФЕРРИМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПЕРЕМЕННОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ 1.В s 1.В s – индукция насыщения 2.Н С 2.Н С – коэрцитивная сила 3.В r 3.В r – остаточная индукция 4.Потери 4.Потери на гистерезис гистерезис (на перемагничивание) – площадь петли гистерезиса

Зависимость магнитной проницаемости μ ферромагнитных материалов от температуры Т. T TКTК

Особенность ферромагнетиков: 1.Наличие доменной структуры 2.Зависимость магнитного состояния от предшествующей магнитной истории 3.Наличие температуры Кюри

μ a = B/H( 1 ) μ = μ a /μ о ( 2 ) μ max = B max / H max ( 3 ) Величина магнитной проницаемости зависит от вида приложенного внешнего магнитного поля μ ~ = B m / H m ( 4 ) В переменном магнитном поле µ зависит от частоты f

ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТЫ ПРИЛОЖЕННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ f НА ОТНОСИТЕЛЬНУЮ МАГНИТНУЮ ПРОНИЦАЕМОСТЬ f С повышением частоты магнитные моменты доменов не успевают не успевают переориентироваться вслед за быстроизменяющимся магнитным полем

За один цикл к единице объема: Или к единице массы при перемагничивании с частотой f : f – частота [Гц] D – плотность вещества [кг/см 3 ] Виды потерь 1. Потери на гистерезис P r = HdB ; Дж/м 3 P r =(f/D) HdB ; Вт/м 3

2. Потери на вихревые токи для листового сердечника

ВИДЫ МАГНИТНЫХ ПОТЕРЬ 1.ПОТЕРИ НА ГИСТЕРЕЗИЗ 2. ПОТЕРИ НА ВИХРЕВЫЕ ТОКИ 3. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПОТЕРИ

МАГНИТОСТРИКЦИЯ - - ИЗМЕНЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ МАТЕРИАЛА ПОД ДЕЙСТВИЕМ МАГНИТНОГО ПОЛЯ Генераторы УЗ – колебаний.

Классификация магнитных материалов: 1.Магнитомягкие 1.Магнитомягкие (НС (НС (НС (НС 4 кА/м) кА/м) – большая B r, B r, широкая петля гистерезиса, большие потери на перемагничение 3. Магнитные материалы специального назначения

ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ - вещества, основным свойством которых является сильная электропроводность По механизму образования свободных носителей заряда (с.н.з.) I рода Металлы и сплавы, электронная электропроводность с.н.з. – электроны II рода Водные растворы кислот, солей, щелочей - ЭЛЕКТРОЛИТЫ с.н.з. –ионы

ЭЛЕМЕНТЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ ~ Ом·м ~ Ом·мполупроводникиЗЗ ЗП ВЗ W W до 3эВ W до 3эВдиэлектрикиЗЗ ЗП ВЗ W W выше 3эВ W выше 3эВ ~ Ом·м ~ Ом·м ~ Ом·м ~ Ом·м

СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ Металлическая связь –взаимодействие между положительно заряженными ионами в узлах кристаллической решетки и коллективизированными электронами (электронным газом)

-длинасвободногопробега с.н.з., определяет подвижность µ с.н.з. - длина свободного пробега с.н.з., определяет подвижность µ с.н.з. это расстояние, которое проходит электрон под действием внешнего электрического поля между двумя соударениями с ионами кристаллической решетки. - это расстояние, которое проходит электрон под действием внешнего электрического поля между двумя соударениями с ионами кристаллической решетки. µ - показывает среднюю скорость, которую приобретает с.н.з. в единицу времени в электрическом поле Е=1В/м

F = qE υ = υ T + υ E υ T >> υ E υ T ~ 10 5 м/с, υ E ~ 10 3 м/с при E=1В/м υ E = µE µ - подвижность [м 2 /В·с] υTυT υЕυЕ

j = qnυ = qnµE γ = qnµ удельная эл. проводимость [См/м] j = γE = E/ρ закон Ома, ρ = 1/γ удельное эл. сопротивление [Ом·м], 1См = 1Ом 1 R = ρ·/S [Ом], или ρ = R·S/

= f (Т) Зависимость = f (Т) для металлов и сплавов в широком интервале температур В металлах концентрация с.н.з. = const ! = ρ ОСТ + ρ Т ρ = ρ ОСТ + ρ Т ρ Τ,°СΤ,°С Τ КР Τ ПЛ

Причины увеличения ρ удельного сопротивления с ростом Т ē λ ē λ Т 1 < Т 2

Температурный коэффициент любой физической характеристики А: dρdρ dT 1 ρ ТКρ = α = dАdА dT 1 А ТК А = Температурный коэффициент удельного сопротивления ρ T = ρ 0 [1+α(T – T 0 )]

КРИОПРОВОДИМОСТЬ Явление сильного снижения при Т < –173 0 С. Обусловлено уменьшением рассеивания электронов за счет тепловых колебаний решетки. Сохраняется остаточный вклад в удельное сопротивление ρ ОСТ. КРИОПРОВОДНИКИ - Cu, Al, Be Требования к криопроводникам: -минимальное содержание примесей; - правильная (без дефектов) кристаллическая решетка

СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ Явление ИЗЧЕЗНОВЕНИЯ, т.е. появления бесконечной электропроводности при температурах близких к абсолютному нулю год. Камерлинг - Оннес НgНg 4,2 Т, К

Если в кольце из сплава Nb 3 Sn путем электромагнитной индукции возбудить ток он будет протекать примерно лет Это соответствует величине порядка Ом м i

В объеме сверхпроводника нет магнитного поля Сильное магнитное поле разрушает явление сверхпроводимости!!! УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ 1.Сверхнизкие температуры Т i

Критические температуры T KР перехода в сверхпроводящее состояние Al = 1,19 ° K Cd = 0,56 °K Sn = 3,722 °K Zn = 0,875 °K Nb 3 Ge = 23,2 °K

СВЕРХПРОВОДНИКИ I рода (мягкие) резкий переход в сверхпроводящее состояние при одном фиксированном значении Н кр. Полное вытеснение магнитного поля из объема сверхпроводника I I рода (твёрдые) Характеризуются при переходе в сверхпроводящее состояние двумя значениями Н кр1 и Н кр2. Между Н кр1 и Н кр2 наблюдается смешанное состояние проводимости и сверхпроводимости, а также частичное вытеснение магнитного поля из объема сверхпроводника

ПРИРОДА СВЕРХПРОВОДИМОСТИ Согласно теориям Л.Купера, Д.Бардина, Дж.Шриффера При Т 0 К меняется характер взаимодействия электронов между собой и атомной решеткой т.о., что становиться возможным притягивание электронов с одинаковыми спинами и образование т.н. электронных (куперовских) пар. ВЗ ЗП W=0 W=0 Эти пары в состоянии сверхпроводимости обладают большой энергией связи, перемещение электронов происходит без взаимодействия с атомами кристаллической решеткой!!! Куперовские пары образуются из электронов, расположенных ниже поверхности Ферми

ВТСП – высокотемпературная сверхпроводимость YBa 2 Cu 3 O YBa 2 Cu 3 O 7 – Т КР около 100 К!!! В настоящее время известно 27 простых и более 1000 сложных сверхпроводников.. Широко используется керамика на основе висмута. Применение: создание сверхсильных магнитных полей, обмоток ЭМ с очень высоким КПД, кабели для мощных линий электропередач.

ВЛИЯНИЕ УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ Изменение ρ обусловлено изменением межатомного расстояния и подвижности с.н.з. «–» сжатие «+» растяжение S = – коэффициент удельного сопротивления по давлению

Всестороннее сжатие (растяжение)

УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ СПЛАВОВ Значительное увеличение наблюдается при сплавлении двух металлов при образовании общей кристаллической решетки, когда атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого – т.н. твердые растворы Происходит снижение подвижности с.н.з. В проводниковых материалах любая примесь резко снижает электропроводность!!!

ρ сплавов как правило выше, чем ρ чистых металлов Чистый металл ē λ ē λ Сплав

Влияние концентрации на удельное сопротивление сплава NiCu ТК, К 1, мкОм м % Cu a – зависимость ρ b – зависимость ТКρ от концентрации

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ СПЛАВОВ t, 0 C 1 2 В РЯДЕ СЛУЧАЕВ ПРИ ПОВЫШЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ У СПЛАВОВ МОЖЕТ УВЕЛИЧИВАТЬСЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ С.Н.З., ЧТО КОМПЕНСИРУЕТ ПОТЕРЮ ПОДВИЖНОСТИ, ИНОГДА ПРИВОДЯ К ПРЕИМУЩЕСТВЕННОМУ РОСТУ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ (кривая 2)

Скин-эффект

ТЕРМОЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА При соприкосновении двух различных металлов A и B, между ними возникает контактная разность потенциалов, обусловленная различием значений работы выхода электронов и концентрации свободных электронов соприкасающихся металлов mV A B Т2Т2 Т1Т1 Место спая металлов

термоЭДС n А и n В – концентрации свободных электронов в металлах А и В Это явление используется при изготовлении термопар (для измерения температур), термогенераторов и термохолодильников K=(k/e)ln(n A /n B ), U=KΔT K – коэффициент термоЭДС

Конструкции термопар 1. Платина-Платинородий до С 2. Хромель-Алюмель до С 3. Железо-Константан Железо-Копель до С Хромаль-Копель 4. Медь-Константан до С Медь-Копель 5. Железо-Золото до (10÷100) 0 К

Копель (44%Ni+56%Cu) Алюмель (95%Nl+Al; Si; Mn) Хромель (90%Nl+10%Cr) Платинородий (90%Pt+10%Rh)

Таблица значений K [мкВ/град] относительно Pt при 0°С Bi Fe Cu Ni Sb Константан Cu(60%)Ni(40%) – – – 34.4 (Fe– конст.) = = (Fe–Pt) – (конст.–Pt) = = +16,0 – (–34,4) = 50,4 Знак показывает направление термотока: в нагретом спае ток течет от меньшего К к большему (напр. в Fe-конст. от конст. к Fe) В полупроводниках термоЭДС значительно сильнее, так как концентрация с.н.з. сильнее зависит от температуры.

Тепло в металлах передается в основном теми же свободными электронами, которые определяют электропроводность ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ МЕТАЛЛОВ Закон ВИДЕМАНА-ФРАНЦА-ЛОРЕНЦА где Т - абсолютная температура, К; L 0 - число Лоренца, равное k – постоянная Больцмана; е – заряд электрона.

Механические свойства проводников -предел прочности при растяжении Р; - относительное удлинение при растяжении; - твердость; - хрупкость. Температурный коэффициент линейного расширения [К -1 ]

Классификация проводников по области применения 1. Металлы и сплавы с высокой удельной электропроводностью Cu ρ= мкОм·м Бронзы Cu+легирующая примесь ( до 10% Sn, Si, P, Be, Cr, Mg, Ca и др.) Латуни сплав Cu с Zn Alρ=0,026 мкОм·м легче Cu в 3,5 раза Agρ=0.016 мкОм·м Fe (сталь)ρ=0.098 мкОм·м Auρ=0.024 мкОм·м Ptρ=0.105 мкОм·м Pdρ=0.110 мкОм·м

2. Металлы и сплавы с высоким удельным сопротивлением Манганин: Cu-85% ; Mn-12% ; Ni-3% ρ= 0,42 ÷ 0,48 мкОм·м ТКρ= (6÷50) град -1 Константан: Cu-60% ; Ni-40% ρ = 0,48 ÷ 0,52 Mк. Ом. м ТКρ = (5÷25) град -1 Нихромы: ρ = 1,0÷1,5 мк. Омм (60-80)% Ni + (15-20)% Cr + Fe (до 10%) Фехрали ρ = 1,1÷1,5 Mк. Ом·м (20÷40)% Fe + (60÷70)% Cr + (5÷10)% Al Хромали ρ = 1,1÷1,5 Mк. Ом·м (5÷10)% Al, ост. Cr

3. Металлы и сплавы специального назначения Материалы для термопар Тензометрические сплавы Контактные материалы скользящие, разрывные контакты Припои мягкие, низкотемпературные, твёрдые

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ - вещества, основным свойством которых является сильная зависимость электропроводности от внешних факторов По типу электропроводности Собственные с.н.з. – электроны и дырки 12 простых веществ В, С, Si, P, S, Ge, As, Sn (серое олово), Sb, Te, Y, Se. Примесные Донорные с.н.з. – электроны Акцепторные с.н.з. –дырки

полупроводники ЗЗ ЗП ВЗ W W < 3эВ V ~ Ом·м A I B VII (AgCl, CaBr и др.), A II B VI (CdS, CdSe и др.), A III B V (GaP, GaAs и др.), A IV B IV (PbS, GeO 2 и др.), A I B VI (CuS и др.) A I B VII С VI (CuAlS 2, CuJnS 2 и др.); A I B V С VI (CuSbS 2, CaAsS 2 и др.); A I B VIII С VI (CuFeSe 2 и др.); A II B IV С V (ZnSiAs 2, ZnGeAs и др.); A IV B V С VI Энергия активации ( W) – минимальная энергия, необходимая для перевода электрона в зону проводимости

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ СОБСТВЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ЗЗ ЗП ВЗ W W < 3эВ W < 3эВ

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДОНОРНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ W Д МНОГО МЕНЬШЕ W W Д МНОГО МЕНЬШЕ W W д ~ 0,01 эBW д ~ 0,01 эB

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ АКЦЕПТОРНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ W А МНОГО МЕНЬШЕ W W А МНОГО МЕНЬШЕ W W А ~ 0,01 эBW А ~ 0,01 эB ЗЗ ЗП ВЗ W W до 3эВ W до 3эВ W А W А

Температурная зависимость концентрации n с.н.з. в примесном полупроводнике /T ln n Рост Т

Температурная зависимость подвижности µ с.н.з. в полупроводниках. µ T 100 K µ ~ T 3/2 µ ~ T –3/2

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ γ ПОЛУПРОВОДНИКОВ /T ln γ Рост Т

γ = neµ n + peµ p и n = A –ΔE/2kT => γ = γ 0 –ΔE/2kT и R T = R 0 –В/T, где B = ΔE/2k B – коэфф. температурной чувствительности. Температурный коэффициент удельного сопротивления: 1 ρ dρdρ dT TKρ= =B/T 2

ТЕРМОРЕЗИСТОР – полупроводниковый прибор, действие которого основано на зависимости электрического сопротивления от температуры ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ: 1.Кобальто-марганцевые 2.Медно-марганцевые 3.Медно-кобальто-марганцевые

ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕННОСТИ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПЛОЯ НА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКАЯ ИОНИЗАЦИЯ

Е КР – критическая напряженность электрического поля: минимальная напряженность при которой начинается сильная зависимость концентрации и подвижности с.н.з. от Е. Закон Френкеля: γ = γ о exp(βE) ; R = R o exp(–βE) 12 3 E, В/м ln γ Е КР

Полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании зависимости электропроводности (сопротивления) n/n от напряженности электрического поля называется ВАРИСТОРОМ В качестве материалов для изготовления варисторов используют: а) карбид кремния (СН1) б) селен (СН2)

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ Эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона. Эффект Зеебека: если в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных полупроводников, на спаях создана разность температурT0, то в цепи возникает термоЭДС: U T =αT α – коэффициент термоЭДС, который зависит от материалов термопары и интервала температур T2T2 T1T1 A B T 1T 2

Определение типа с.н.з. с помощью эффекта Зеебека Т1Т1 Т2Т2 n – тип Т1Т1 Т2Т2 p – тип Т 1 > T 2

Эффект Пельтье: при прохождении тока через контакт двух последовательно соединенных разнородных полупроводников, место соединения нагревается или охлаждается в зависимости от направления тока. Количество теплоты : Q П = ± П I t П – коэффициент Пельтье I – величина тока, протекающего через контакт t – время прохождения тока Томсон установил связь: α = П/Т

Эффект Томсона: при прохождении тока через полупроводник, вдоль которого есть градиент температуры, в дополнении к теплоте Джоуля, в зависимости от направления тока, выделяется или поглощается некоторое количество тепла. Теплота Томсона : Q Т = I t коэффициент Томсона Между всеми термоэлектрическими явлениями существует связь. α = dП/dТ + ( 1 – 2 )

Т1Т1 Т2Т2 p – тип ЭДС Зеебека Внешнее поле Е Т1Т1 Т2Т2 n – тип ЭДС Зеебека Внешнее поле Е Механизм возникновения эффекта Томсона. Т 1 >Т 2

Гальваномагнитный эффект Холла Если пластину полупроводника, вдоль которой течёт электрический ток I, поместить в магнитное поле B, направленное перпендикулярно направлению тока, то в полупроводнике возникнет поперечное электрическое поле Е, направленное перпендикулярно току и магнитному полю.

Схема возникновения ЭДС Холла U Х а B EХEХ I b

Для полупроводника n-типа: Для полупроводника p-типа: Для собственного полупроводника:

Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках WПWП WВWВ h = W 0 а WПWП WВWВ h 3 = W 0 – W Д – W А б h 1 = W Д h 2 = W А Оптика: преломление, отражение, рассеяние. Характеристика – коэффициент преломления n.

Фотоэлектрические явления: эмиссия электронов с поверхности, генерация свободных электронов и дырок, фотолюминесценция, нагревание, образование экситонов, то есть связанных электрически нейтральных пар электрон-дырка Фотоэлектрические явления происходят в результате поглощения энергии фотонов полупроводником.

Поглощение света полупроводниками. Закон Бугера-Ламберта: I = I 0 (1 R)exp( x), I 0 – интенсивность падающего монохроматического излучения; I – интенсивность прошедшего (или отраженного) излучения; R коэффициент отражения; х текущая координата от поверхности вдоль луча; толщина образца, на которой интенсивность уменьшается в е раз (коэффициент поглощения). Зависимости ( ) (или (h )) называют спектром поглощения, а R( ) (или R(h )) – спектром отражения.

Механизмы поглощения света: собственное поглощение: переходы из валентной зоны в зону проводимости; экситонное поглощение: переходы с участием экситонных состояний; поглощение свободными носителями заряда: переходы электронов и дырок внутри разрешённых зон; примесное поглощение: переходы с участием примесных состояний; решёточное и фононное поглощение: поглощение энергии фотонов колебаниями кристаллической решётки. В разных интервалах спектра преобладают различные механизмы поглощения.

Фотопроводимость удельная фотопроводимость Ф : Ф = 0 = e( n n + p р) 0 – удельная проводимость полупроводника в отсутствие освещения; – удельная проводимость освещенного полупроводника; n и p – концентрация неравновесных с.н.з., возбужденных светом

p-n переход Электронно-дырочные переходы получают вводя в полупроводник донорные и акцепторные примеси так, чтобы одна часть полупроводника обладала электронной, а другая дырочной электропроводностью.

(а) Диффузионное поле Е д возникает из-за диффузии с.н.з. Образуется запирающий слой толщиной d 10 5 см. (б) Направление Е совпадает с Е д и переход «заперт». (в) Е направлено против Е д, запирающий слой насыщается с.н.з., и переход «открыт». pn б EдEд E pn в EдEд E pn a EдEд

Схема установки для выращивания монокристаллов по методу Чохральского: 1 – термопара; 2 – индукционная печь; 3 – окно для визуального контроля; 4 – ось вращения; 5 – устройство для вращения; 6 – водяная рубашка; 7 – монокристаллическая затравка; 8 – выращиваемый кристалл; 9 – расплав; 10 – графитовый нагреватель; 11 – теплоизоляционная подложка

Схема установки для проведения зонной перекристаллизации: 1 – откачка на вакуум: 2 – образец в тигле; 3 – расплавленная зона; 4 – перемещаемый нагреватель; 5 – к устройству, перемещающему зону. К з.п. = С ж.ф /С т.ф >

Диэлектрические материалы основные свойства: очень слабая электропроводность и способность к электрической поляризации (существование электрического поля в объёме материала). Пассивные (электроизоляционные) - применяются для создания электрической изоляции Активные - изменяют свои параметры под действием внешних факторов W более 3 эВ V ~ Ом·м

Классификация диэлектриков По агрегатному состоянию: твердые (кристаллические, аморфные), жидкие, газообразные, а также твердеющие материалы: лаки, компаунды. По химической природе: Органические – молекулы содержат атомы углерода. Неорганические – молекулы не содержат атомов углерода (кроме таких соединений, как оксиды углерода, сероуглерод, угольная кислота и ее соли). Элементоорганические – молекулы содержат атомы элементов не характерных для органических веществ: Si, Mg, Al и др.

+q+q q p p = q· Полярность диэлектриков H+H+ O 104° p0 H+H+ C+C+O p=0 O

Основные характеристики, описывающие поведение диэлектриков в электрических полях: 1. Электропроводность γ (ρ) 2. Поляризация ε 3. Диэлектрические потери tgδ 4. Электрическая прочность E ПР

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ Е=0 Е ВН = IVIV ISIS Е ВН 0 Е

Изменение тока в диэлектрике при приложения постоянного напряжения I абс I скв I t

Удельное поверхностное сопротивление: S =1/ S = R S d/ [Ом] d U

Удельное объемное сопротивление V =1/ γ V = R V S/h [Ом·м] U d h образец измерительный электрод охранное кольцо

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ГАЗОВ В стационарном случае концентрация ионов n: n=n =n + = (N REC /α), N REC = αn n + – число рекомбинирующих ионов в 1м 3 ; α – коэффициент рекомбинации. В слабых полях удельная проводимость: γ = qn(µ +µ + ) µ и µ + – подвижность ионов Для воздуха (в слабых полях) α ~1, м 3 /с; γ ~ См/м

j E j НАС E КР 10 6 В/м несамостоятельная проводимость самостоятельнаяпроводимость(ударная ионизация) E Н 0.5В/м для воздуха при h=1см

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ЖИДКОСТЕЙ γ = qn(µ +µ + ) n = n 0 exp(W/kT) W – энергия диссоциации молекул; обозначим:a=W/k, A =n 0 (µ +µ + ); lnγ 1/T γ = Aexp(a/T)

lnγ 1/T собственная проводимость примесная проводимость В жидкостях рост γ (с ростом Т) связан не только с диссоциацией молекул, но и с уменьшением вязкости. Большое влияние оказывают примеси.

Для сильно полярных жидкостей (вода, этиловый спирт, ацетон) ρ = 10 3 ÷ 10 5 Омм Для слабо полярных жидкостей (совол, касторовое масло) ρ = 10 8 ÷ Омм Молекулы неполярных жидкостей (бензол, трасформаторное масло) диссоциируют слабо. Проводимость примесная: ρ ÷ Омм В коллоидах носителями заряда м.б. молионы, что используют при нанесении покрытий электрофорезом. Проводимость сильно зависит от полярности жидкости:

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ТВЁРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ с.н.з. – ионы Примесные ионы активируются легче, чем собственные: W r γ = qnµ

γ = Aexp(b/T), A = qn 0 µ 0 b = (W Д +W П )/k С изменением Т меняется n и µ с.н.з.: n = n 0 exp(W Д /kT) W Д – энергия диссоциации, необходимая для вырывания иона из кристаллической решётки µ = µ 0 exp(W П /kT) W П – энергия «перескока», необходимая для перехода иона из одного узла кристаллической решётки в другой

lnγ 1/T собственная проводимость примесная проводимость T Усиление диссоциации сушка Сухой диэлектрик ρ Проводимость увлажнённого диэлектрика Зависимость проводимости диэлектрика от температуры

Зависимость проводимости γ диэлектрика от напряжённости электрического поля Е. E КР 10 6 В/м E γ В сильных полях (при Е>Е КР ) выполняется закон Пуля: γ = γ 0 exp(β 1 E) Для ряда диэлектриков, как и для полупроводников, выполняется закон Френкеля: γ = γ 0 exp(β 2E)

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ Поляризацией называется процесс смещения упруго связанных зарядов или ориентация диполей под действием электрического поля. В результате поляризации в объеме диэлектрика возникает суммарный электрический момент P, отличный от нуля. Поляризованностью (вектором поляризации) P называется индуцированный электрический момент единицы объёма диэлектрика: P = dp/dV

ПОЛЯРИЗОВАННОСТЬ P Е=0 Е ВН = p Е ВН 0 Е p p=P=0 p=P0

Для линейных (не активных) диэлектриков: P = ε 0 χE, [Кл/м 2 ] χ – диэлектрическая восприимчивость (безразмерная величина) ε 0 = 8, Ф/м – диэлектрическая постоянная (абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума) ε a = ε 0 ε – абсолютная диэлектрическая проницаемость вещества ε = 1 + χ – относительная диэлектрическая проницаемость

Е ВН 0 Е p ε показывает во сколько раз ёмкость С конденсатора, между обкладками которого диэлектрик, больше ёмкости С 0 конденсатора, между обкладками которого вакуум. ε=Q/Q 0 =(Q 0 +Q d )/Q 0 =1+Q d /Q 0 всегда >1 Для конденсатора к обкладкам которого приложено напряжение U Q=CU и значит: ε=C/C 0.

ПО СПОСОБНОСТИ К ПОЛЯРИЗАЦИИ ДИЭЛЕКТРИКИ ПОДРАЗДЕЛЯЮТСЯ: 1. ПОЛЯРНЫЕ 2. НЕПОЛЯРНЫЕ H+H+ O 104° p0 H+H+ K+K+I p=0 C-C- H+H+ C-C-C-C- H+H+H+H+ H+H+H+H+ H+H+ ……

Различают 2 ВИДА поляризации: 1.БЫСТРЫЕ (упругие): Электронная, Ионная упругая, Дипольная упругая. 2.МЕДЛЕННЫЕ (неупругие, релаксационные): Ионно-релаксационная, Дипольно-релаксационная, Миграционная (междуслойная), Спонтанная. Малое время установления τ. Не приводят к потерям энергии при промышленных частотах. Большое время установления τ. Приводят к потерям энергии и нагреву диэлектрика.

ЭЛЕКТРОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ l а е =0 б Е е =q l Наблюдается во всех диэлектриках. τ ~ 10 –15 с. Не зависит от частоты электромагнитного поля вплоть до частот оптических колебаний. Не приводит к потере энергии поля.

ИОННАЯ УПРУГАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ , p=q( 2 – 1 ) E = 2, p~0 E=0 Характерна для ионных кристаллов с плотной упаковкой ионов (NaCl, LiF и т.п.). τ ~ 10 –13 с Не связана с потерями энергии и не зависит от частоты, вплоть до частот инфракрасного диапазона.

ИОННО-РЕЛАКСАЦИОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ Наблюдается в ионных диэлектриках аморфного строения (стекла, керамика и т.д.), в неорганических кристаллических диэлектриках с неплотной упаковкой ионов (рыхлого строения). Заключается в смещениях слабосвязанных ионов под действием внешнего электрического поля на расстояния, превышающие амплитуду ангармонических тепловых колебаний.

ДИПОЛЬНО-РЕЛАКСАЦИОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ Е В большинстве случаев ~ 10 6 –10 10 с.

При снятии приложенного Е ориентация дипольных моментов р нарушается хаотическим тепловым движением молекул, и суммарная поляризованность Р спадает с течением времени t: Р(t) = Р 0 ехр(–t/τ) Наблюдается в полярных газах, жидкостях и в некоторых твердых диэлектриках. В органических диэлектриках наблюдается ориентация не самой молекулы, а имеющихся в ней полярных радикалов по отношению к молекуле. Такую поляризацию называют дипольно-радикальной.

МИГРАЦИОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ (междуслойная, структурная) Перераспределение зарядов в слоистых диэлектриках (а) и диэлектриках с включениями (б). Е а 2 1 Е б Наблюдается в диэлектриках, содержащих проводящие и полупроводящие включения или слои с различной проводимостью, в композиционных материалах. Время установления: секунды, минуты и даже часы.

Спонтанная поляризация Возникает без внешних воздействий в активных диэлектриках в виде доменов. Сегнетоэлектрики: сегнетова соль NaKC 4 H 4 O 6 4 H 2 O; титанат бария BaTiO 3 ; нитрит натрия NaNО 2 и т.д. Наличие доменной структуры приводит к сильной поляризации во внешнем поле: ε > 1000

E EсEс 0 PsPs Цикл поляризации сегнетоэлектриков. -P s -E с Р S РBРB T TKTK Температурные зависимости спонтанной поляризованности Р S и диэлектрической проницаемости в сегнетоэлектриках.

По видам поляризационных процессов диэлектрики разделяют на: 1. Нейтральные и слабополярные, в основном электронная поляризация твёрдые – парафин, сера, ПЭ жидкие – бензол, трансформаторное масло газы – азот, водород 2. Полярные, электронная и дипольно-релаксационная поляризация органические жидкие, полужидкие и твёрдые вещества – компаунды, смолы, целлюлоза

3. Ионные кристаллы с плотной упаковкой, электронная и ионная (упругая) поляризация кварц, слюда, каменная соль, корунд, рутил, первоскит 4. Неорганические стёкла и керамика, электронная и ионно-релаксационная поляризация фарфор, микалекс 5. Неоднородные диэлектрики, в зависимости от состава – любые виды поляризации 6. Активные диэлектрики, сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики и т.д.

Зависимость от температуры для неполярных диэлектриков : Т электронная поляризация ионная поляризация Т ε f1f1 f2f2 f 2 > f 1 ТКε>0 так как с ростом Т возрастает поляризуемость ионов ТКε

Зависимость от температуры для полярных диэлектриков (дипольно-релаксационная поляризация) Т ε ω1ω1 ω2ω2 ω1

Зависимость ε от частоты приложенного переменного электрического поля ε f Неполярный диэлектрик ε f Полярный диэлектрик область дисперсии ε

Диэлектрическая проницаемость композиционных диэлектриков ε1ε1 h ε2ε2 Для параллельного соединения: С=С 1 +С 2 = 0 1 S 1 /h S 2 /h С= 0 S 1 +S 2 /h *=y y 2 2 y 1 =S 1 /(S 1 +S 2 ); у 2 =S 2 /(S 1 +S 2 ) объемные концентрации y 1 +у 2 =1

h 12 h h ε1ε1 ε2ε2 Для последовательного соединения: 1/С=1/C 1 +1/C 2 С 1 = 0 1 S/h 1 ; C 2 = 0 2 S/h 2 C= 0 S/(h 1 + h 2 ), обозначив y 1 = h 1 /(h 1 + h 2 ), y 2 = h 2 /(h 1 + h 2 ), получаем: 1/ = y 1 / 1 + y 2 / 2 или = 1 2 /(y y 2 1 ).

Для статистических смесей выполняется неравенство Винера: y i / i 1 y i i В 100%А 0% В а * А 0% А 100%В Для смеси с разным объемным содержанием компонентов А и В в смеси: 1 – модель параллельного подключения; 2 – модель последовательного подключения; 3 – статистическая смесь ТК В ТК А ТК * б % А 100%В 100%А 0% В

Существует несколько приближенных формул расчета ε* для статистических смесей. Чем ближе значения ε i друг к другу, тем точнее результат. lgε*=y i lgε i Формула Ландау-Лившица 3ε*=y i 3ε i y i = 1 Формула Лихтенекера-Роттера (логарифмический закон смешения) приводит к «арифметическому закону смешения» для температурных коэффициентов диэлектрической проницаемости. ТК * = y i ТК i

Диэлектрическими потерями называется энергия, рассеиваемая в диэлектрике при воздействии на него электрического поля Е и вызывающая нагрев диэлектрика. Диэлектрические потери наблюдаются как при переменном, так и при постоянном напряжении.

В постоянном поле: потери Р в диэлектрике обусловлены выделением тепла Джоуля при прохождении сквозного тока: Р = U 2 /R, R – сопротивление диэлектрика, U – приложенная разность потенциалов.

В переменном поле: U = U 0 sinωt U 0 – амплитуда, ω = 2 f – круговая частота переменного напряжения Энергия поля затрачивается на: 1.выделение тепла Джоуля; 2.медленные виды поляризации.

Векторная диаграмма токов в диэлектрике конденсатора j j СМ j0j0 j ПР δ φ Е j СМ =ε 0 εωE А/м 2 j ПР =γE А/м 2 j СМ j ПР jсjс jаjа = = = ε 0 εω γ tgδ Q = 1/tgδ

В «идеальном» диэлектрике ток проводимости I a =0. В переменном поле ток, протекающий через конденсатор – это ток смещения в диэлектрике I=I r. В «идеальном» диэлектрике ток I отстаёт по фазе от вектора напряжения Е на 90 о. В хороших диэлектриках угол сдвига фаз близок к 90 о.

Угол, дополняющий угол до 90 о : = 90 о. наз. углом диэлектрических потерь. Отношение активной и реактивной составляющих полного тока: tg = I a /I r, наз. тангенсом угла диэлектрических потерь, который м.б. определён экспериментально.

Потери на проводимость: Р = U 2 /R I a = U/R а => Р = U I a ; I a = I r tg => Р = U I r tg. I r = U ω С => Р = U 2 ω С tg Вт Чем больше tg изоляции, тем сильнее она нагревается в переменном поле. Для неоднородного диэлектрика или поля, формула даёт среднее значение потерь по всему объёму диэлектрика, или полные диэлектрические потери.

Удельными диэлектрическими потерями р называется мощность, рассеиваемая в данном единичном объёме диэлектрика. С = 0, = S/, U = Е р = Е 2 ω 0 tg Вт/м 3. Чем больше и tg, тем больше потери р в данном месте диэлектрика. tg – коэффициент диэлектрических потерь Е =1

Виды диэлектрических потерь 1. Потери на сквозную электропроводимость. 2. Потери на медленные виды поляризации. 3. Потери на неоднородность структуры диэлектрика. 4. Ионизационные потери. 5. Резонансные потери.

10 4 tg скв f T1T1 T2>T1T2>T1 Диэлектрические потери на сквозную электропроводимость наблюдаются во всех диэлектриках При >10 10 Ом·м и f >10 кГц, tg скв < Потери существенны лишь при ° С) и при снижении (увлажнение).

Р Т – потери при Т; Р 0 – потери при Т= 0 о С (или 20 о С); – постоянная, определяемая свойствами диэлектрика tg скв T С ростом Т потери экспоненциально возрастают из-за роста проводимости γ: Р Т = Р 0 exp( T)

Диэлектрические потери на медленные виды поляризации проявляются в полярных диэлектриках и только в переменных электрических полях Работа, синусоидального поля Е на поляризацию единицы объема диэлектрика за один период определяется интегралом по замкнутому контуру Р(Е) и равна площади петли Р(Е): = PdE

Если

Если >>1/f, (область очень высоких частот поля), то поляризация не успевает установиться за полупериод изменения Е, Р=0 и PdE=0. >>1/f Р Е 0

Если 1/f, то Р отстает по фазе от Е, и PdE >0. На поляризацию затрачивается энергия поля E, переходящая в диэлектрические потери. Р Е 0 Условие максимума потерь: 1/f В области частот f 1/ наблюдается зависимость ε от частоты, называемая диэлектрической дисперсией.

Время установления τ релаксационных видов поляризации уменьшается с ростом температуры => с ростом Т максимум диэлектрической дисперсии смещается в область более высоких частот электрического поля. tg T ' T 1 2 3

T tg П IV III II I НП tg f I II III П НП Диэлектрические потери в полярных диэлектриках складываются из потерь на электропроводность и релаксационных потерь. Зависимости tgδ от Т и f для полярного (П) и неполярного (НП) жидкого диэлектрика:

Диэлектрические потери на неоднородность структуры характерны для композиционных диэлектриков и диэлектриков с примесями (в том числе и проводящими) гетинакс, текстолит, слюдопласты, керамика, компаунды, пропитанные материалы и т.д. Миграционная поляризация обусловлена миграцией зарядов в проводящих включениях и их накоплением на границах неоднородностей. Время установления τ очень велико.

Для композиционных материалов, состоящих из хороших диэлектриков, частота релаксации f р < 1 Гц и миграционные потери малы даже на промышленной частоте (50 Гц). Если в диэлектрике есть проводящие включения, то f р оказывается в области рабочих частот и миграционные потери необходимо учитывать. Так, при увлажнении tgδ диэлектрика возрастает, так как проводимость воды велика.

В случае миграционной поляризации, как и дипольной, возникает интервал времен релаксации, что приводит к увеличению частотного интервала миграционных потерь. Причина: неодинаковые свойства основной среды и проводящих включений диэлектрика, неодинаковая форма и ориентация включений. С ростом Т удельная проводимость γ растет экспоненциально, поэтому частота релаксации и максимума миграционных потерь повышается с ростом температуры.

в пористых диэлектриках при повышении напряжения сверх порога ионизации U ион Ионизационные диэлектрические потери Е Ионизационные потери: Р ион =Аf(U U ион ) 3, А – постоянная зависящая от свойств газа в порах; f – частота приложенного электрического поля; U – приложенное напряжение.

чем меньше приращение tg из-за ионизационных потерь (tg ион ) и чем при более высоких напряжениях U ион начинается рост tg, тем выше качество изоляции высокого напряжения кривая ионизации диэлектрика U U ион tg ион tg 0

Резонансные диэлектрические потери Наблюдаются во всех диэлектриках. Происходят при дисперсии резонансного характера, когда частота электрического поля приближается к частотам собственных колебаний электронов или ионов.

Резонансные потери электронной поляризации имеют максимумы в оптическом диапазоне: инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра (на частотах –10 17 Гц). С ними связано поглощение света веществом. Потери сопровождаются частотной зависимостью показателя преломления и максимальны в области т.н. «аномальной» дисперсии, где снижается с ростом.

Максимумы резонансных потерь ионной поляризации наблюдаются в инфракрасном диапазоне на частотах –10 14 Гц. В веществах с высокой ε, а также в стеклах и ситаллах, где есть слабо связанные ионы, частоты ионного резонанса могут быть ниже ( Гц). В этом случае начало резонансного максимума потерь захватывает диапазон СВЧ (10 9 –10 10 Гц).

Полный диэлектрический спектр р = р скв + р д + р ион + р рез + р миг tgδ

Пробой диэлектриков Образование в диэлектрике электропроводящего канала под действием электрического поля называют пробоем. Пробой может быть полным, неполным, частичным, поверхностным.

Пробивным напряжением Uпр называется минимальное приложенное к образцу диэлектрика напряжение, приводящее к его пробою. I 0U пр U Вольтамперная характеристика электрической изоляции:

Отношение Uпр к номинальному напряжению, называют коэффициентом запаса электрической прочности. При длительном воздействии электрического поля высокой напряженности происходит электрическое старение изоляции, в результате чего U ПР снижается. Кривую зависимости U ПР от времени приложения напряжения называют кривой жизни электрической изоляции.

Uпр зависит от времени приложения напряжения. При медленном увеличении напряжения, Uпр называют статическим пробивным напряжением. При воздействии импульсов – импульсным пробивным напряжением. Отношение импульсного пробивного напряжения диэлектрика к статическому называют коэффициентом импульса, который > 1.

Электрическая прочность – напряженность однородного электрического поля, приводящая к пробою: E ПР = U ПР / h

Пробой газов В поле E, заряженные частицы между двумя соударениями приобретают энергию W=qlE. Если W Wи, то возможен пробой, где Wи энергия ионизации молекулы газа. Начальная напряженность поля Е НАЧ – значение напряженности, при которой в данном газе (при данных Р и Т) начинается ударная ионизация. Пробой газа зависит также от степени однородности электрического поля.

Лавинный механизм пробоя газа – ударная ионизация Лавинный пробой развивается относительно долго, более 1мкс, и не характерен для импульсных напряжений. Лавинно-стримерный пробой, при длине промежутка 1 см, развивается 10 –7 –10 –8 сек.

Катод A B C D Распространение первичной лавины Распространение стримера Лавинно-стримерный механизм пробоя газа – совместное действие поля пространственного заряда лавины и фотоионизации в объеме газа. Стример – скопление ионизованных частиц, намного превосходящее лавину по степени ионизации. Одновременно с ростом стримера, направленного к аноду, образуется лавинный поток положительно заряженных частиц, направленный к катоду.

Зависимость Е ПР газа от давления Р и расстояния между электродами h в однородном поле: Е ПР 0Р1 атм Е ПР, МВ/м h, мм ,1 0,01 1 f=50Гц T=20 о С Р=1атм

Эмпирический закон Пашена: если длина разрядного промежутка h и давление газа р изменяются так, что h·р=const, то и U ПР =const. Т.е. U ПР газов является функцией произведения рh.

В неоднородном поле: В местах, где Е достигает критических значений, возникают частичные разряды в виде короны. При возрастании напряжения корона переходит в искровой разряд и дугу. Величина U ПР газа зависит от расстояния между электродами, от полярности электродов и от частоты поля.

Зависимость U ПР воздуха от расстояния между электродами: При положительной полярности на игле, U ПР меньше, чем при обратной полярности. Это объясняется образованием у иглы положительного объемного заряда, содействующего развитию пробоя. U пр.мах кВ h, см 04 – + – +

В отличие от пробоя газа в однородном поле, в неоднородном поле при высоких частотах U ПР меньше, чем при постоянном напряжении или напряжении технической частоты. При высоких частотах напряжение появления короны, почти совпадает с U ПР. В этом случае U ПР слабо возрастает с увеличением расстояния между электродами.

Зависимость U ПР воздуха от расстояния между электродами в неоднородном поле при разных частотах U пр.мах кВ h, см f=50 Гц f=3.8·10 5 Гц При н.у., постоянном напряжении и расстоянии между электродами 1см электрическая прочность воздуха Е ПР =3МВ/м.

Пробой жидких диэлектриков Механизм пробоя и электрическая прочность жидких диэлектриков зависят от чистоты. При кратковременном воздействии, пробой тщательно очищенных жидкостей связан с: ударной ионизацией и холодной эмиссией с катода. Е ПР ~ 100 МВ/м, на 2 порядка выше, чем у газов. В загрязненных и технически чистых жидкостях пробой связан с движением и перераспределением частиц примесей.

Пробой жидкого диэлектрика с эмульгированной влагой (теория Геманта). Критерий Геманта: пробой происходит, когда межэлектродное пространство перекрыто каплями на 60 70%. Е

Пробой жидкого диэлектрика с твёрдыми примесями (теория А.Ф. Вальтера) Е

Пробой твердых диэлектриков Механизмы пробоя: электрический, электротепловой, электрохимический, ионизационный.

Электрический пробой обусловлен ударной ионизацией или разрывом связей между частицами диэлектрика под действием электрического поля Наблюдается в однородных диэлектриках с малым tgδ. Время пробоя < с. Е ПР = МВ/м

0h E пр E пр. max 0 Т E пр Е ПР определяется строением диэлектрика (плотностью упаковки, прочностью связей атомов). Е ПР практически не зависит от внешних факторов: температура, частота приложенного напряжения, форма и размеры образца.

Тепловой пробой возникает, когда количество тепла, выделенного в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает количество рассеиваемого тепла. Нарушение теплового равновесия ведет к разогреву материала, расплавлению, растрескиванию, обугливанию и к разрушению диэлектрика.

Условие теплового равновесия : P п =P p. Мощность, выделяемая в диэлектрике: P п = U 2 ω C tg δ. Тепло, отводимое от образца: P p = k S (T – T 0 ), k – коэффициент теплоотдачи.

В отличие от электрического пробоя, напряжение теплового пробоя зависит от частоты как f – (1/2). Т.о.,U пр снижается на высоких частотах. tg δ соответствует критической температуре Т кр, при которой выполняется P п =P p.

С ростом Т электрическая прочность Е прТ при тепловом пробое уменьшается, т.к. U прТ теплового пробоя снижается за счет роста tgδ и ухудшения теплоотвода. U npЭ U npТ U np f kp f T T kp U прТ > U прЭ электрический пробой U прТ < U прЭ тепловой пробой С изменением f или T может изменяться механизм пробоя диэлектрика. f кр (или Т кр ), зависит от свойств диэлектрика, условий теплоотвода, времени приложения напряжения, скважности импульсов.

0h E пр При увеличении толщины диэлектрика h, U прТ возрастает. Количество выделяемого тепла пропорционально объему диэлектрика, а количество отводимого тепла пропорционально площади теплообмена. Поэтому при увеличении толщины h, нагрев диэлектрика за счет потерь возрастает быстрее, чем отвод тепла. При тепловом пробое электрическая прочность Е прТ с ростом h уменьшается.

Электрохимический пробой наблюдается при длительном приложении напряжения. Под действием Е, Т, кислорода в диэлектрике идет окисление, разрыв связей и другие процессы, приводящие к его старению. Образующиеся низкомолекулярные вещества (щёлочи, кислоты, окислы азота, озон и др.), взаимодействуют с веществом диэлектрика и ускоряют процессы старения. Электрическое старение особенно существенно при воздействии постоянного напряжения. Характеристикой является время жизни электрической изоляции или кривая жизни.

Ионизационный пробой Обусловлен ионизационными процессами из-за частичных разрядов в диэлектрике. Характерен для диэлектриков с воздушными включениями. При больших напряженностях поля в воздушных порах возникает ионизация воздуха, образование озона, ускоренных ионов, выделение тепла. Эти факторы приводят к разрушению изоляции и снижению Епр.

Наряду с объемным возможен и поверхностный пробой: пробой в жидком или газообразном диэлектрике, прилегающем к поверхности твердой изоляции. Так как Е пр жидкостей и газов ниже Е пр твердых диэлектриков, то пробой в первую очередь будет происходить по поверхности диэлектрика. Чтобы исключить поверхностный пробой, поверхность изоляторов делают гофрированной, а в конденсаторах оставляют не металлизированные закраины диэлектрика. Поверхностное Uпр также повышают путем герметизации поверхности электрической изоляции лаками, компаундами, жидкими диэлектриками с высокой Е пр.