Эти процессы медленные и могут продолжаться секунды и даже часы, и поэтому поляризация возможна на низких частотах.

Самопроизвольная (спонтанная) поляризация. Такая поляризация свойственна сегнетоэлектрикам.

Классификация диэлектриков по виду поляризации:

Неполярные - не содержащие электрических диполей, способных к неориентации во внешнем электрическом поле. Им свойственна электрическая поляризация. К ним относятся: полистирол, полиэтилен, фторопласт-4, бензол, воздух и т.п.

Полярные - содержат электрические диполи, которые способны к переориентации. Наблюдается как электронная, так и дипольно-релаксационная поляризации. Они обладают пониженными электрическими свойствами и применяются в качестве электроизоляционных материалов в области низких частот. К ним относятся: органическое стекло, фторопласт -3, лавсан и др.

Диэлектрики с ионной структурой. К ним относятся твердые неорганические диэлектрики с выше перечисленными поляризациями и делятся по потерям на 2 группы:

1) кварц, слюда, корунд, рутил и др., с электронной и ионной видами поляризаций;

2) стекло, керамика, микалекс и др., с электронной, ионной и релаксационной поляризацией;

3) сегнетоэлектрики - диэлектрики, обладающие спонтанной поляризацией - титанит бария, стронция, сегнетовая соль.

2.2 Электропроводность диэлектриков, диэлектрические потери, диэлектрическая проницаемость, электрическая прочность, виды пробоя в диэлектриках

За счет поляризации диэлектрика происходит уменьшение в нем поля по сравнению с первоначальным значением внешнего поля, так как часть линий напряженности пройдет сквозь диэлектрик, а другая - оборвется на связанных зарядах диэлектрика.

Поэтому напряженность внутри диэлектрика равная

,

где - это диэлектрическая проницаемость среды (диэлектрика) и показывает, во сколько раз диэлектрик ослабляет действие внешнего электрического поля и характеризует поляризованность диэлектрика. Значение может принимать различные значения от нескольких единиц до десятков тысяч.

Значение зависит от температуры частоты и виды поляризации, частоты, давлении, влажности.

Электропроводность. В твердых диэлектриках представляет собой сумму токов:

,

где - ток смещения, обусловлен электронной и ионной поляризации, он проходит в очень малые промежутки времени (с);

- ток абсорбции, обусловлен перераспределением свободных зарядов в объеме диэлектрика. Часть носителей встречает на своем пути ловушки захвата - дефекты решетки, захватывающие и удерживающие носители. Со временем, когда все ловушки заполняются, ток абсорбции прекращается;

- сквозной ток, обусловленный объемным сопротивлением диэлектрика и поверхностным, так как в любом диэлектрике имеется небольшое количество свободных электронов, за счет примеси.

Диэлектрические потери. Понимают электрическую мощность поглощаемую диэлектриком при воздействии на него электрического поля. Она рассеивается в диэлектрике, превращаясь в тепло. Они в основном обусловлены сквозным током. При высоких напряжениях и частоты потери могут возникать за счет ионизации газов внутри диэлектрика.

Потери возникают как на постоянном так и на переменном.

Для расчета потерь используют соотношение

,

где - угол диэлектрических потерь, который определяет соотношение между резистивной и реактивной составляющими тока. Чем меньше , тем лучше диэлектрик. ? 0,0001 - 0,01.

Пробой диэлектриков. Явление образования в диэлектрике проводящего канала под действием электрического поля называется пробоем. Различают два вида пробоя: полный и неполный.

Полный - если проводящий канал проходит от одного электрода к другому и замыкает их.

Частичный (неполный), если пробивается лишь газовое или жидкое включение твердого диэлектрика.

Поверхностный пробой - который возможен в твердых диэлектриках.

Пробивное напряжение диэлектрика зависит от толщины диэлектрика.

,

где - электрическая прочность;

h - толщина диэлектрика.

Значение зависит от формы электродов, времени прохождения под напряжением, вида напряжения, частоты, температуры, влажности.

Физические процессы пробоя в разных случаях различны. Различают несколько механизмов пробоя: электрический, тепловой, электрохимический, ионизационный, электромеханический.

Электрический пробой - обусловлен ударной ионизацией или разрывом связей между частицами диэлектрика непосредственно под действием электрического поля. Электрический пробой обусловлен внутренним строением диэлектрика (плотностью упаковки атомов, прочностью и связей) и слабо зависит от внешних факторов (температуры, формы образца его размеров, частоты напряжения). Длится процесс микросекунды и менее, а в пределах 100 - 1000 МВ/м.

Тепловой пробой. Обусловлен нарушением теплового равновесия диэлектрика вследствие диэлектрических потерь. Мощность, выделяющаяся в образце равна:

Р_n = U²щC

Тепловая мощность, отводимая от образца, пропорциональна площади теплоотвода S и разности температур Т и окружающей среды То.

Р_р = кS(T-T°),

где к - коэффициент теплоотдачи.

Условие теплового равновесия является Р_n = Р_р, но так как обычно растет с повышением температуры, то, начиная с некоторой критической Ткр, значение Р_n > Р_р В результате превышения тепловыделения над теплоотдачей диэлектрик лавинообразно разогревается, что приводит к разрушению.

Напряжение теплового пробоя отличается от напряжения электрического пробоя и зависит от частоты.

где А - постоянная.

С повышением f U_пр уменьшается, аналогично и от изменения температуры, за счет роста .

По указанным причинам изменяется механизм пробоя: при низких f или Т, когда U_{пр.тепл} велико, происходит электрический пробой, а при высоких f или Т, U_{пр.тепл}. Снижается до значений, меньших значений U_{пр.электр}, пробой становится тепловым. Отмечается fкр и Ткр происходит этот переход от электрического к тепловому и зависят от диэлектрика, условий теплоотвода, времени приложения U, скважности импульсов.

Электрохимический пробой. Обусловлен химическими процессами, приводящими к изменениям в диэлектрике под действием электрического поля, так как приводит к «старению», и определяется временем жизни изоляции.

Ионизационный пробой. Он обусловлен ионизационными процессами вследствие частичных разрядов в диэлектрике. Особенно это характерно для диэлектриков с воздушными включениями (бумага).

При больших Е и воздушных порах возникает ионизация воздуха, образуется озон, ускоряются ионы, что приводит к выделению тепла, что снижает Е_пр. При этом возможен и поверхностный пробой. Чтобы его не допустить необходимо: удлинять возможный путь разряда по поверхности. Для этого поверхность изоляторов делают гофрированной, в конденсаторах оставляют неметаллизированные закраины диэлектрика, поверхности покрывают лаками, компаундами, жидкими диэлектриками с высокой Е_пр.

Пробой неоднородных микроскопических диэлектриков. Большинство диэлектриков состоят из нескольких слоев обладающих разными электрическими свойствами и имеют больше или меньше количество пор. Например: намоточные изделия, керамические диэлектрика (керамика и стекло).

Если приложить к такому диэлектрику U, то напряженность в отдельных слоях будет отличаться от среднего значения Е_ср = U (h₁ + h₂). Поэтому, если произойдет пробой одного слоя, то это вызовет пробой всего образца.

Чем меньше размер пор в диэлектрике, тем более высокое U нужно приложить к образцу, чтобы вызвать разряды в порах. Для этого пористые диэлектрики заполняют жидким или твердеющим электроизоляционным материалом. У кабельной бумаги Е_пр = 3-5 МВ/м, для пропитанной компаундом Е_пр = 40 - 80 МВ/м.

2.3 Сегнетодиэлектрики

Сегнетодиэлектриком называют диэлектрик, обладающий спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено внешними воздействиями, например, электрическим полем.

Особенности сегнетодиэлектриков:

1 Обладают доменной структурой. Домен - это макроскопическая область, имеющая пространственно - однородное упорядочение дипольных моментов элементарных кристаллических ячеек. В отсутствие внешнего электрического поля дипольные моменты в доменах ориентированы равновероятно по всем направлениям, что вызывает их взаимную компенсацию.

При воздействии электрического поля дипольные моменты доменов ориентируются преимущественно в направлении поля, что вызывает эффект очень сильной поляризации, а следовательно, высокое и сверхвысокое значение диэлектрической проницаемости.

2 Сильная зависимость Е от температуры (с максимумом при Т°, называемой сегнетоэлектрической точкой Кюри) и сверхвысокое значение диэлектрической проницаемости.

3 Поляризация связана с достаточно большими затратами энергии. В переменном поле имеет место гистерезис.

4 Сильная зависимость Е и диэлектрических потерь от частоты, особенно на СВЧ.

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация возникает под влиянием внутренних процессов, без внешних воздействий. Зависимость поляризованности от Е нелинейная и при циклическом изменении Е вид кривой является петля гистерезиса. По значению коэрцитивной силы подразделяются на сегнетомягкие и сегнетотвердые.

Важный параметр - сегнетоэлектрическая точка Кюри - температура, при которой возникает (при охлаждении) или возникает (при нагреве) спонтанная поляризация. При достижении точки Кюри происходит фазовый переход из сегнетоэлектрического состояния в параэлектрическое, когда Р_s = 0. При этом изменяется симметрия кристалла, параметры элементарной ячейки, а диэлектрические, упругие, пьезоэлектрические, электрооптические характеристики имеют резкие максимумы.

В сегнетодиэлектриках с фазовым переходом первого рода спонтанная поляризация в точке Кюри изменяется скачком, что характеризуется наличием температурного гистерезиса и выделение скрытой теплоты. В сегнетоэлектриках с размытым переходом, в которых нет определенной точки перехода, наблюдается широкая область температур, где Р_s постоянно уменьшается. В этой области существуют обе фазы - сегнето- и параэлектрическая.

По виду поляризации подразделяются на ионные и дипольные. Ионные - представляют собой кристаллы со значительной степенью ионной связи. Наблюдается спонтанная поляризация.

Дипольные - в них существуют постоянные электрические диполи или дипольные группы.

Параметры сегнетодиэлектриков меняются в широких пределах от -273°С до +1200°С, а Е изменяется от единиц до десятков тысяч.

Применение:

- Конденсаторная сегнетокерамика - для изготовления конденсаторов (низкочастотных) большой емкости (титанат бария ВаТiО₃).

- Нелинейная сегнетокерамика - специальный конденсатор - вариконд, емкость которого зависит от напряжения. Используются: в вычислительной технике (запоминающее устройство), бесконтактных переключателях, преобразователях частоты, усилителях, стабилизаторах.

- Терморезистивная - (относится к полупроводникам) отличается позисторным эффектом, в резком возрастании проводимости при повышении температуры. Этот эффект наблюдается в определенном интервале температур. Изготовляют терморезисторы позисторы (стабилизаторах тока, термостатах, регулировки температур и измерения и т.д.).

2.4 Пьезоэлектрики

Это твердые, сенизотропные кристаллические вещества, поляризующиеся под действием механических напряжений. В них возникают прямой и обратный пьезоэффекты.

Прямой пьезоэлектрический эффект - образование электростатических зарядов на поверхности диэлектрика и электрической поляризации внутри его, происходящие в результате воздействия механических напряжений.

Поляризация

P=dу [Кл/м²],

где d - коэффициент пропорциональности, называемый пьезоэлектрическим модулем или пьезомодулем.[Кл/Н];

у - механическое напряжение [Н/м²].

Рисунок 2.2 - Прямой пьезоэффект

Под воздействием механического напряжения работа внешней силы затрачивается на деформацию материала и его поляризацию (эффект был открыт в 1880 г.), на поверхности кристалла появляются электрические заряды, такие материалы называют пьезоэлектрическими.

Применение: преемники ультразвука, датчики деформации, звукосниматели.

Обратный пьезоэффект. Под воздействием внешнего источника с напряжением U затрачивается энергия на заряд ёмкости пьезоэлемента (CU²/2) и на его деформацию. При этом амплитуда механических колебаний будет меняться с частотой переменного электрического тока; при совпадении частоты поля с собственной частотой пьезоэлектрика амплитуда приобретает максимальные значения.

Используется для преобразования электрических сигналов в механические (акустические излучатели, генераторы ультразвука).

Пироэлектрики. Пироэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика при однородном по его объёму нагреве или охлаждении.

Рисунок 2.3 - Пироэлектрический эффект

При изменении температуры пироэлектрик поляризуется, т.е. на противоположных сторонах его возникают разноимённые заряды. Это возможно в веществах, обладающих спонтанной или остаточной поляризацией, когда имеющаяся поляризованность зависит от Т⁰. Благодаря электропроводности связанные поляризационные заряды обычно скомпенсированы свободными зарядами противоположного знака, они обведены кружками, и наличие поляризации не проявляется. При нагреве или охлаждении значение Р изменяется (исчезновение Р изображено исчезновением нескольких диполей) и часто свободных зарядов освобождается. Эти освободившиеся свободные заряды и обнаруживаются внешним индикатором как пироэлектрическая поляризация, являющаяся функцией температуры.

Пироэлектрики обладают и обратным электроколорическим эффектом, т.е., их температура изменяется при поляризации. Применяются в детекторах оптических сигналов и в тепловых датчиках, а также делают решётки для приёма изображения.

Материалы - турмалин, сульфат лития, виннокислый калий.

Пироэффектом обладают и сегнетоэлектрики: LiNbO₃ и LiTaO₃.

2.5 Активные диэлектрики

Называются диэлектрики, предназначенные для генерации, усиления, модуляции и преобразования электрических сигналов.

В обычных пассивных диэлектриках применяют электроизоляционные материалы, и используется явление поляризация, индуцируемая внешним полем.

В активных диэлектриках используется широкий круг свойств и взаимодействие (см. рисунок 2.4). Прямые взаимодействия между «внешними» свойствами диэлектрика (механическое напряжение ф, напряженности Е и Н, температуры) и его «внутренними» свойствами (поляризации Р, плотности тока, намагниченность, деформация, энтропия).

Важную роль играют связи между различными группами свойств - это пьезоэлектрические, пироэлектрические, сегнетомагнитные, магнитострикционные и др.

В активных часто используют нелинейность связей между поляризацией и Е, или другими величинами. Иногда важнейшими свойствами оказываются спонтанная поляризация, возникающая, при Е = 0 (сегнетоэлектрики), спонтанная деформация (сегнетоэластики), спонтанная намагниченность (ферромагнетики).

Широко используются в технике различные перекрестные взаимодействия, показанные на рисунке 2.4 пунктирными линиями. Так, управление величиной е с помощью температуры, давления или магнитного поля может служить основой для создания датчиков соответствующих параметров.

Рисунок 2.4 - Виды взаимодействий в активных диэлектриках

Воздействие электрического поля на упругие константы применяют в электрически управляемых фильтрах и линиях задержки, в параметрических усилителях акустических сигналов. Если в обычных диэлектриках наличие активной составляющей тока нежелательно, то в некоторых активных диэлектриках используется именно переход («переключение») из непроводящего состояния в проводящее и обратно (позисторы, варисторы, полупроводниковые стекла). В сегнетоэлектриках-полупроводниках удельное сопротивление с зависит от поляризованности Р, а в пьезополупроводниках - от деформации х, что может служить основой для создания новых приборов радиоэлектроники (запоминающие устройства, акустические усилители).

Рассмотрение активных диэлектриков начнем с сегнетоэлектриков, у которых указанные на рисунке 2.4 взаимодействия выражены наиболее сильно.

Вывод. При отсутствии внешнего поля сегентодиэлектрики представляет собой как бы мозаику из доменов - областей с различными направлениями поляризованности.

Рисунок 2.5 - Титанат бария, где знаки , и стрелки указывают направление вектора Р

Так как в смежных доменах направления различны, то в целом дипольный момент равен нулю. При внешнем электрическом поле происходит переориентация дипольных моментов доменов по полю, а возникающее при этом суммарное электрическое поле доменов будет поддерживать их некоторую ориентацию и после прекращения действия внешнего электрического поля.

Электрические свойства сильно зависят от t⁰. Для каждого сегмента определенная температура выше которой его необычные свойства исчезают. Это температура называется точкой Кюри. Как правило, они имеют одну точку, исключение составляют: сегнетовая соль и аморфные с нею соединения. Превращение в обычный диэлектрик происходит в точке Кюри, сопровождающий фазовым переходом второго рода (скачкообразным изменением теплоемкости).

В сегнетоэлектриках наблюдается явление диэлектрического гистерезиса (запаздывания). С увеличением Е растет Р, достигая насыщения. С уменьшением Е уменьшает Р, но по другой кривой, и при Е=0 сохраняется остаточная поляризованность Р₀, т.е. он остается поляризованным при Е=0.

Широко применяют в:

1) электретах - сохраняющие достаточно длительное время поляризованность после Е = 0 (это аналог постоянного магнита);

2) варикапах;

3) позисторах;

4) в запоминающих устройствах;

5) генераторах и приемников СВЧ.

2.6 Электропроводность газообразных диэлектриков

К ним относятся: воздух, азот, кислород, водород, элегаз (SFu), метан, аргон, неон, и др.

Достоинства изоляции:

-высокое удельное сопротивление;

-близкую к единице (малую) диэлектрическую проницаемость;

-малый тангенс угла потерь.

Недостаток - низкая электрическая прочность, которая зависит от: давления, температуры, формы электродов, расстояния между ними, материала электродов, приложенного U,плотности газа, рода газа.

Газ при обычных условиях состоит из нейтральных атомов и молекул и не содержит свободных электронов и ионов.

Газ становится проводником электричества, когда некоторая часть его молекул ионизируется, т.е. произойдет расщепление нейтральных атомов и молекул на ионы и электроны. Под воздействием какого-либо ионизатора происходит вырывание из атома или молекулы одного или нескольких электронов, что приводит к образованию свободных электронов и положительных ионов.

Электроны могут присоединяться к нейтральным молекулам и атомам, превращая их в отрицательные ионы.

Следовательно, в ионизированном газе имеются положительные и отрицательные ионы и свободные электроны.

Ионизирующие факторы: сильный нагрев, короткие электромагнитные излучения (ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение), корпускулярное излучение (потоки электронов, протонов, альфа-частиц).

Для того, чтобы выбить электрон, необходимо затратить энергию, равную энергии ионизации = 4-25эВ.

Одновременно с процессом ионизации газа идет обратный процесс - рекомбинации.

Рисунок 2.6 - Зависимость тока от напряжения

На участке ОА ток возрастает пропорционально напряжению. На участке АВ рост тока замедляется и затем прекращается (участок ВС).

Это происходит в том случае, когда ионы и электроны, создаваемые внешним ионизатором за единицу времени, за это же время достигают электродов. Получается ток насыщения. Если прекратится действие ионизатора, то ток исчезнет.

На участке CD ток начинает увеличиваться с увеличением U, а затем резко возрастает из-за ударной ионизации.

При больших U_пробоя сильно ускоренные электроны, сталкиваясь с нейтральными молекулами, ионизируют их, образуются вторичные электроны и положительные ионы которые движутся: ионы к катоду, а электроны - к аноду. Вторичные электроны вновь ионизируют молекулы газа, и, следовательно, общее количество носителей возрастает лавинообразно - это ударная ионизация.

Но этого не достаточно для поддержания разряда при удалении внешнего (DE) фактора. Необходимо для поддержания лавины «воспроизводить» электроны. Для этого необходимо:

-чтобы ускоренные положительные ионы ударяясь о катод, выбивали бы из него электроны;

-положительные ионы, сталкиваясь с молекулами газа, переводили бы их в возбужденное состояние, а переход сопровождался испусканием фотона;

-фотон, поглощается нейтральной молекулой, ионизирует ее, т.е. происходит процесс фотонной ионизации молекул;

-электроны, ударяясь о анод, должны выбивать электроны;

-при повышении U наступает момент, когда положительные ионы приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа и к катоду устремляются ионные лавины. Происходит увеличение тока почти без увеличения U, наступает самостоятельный разряд, а напряжение в этот момент называется напряжением пробоя.

4 вида самостоятельного разряда:

Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Применяется: в газосветных лампах, лампах дневного света, для катодного напыления металлов. Катод, сильно нагреваясь, за счет попадания положительных ионов, переходит в парообразное состояние. Помещая вблизи катода различные предметы, их покрывают равномерным слоем металла.

Искровой разряд возникает при больших напряженностях электрического поля ~ 3*10⁶ В/м в газе и давлении ~ атмосферному.

Используется: в двигателях внутреннего сгорания для воспламенения горючей смеси, искровых разрядников, для электроискровой точной обработки металлов (резанья, сверления), в спектральном анализе для регистрации заряженных частиц.

Дуговой разряд. Применяется: для сварки и резки металлов, получения высококачественных сталей, освещения, в выпрямителях.

Коронный разряд возникает вблизи острия при Е=30кВ/см, появляется свечение, имеющее вид короны.

Различают отрицательную и положительную короны, создают радиопомехи.

Применяют: в электрофильтрах для очистки промышленных газов от примесей, для нанесения порошковых и лакокрасочных покрытий.

Закон Пашека. Пробивное напряжение воздуха и других газов в электрическом поле является функцией произведения давления газа на расстояние между электродами:

Uпр=f (ph)

1 - воздух; 2 - азот; 3 - неон; 4 - элегаз

Рисунок 2.7 - Кривые Пашика для газов

С увеличением давления электрическая прочность газов увеличивается. При больших давлениях длина свободного пробега электронов мала, так как повышается концентрация молекул газа. Вследствие этого кинетическая энергия электронов недостаточна для ионизации молекул.

Возрастание электронной прочности ниже атмосферного, объясняется уменьшением числа молекул газа в единице объема и энергии электрона не хватает для ионизации.

Плазма и ее свойства. Плазмой называется сильно ионизированный газ, в котором концентрация положительных и отрицательных зарядов практически одинакова.

Плазму различают:

- высокотемпературную - возникает при высоких температурах;

- газоразрядную - возникающую в газе.

Свойства плазмы:

-высокой степенью ионизацией;

-большой электропроводностью и в основном ток создается электронами (наиболее подвижными частицами);

-свечением;

-сильным взаимодействием с электрическим и магнитным полями;

-колебаниями электронов в плазме с частотой ~ 10⁸Гц, вызывающими общее вибрационное состояние плазмы.

Эти свойства позволяют считать плазму как четвертое состояние вещества.

Применение. Низкотемпературная (<10⁵К) применяется в газовых лазерах, термоэлектронных преобразователях и магнитогидродинамических генераторах (тепло в эл. энергии), в плазменных ракетных двигателях, для резки и сварки металла.

2.7 Электролюминесценция, катодолюминесценция

Электролюминесценция - это излучения света под действием электрического поля или протекающего тока. При воздействии электрического поля на полупроводник (называемый люминофором) возникает ударная ионизация атомов электронами, за счет электрического поля, а также эмиссия электронов из центра захвата. Вследствие этого концентрация свободных носителей превысит равновесную и полупроводник окажется в возбужденном состоянии, т.е. в состоянии при котором его внутренняя энергия превышает равновесную при данной температуре.

Устройство электролюминесцентного излучателя (конденсатора): на металлическое основание напыляется тонкий слой (до 20 мкм) полупроводника (сульфида цинка), поверх него наносится тончайший, прозрачный для видимого света, слой металла. При подключении к металлическим слоям источника (постоянного или переменного) возникает зеленовато-голубое свечение, яркость которого пропорциональна значению U источника. Если в состав люминофора входит селенид цинка, то можно получить белое, желтое или оранжевое свечение.

Недостатки:

- низкое быстродействие;

- нестабильный параметр;

- невысокая яркость свечения;

- малый ресурс.

Электролюминесценция наблюдается и в полупроводниковых диодах, при протекании через диод тока, при прямом включении. При этом электроны переходят из n-области в p-область и там рекомбинируют с дырками. В зависимости от ширины запрещенной зоны фотоны имеют частоты в видимой или невидимой человеком части светового спектра, сделанных из кремния, излучают невидимый инфракрасный свет.

Для светодиодов используется материалы с шириной запрещенной зоны от 1,6 эВ до 3,1 эВ (это красный и фиолетовый цвет), а поэтому широко используется для создания цифровых индикаторов, оптронов, лазеров.

Преимущество:

- технологичность;

- высокое быстродействие;

- большой срок службы;

- надежность;

- микро миниатюрность;

- высокая монохроматичность излучения.

По конструкции светодиоды различают: инжекционные, полупроводниковые лазеры, суперлюминесцентные (занимающие промежуточные значения и применяют в ВОЛС), с управляемым цветом свечения.

ЗСИ - знакосинтезирующие индикаторы, - в которых изображение получают с помощью мозаики на независимо управляемых преобразователях «электрический сигнал-свет».

В ЗСИ используется свечение, возникающее в люминофорах помещенных в сильное электрическое поле. Конструктивно они представляют собой группу конденсаторов, у которых одна из обкладок выполнена прозрачной, а другая не прозрачной.

При подключении источника к обкладкам люминофор начинает светиться.

Если прозрачный электрод сделать той или иной формы, то зона свечения повторит форму. Цвет сечения зависит от состава люминофора. Используются в дисплеях.

Яркость свечения зависит от значения U и частоты: U=160-250В, f=300-4000Гц.

Потребляемая мощность сотые-десятые доли ватт, яркость 20-65кд/м².

Катодолюминесценция. При удалении из колбы газа (при давлении ? 1,3 Па) свечение газа ослабевают и начинают светиться стенки колбы. Почему? Электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, при таком разряжении редко сталкиваются с молекулами газа и поэтому, ускоренные полем, ударяясь о стекло, вызывает его свечение, так называемую катодолюминесценцию, а поток электронов, получил название катодных лучей.

Низковольтная вакуумная люминесценция. По механизму действия не отличается то высоковольтной и носит рекомендательный характер.

Сущность - люминофор бомбардируется электронами, которые возбуждают люминофор и приводят к нарушению термодинамического равновесия. Появляются электроны, энергия которых больше энергии для зоны проводимости, и дырки, имеющие энергию, меньшую потолка валентной зоны. В связи с неустойчивостью неравновесного состояния начинается процесс рекомбинации с излучением фотонов катодами, что сопровождается излучением.

Если рекомбинация будет осуществляться через ловушку, то через некоторое время носители могут вернуться на свои места, что увеличивает послесвечение.

Низковольтная люминесценция характеризуется:

- типом люминофора;

- глубиной проникновения в кристалле бомбардирующих электронов;

- используется низковольтное напряжение (единицы-десятки вольт);

- используются в вакуумных ЗСИ;

- напряжение накала = 5В;

- U_а = (20-70)В;

- Ток анода сегмент (1-3)мА.

Преимущества вакуумных ЗСИ:

- высокая яркость свечения;

- многоцветность;

- минимум потребления энергии;

- большое быстродействие.

Недостатки: необходимо иметь три источника питания, хрупкость конструкции.

Контрольные вопросы к теме 2

1 Понятие поляризации.

2 Виды поляризации.

3 Чем определяется электропроводность диэлектрика?

4 Указать виды электрического пробоя.

5 Указать особенности сегнетоэлектриков.

6 Пьезоэффект и его применение.

7 Указать виды газового разряд и их особенности.

8 Особенности электролюминесценции и катодолюминесценции.

ТЕМА 3. ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ПРОВОДНИКАХ

3.1 Классификация проводников

Особенности проводимости металлов, тепловое и дрейфовое движение электропроводимости.

В электронной промышленности широко применяются металлы и их сплавы, из которых делают проводники.

Классифицируются по агрегатному состоянию: газообразные, жидкие, твёрдые.

Газообразные - пары веществ и газы при напряжённости электрического поля, которое обеспечивает ионизацию молекул. В них электрический ток создаётся как электронами, так и ионами. Используются в газоразрядных приборах.

Жидкие - растворы различных солей, кислот, щелочей, а также их расплавы (электролиты). Ток связан с переносом ионов, при этом состав электролита изменяется, а на электродах, погружённых в электролит, происходит выделение вещества из раствора.

Твёрдые - это металлы, которые занимают в таблице Менделеева более 75%. Ток в них создаётся только электронами, а поэтому нет переноса вещества от одного электрода к другому.

По применению металлические материалы подразделяются:

- металлы высокой проводимости;

- сплавы высокого сопротивления.

Металлы высокой проводимости: серебро, медь, алюминий, железо, золото.

Сверхпроводники (при низких t⁰ C): алюминий, ртуть, свинец, ниобий, соединения с оловом, титаном, цирконием.

Сплавы высокого сопротивления:

- медно-марганцовые (манганин);

- медно-никелевые (константаны);

- железа, никеля и хрома (нихромы).

Электронная проводимость металлов

Элементы первой группы таблицы Менделеева одновалентны. Валентный электрон слабо связан со своим ядром и при любых внешних воздействиях разрывает связь с ядром и становится свободным. Поэтому в узлах кристаллической решётки находятся положительно заряженные атомы (ионы), а между ними перемещаются свободные электроны.

Ионы и электроны находятся в беспорядочном движении. Энергия этого движения представляет внутреннюю энергию тока.

Движение ионов, образующих решётку, состоит лишь в колебаниях около своих положений равновесия. Свободные электроны могут перемещаться по всему объёму металла. При отсутствии внутри металла электрического поля, движение электронов хаотично, в каждый момент скорости различных электронов различны и имеют всевозможные направления. Электроны подобны газу, поэтому их часто называют электронным газом.

Тепловое движение не вызывает никакого тока, так как вследствие полной хаотичности в каждом направлении будет двигаться столько же электронов, сколько в противоположном, и поэтому суммарный заряд, переносимый через любую площадку внутри, будет равен нулю.

Если на концах проводника создать разность потенциалов, т.е. создать внутри электрическое поле, то на каждый электрон будет действовать сила, каждый электрон получит дополнительные скорости, направленные в одну сторону. Движение станет направленным, т.е. будет электрический ток.

Вывод:

Хаотическое движение обусловлено воздействием внешних факторов (тепла). Направленное движение за счёт разности потенциалов называется дрейфовым.

Проводимость разных металлов различная, так как обусловлена:

- различным количеством свободных электронов в единице объёма;

- условиями движения электронов, связанных с различной длинной свободного пробега, т.е. пути, проходимого в среднем электроном между двумя соударениями с ионами.

На практике используют понятия: удельная проводимость и удельное сопротивление:

- удельная проводимость, МСu/м

- удельное сопротивление, Ом*мм² / м

= 1/ = 1/еn = 2m_т/е²n l_ср,

где е - заряд электрона = 1,6 * 10^-19;

n - количество свободных электронов;

- подвижность электрона, обусловленная электрическим полем;

m - масса электрона = 9,1 * 10^-31 кг;

_lср- средняя длина свободного пробега;

_т - средняя скорость теплового движения.

Значения _т, n, в различных проводниках примерно одинаковы, например:

n_меди= 8,5*10²⁸м^-3, n_алюм= 8,3*10²⁸м^-3, значение скорости теплового движения приблизительно _т = 10⁵ м/с.

Для каждого металла существует определённый температурный коэффициент сопротивления при изменении Т⁰ на 1⁰ С, отнесённый к 10м начального сопротивления ():

= R₂-R₁/ R₁(T₂-T₁) [1/⁰C],

где R₁ - сопротивление при T₁

R₂ - сопротивление при T₂

Отсюда

R₂ = R₁ [1+ (T₂-T₁)]

Это соотношение справедливо для температур 100-150⁰С.

3.2 Полукристаллические и аморфные металлы и сплавы

Поликристаллы состоят из мелких монокристаллов: медь, серебро, алюминий, натрий.

1 Медь

Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:

малое удельное сопротивление (из всех металлов только серебро имеет с несколько меньшее, чем медь);

достаточно высокая механическая прочность;

удовлетворительная коррозионная стойкость; медь окисляется на воздухе даже в условиях высокой влажности значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах (рисунок 3.3);

хорошая обрабатываемость; медь прокатывается в листы и ленты и протягивается в проволоку;

относительная легкость пайки и сварки.

Медь получают чаще всего путем переработки сульфидных руд. Медь, предназначенная для электротехнических целей, обязательно подвергается электролитической очистке, Полученные в результате электролиза катодные пластины меди переплавляют в болванки массой 80-90 кг, которые прокатывают и протягивают, создавая изделия требующегося поперечного сечения.

При изготовлении проволоки болванки сначала подвергают горячей прокатке в катанку диаметром 6,5-7,2 мм, которую затем протягивают без подогрева, получая проволоку нужных диаметров.

В качестве проводникового материала используют медь марок M_l и М_О. Медь марки M_l содержит 99,9% Сu, а в общем количестве примесей (0,1%) кислорода должно быть не более 0,08%. Наличие в меди кислорода ухудшает ее механические свойства. Лучшими механическими свойствами обладает медь марки М_О, в которой содержится не более 0,05% примесей, в том числе не свыше 0,02% кислорода. Из меди марки АЛО может быть изготовлена особо тонкая проволока (до диаметра 0,01 мм).

а - удельное сопротивление, мкОм*м; б - предел прочности при растяжении; в - относительное удлинение при разрыве

Рисунок 3.1 - Зависимости параметров меди от температуры отжига (при продолжительности отжига 1ч)

При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая благодаря наклепу имеет высокий предел прочности при растяжении, если удлинение мало, а также твердость и упругость; при изгибе проволока из твердой меди несколько пружинит.

Если же медь подвергнуть отжигу, т. е. нагреву до нескольких сотен градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая (отожженная) медь (ММ), которая сравнительно пластична, имеет пониженную твердость и небольшую прочность, но весьма большое удлинение при разрыве и (в соответствии с рассмотренными общими закономерностями) более высокую удельную проводимость.

Влияние отжига на свойства меди показано на рисунке 3.1. Изменение механических свойств - у _р и Дl/l при отжиге выражено сильнее, чем изменение с.

Электропроводность меди весьма чувствительна к наличию примесей (рисунок 3.2).

Твердую медь употребляют там, где надо обеспечить высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию: для контактных проводов, для шин распределительных устройств, для коллекторных пластин электрических машин и пр.

Мягкую медь в виде проволок круглого и прямоугольного сечения применяют главным образом в виде токопроводящих жил кабелей и обмоточных проводов, где важна гибкость и пластичность (отсутствие «пружинения» при изгибе), а прочность не имеет существенного значения.

Медь - сравнительно дорогой и дефицитный материал. Поэтому она должна расходоваться весьма экономно. Отходы меди на электротехнических предприятиях необходимо собирать; и важно не смешивать их с другими металлами, а также с менее чистой (не электротехнической) медью, чтобы можно было их переплавить и вновь использовать в этом качестве. Медь как проводниковый материал в ряде случаев заменяют другими металлами, чаще всего алюминием.

В отдельных случаях помимо чистой меди в качестве проводникового материала применяют ее сплавы с небольшим содержанием легирующих примесей: Sn, Si, P, Be, Cr, Mg, Ca и др. Такие сплавы, называемые бронзами, при правильно подобранном составе имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь.



Рисунок 3.2 - Влияние различных примесей на удельную проводимость г меди

у_р бронз может доходить до 800 - 1200 МПа и более. Бронзы широко применяют для изготовления токопроводящих пружин и т. п.

Введение в медь кадмия при сравнительно малом снижении удельной проводимости у дает существенное повышение механической прочности и твердости. Кадмиевую бронзу применяют для контактных проводов и коллекторных пластин особо ответственного назначения. Еще большей механической прочностью обладает бериллиевая бронза (у_р до 1350 МПа).

Латунь (сплав меди с цинком) обладает достаточно высоким относительным удлинением при повышенном пределе прочности на растяжение по сравнению с чистой медью. Это дает латуни технологические преимущества при обработке штамповкой, глубокой вытяжкой и т.п.

Латунь применяют в электротехнике для изготовления различных токопроводящих деталей.

2 Алюминий

Алюминий - важнейший представитель так называемых легких металлов, т. е. металлов с плотностью менее 5000 кг/м³: плотность литого алюминия около 2600, прокатанного - 2700 кг/м³. Таким образом, алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди.

Удельное сопротивление с алюминия примерно в 1,63 раза больше с меди. Поэтому замена меди алюминием не всегда возможна, особенно в радиоэлектронике. Однако если сравнить по массе два отрезка алюминиевого и медного проводов одной и той же длины и одного и того же сопротивления, то окажется, что алюминиевый провод хотя и толще медного, но легче его приблизительно в 2 раза, Поэтому для изготовления проводов одной и той же проводимости на единицу длины алюминий выгоднее меди в том случае, если тонна алюминия дороже тонны меди не более чем в два раза. Важно и то, что алюминий менее дефицитен, чем медь.

Для электротехнических целей используют алюминий марки А1, содержащий не более 0,5% примесей. Еще более чистый алюминий марки AB00 (не более 0,03% примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты AB0000 содержит не более 0,004% примесей.

Прокатка, протяжка и отжиг алюминия аналогичны соответствующим операциям для меди. Из алюминия может прокатываться тонкая (до 6 - 7 мкм) фольга, применяемая в качестве обкладок в бумажных и пленочных конденсаторах.

Алюминий на воздухе активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов и сильно затрудняет пайку алюминия обычными способами. Для пайки алюминия применяют специальные пасты - припои пли используют ультразвуковые паяльники.

3 Железо

Сталь (железо) как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий высокой механической прочностью, в ряде случаев используют в качестве проводникового материала. Даже чистое железо имеет более высокое по сравнению с медью и алюминием удельное сопротивление с (порядка 0,1 мкОм*м); значение с стали, т. е. железа с примесью углерода и других элементов, еще выше.

При переменном токе в стали, как магнитном материале, сильно сказывается поверхностный эффект, поэтому активное сопротивление стальных проводников для переменного тока выше, чем для постоянного. Кроме того, при переменном токе в стальных проводниках появляются потери мощности на гистерезис.

Обычная сталь обладает малой коррозионной стойкостью: даже при нормальной температуре, особенно в условиях повышенной влажности, она быстро ржавеет; при повышении температуры скорость коррозии резко возрастает. Поэтому поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более стойкого материала, например цинка.

Железо имеет высокий температурный коэффициент удельного сопротивления ТК с. Поэтому тонкую железную проволоку, помещенную для защиты от окисления в баллон, заполненный водородом, можно применять в барретерах, т. е. в приборах, в которых используется зависимость сопротивления от силы тока, нагревающего помещенную в них проволоку. Этот прибор сохраняет постоянную силу тока при колебаниях напряжения.

4 Натрий

Интересным и перспективным проводниковым материалом является металлический натрий. Натрий может быть получен путем электролиза расплавленного хлористого натрия NaCl в практически неограниченных количествах. Удельное сопротивление натрия в 2,8 раза больше с меди и в 1,7 раз больше с алюминия. Но благодаря очень малой плотности натрия (он легче воды; плотность его примерно в 9 раз меньше плотности меди) провод из натрия при данной проводимости на единицу длины (при нормальной температуре) должен быть значительно легче, чем провод из любого другого металла.

Однако натрий весьма активен химически - он интенсивно окисляется на воздухе и бурно реагирует с водой, кроме того, натрий весьма мягок и имеет малый предел прочности при растяжении и других деформациях. Поэтому натриевый провод должен быть защищен герметизирующей оболочкой, которая должна также придавать проводу необходимую механическую прочность. Натриевые провода и кабели изготовляют в пластмассовых (полиэтиленовых) оболочках, что помимо герметизации и повышения механической прочности провода или кабеля создает его электрическую изоляцию.

5 Вольфрам

Это чрезвычайно тяжелый твердый металл серого цвета. Среди металлов он обладает наиболее высокой температурой плавления. Получают из руд различного состава; промежуточным продуктом является вольфрамовая кислота H₂WO₄, из которой путем восстановления водородом при нагреве до 900°С, получают металлический вольфрам в виде мелкого порошка. Из этого порошка прессуют стержни, которые подвергают сложной термической обработке в атмосфере водорода, ковке и волочению в проволоку (диаметром до 0,01 мм), прокатке в листы и т. п.

Для вольфрама характерна слабая связь между отдельными кристаллами, поэтому сравнительно толстые вольфрамовые изделия хрупки. При механической обработке ковкой и волочением вольфрам приобретает волокнистую структуру.

Рисунок 3.3 - Зависимость скорости окисления металла (количество окисляющегося металла за час с квадратного метра поверхности металла, соприкасающейся с воздухом) от температуры

Этим объясняется гибкость тонких вольфрамовых нитей. При уменьшении толщины вольфрамовой проволоки возрастает и ее предел прочности при растяжении у_р (примерно от 500-600 МПа для стержней диаметром 5 мм до 3000-4000 МПа для тонких нитей; удлинение при разрыве Дl/l таких нитей - около 4%).

Вольфрам является одним из важнейших металлических материалов электровакуумной техники. Применение вольфрама для изготовления нитей ламп накаливания было впервые предложено русским изобретателем А. Н. Лодыгиным в 1890 г.

Вследствие тугоплавкости и большой механической прочности при повышенных температурах вольфрам можно использовать при температуре выше 2000°С, но лишь в высоком вакууме или в атмосфере инертного газа (азот, аргон и т. п.), так как уже при нагреве до температуры в несколько сот градусов Цельсия в присутствии кислорода он сильно окисляется (рисунок 3.3).

Вольфрам применяют также для изготовления контактов.

К преимуществам вольфрамовых контактов можно отнести:

а) устойчивость в работе;

б) малый механический износ ввиду высокой твердости материала;

в) способность противостоять действию электрической дуги и отсутствие привариваемости вследствие большой тугоплавкости;

г) малую подверженность электрической эрозии (т. е. износу с образованием кратеров и наростов в результате местных перегревов и плавления металла).

Недостатками вольфрама как контактного материала являются: а) трудная обрабатываемость; б) образование в атмосферных условиях оксидных пленок; в) необходимость в больших давлениях для обеспечения малых значений электрического сопротивления контакта.

Для контактов с большими значениями разрываемой мощности используют металлокерамические материалы. Заготовку прессуют из порошка вольфрама под большим давлением, спекают в атмосфере водорода, получая достаточно прочную, но пористую основу, которую затем пропитывают расплавленным серебром или медью для увеличения проводимости.

6 Молибден

Молибден широко применяют в электровакуумной технике при менее высоких температурах, чем вольфрам. Но накаливаемые детали из молибдена также должны работать в вакууме, в инертном газе или в восстановительной атмосфере.

Механическая прочность молибдена в очень большой степени зависит от механической обработки материала, вида изделия, диаметра стержней или проволоки и последующей термообработки. Предел прочности при растяжении у_р молибдена - от 350 до 2500 МПа, а относительное удлинение при разрыве Дl/l - от 2 до 55%. Плотность молибдена почти в два раза меньше, чем вольфрама.

В электровакуумной технике наиболее распространены марки молибдена МЧ (молибден чистый) и МК (молибден с кремнещелочной присадкой). Последний обладает повышенной механической прочностью при высоких температурах.

Молибден применяют также в качестве материала для электрических контактов.

7 Благородные металлы

Золото - металл желтого цвета, обладающий высокой пластичностью (относительное удлинение при разрыве 40°С). В электротехнике золото используют как контактный материал для коррозионно устойчивых покрытий, для электродов фотоэлементов, для вакуумного напыления пленочных микросхем и т. п.

Серебро - белый, блестящий металл, стойкий против окисления при нормальной температуре. Серебро имеет самое малое удельное сопротивление с (при нормальной температуре). Механические свойства серебряной проволоки: у_р около 200 МПа, Дl/l порядка 50%. Такую проволоку используют для изготовления контактов, рассчитанных на небольшие токи.

Серебро применяют также для не посредственного нанесения на диэлектрики, в качестве обкладок в производстве керамических и слюдяных конденсаторов. Для этой цели используют метод вжигания или испарения в вакууме.

Недостатком серебра является склонность к миграции по поверхности и внутрь диэлектрика, на который его наносят, в условиях высокой влажности, а также при высоких температурах. Химическая стойкость у серебра ниже, чем у других благородных металлов.

Платина - металл, практически не соединяющийся с кислородом и весьма стойкий к самым разнообразным химическим реагентам. Платина прекрасно поддается механической обработке, вытягивается в очень тонкие нити и ленты. Предел прочности при растяжении у_р платины после отжига - порядка 150 МПа, а Дl/l составляет 30 - 35%.

Платину применяют, в частности, при изготовлении термопар, для измерения высоких температур - до 1600⁰C (в паре со сплавом платинородий), а также при изготовлении пасты, используемой для вжигания электродов на монолитные керамические конденсаторы.

Особо тонкие нити из платины (диаметром около 1 мкм) для подвесок подвижных систем в электрометрах и других чувствительных приборах получают многократным волочением биметаллической проволоки платина - серебро с последующим растворением наружного слоя серебра в азотной кислоте (на платину азотная кислота не действует). Вследствие малой твердости платина редко применяется для контактов в чистом виде, но служит основой для ряда контактных сплавов. Сплавы платины с иридием стойки к окислению и к износу, имеют высокую твердость и допускают большую частоту выключений, однако дороги и применяются только для особо ответственных деталей.

Палладий по многим свойствам близок к платине и в ряде случаев служит ее заменителем; его используют в электровакуумной технике для поглощения водорода. Палладий и его сплавы с серебром и медью применяют в качестве контактных материалов. Палладиевую пасту, как и платиновую, используют для нанесения электродов на керамические конденсаторы.

Палладий в отожженном состоянии имеет предел прочности при растяжении у_р порядка 200.МПа при относительном удлинении при разрыве Дl/l до 40%.

8 Никель и кобальт

Никель - серебристо-белый металл, широко применяемый в электровакуумной технике; его достаточно легко получить в очень чистом виде (99,99% Ni); иногда в него вводят специальные легирующие присадки (кремний, марганец и др.).

Получаемый из руд никель подвергают электролитическому рафинированию. Очень чистый порошкообразный никель можно получить путем термического разложения пентакарбонила никеля Ni (CO)₅ при температуре порядка 220° С.