Вопросы

Вопрос 14. В чем особенности поляризации сегнетоэлектриков по сравнению с поляризацией обычных диэлектриков?  Что называется точкой Кюри для сегнетоэлектрика? Что называется гистерезисом сегнетоэлектрика?        2

Вопрос 24. От чего зависит распределение напряженностей электрического поля в слоях двухслойного диэлектрика в случае его работы под переменным напряжением и под постоянным напряжением?        5

Вопрос 56. Что такое тропикостойкость? Какие электроизоляционные материалы обладают особо высокой и особо низкой тропикостойкостью? Что называют фунгицидами?        6

Вопрос 61. Какие газы находят применение в электрической изоляции?        8

Вопрос 116. Опишите сталеалюминиевые провода и проводниковые биметалл, их свойства и области применения.        9

Вопрос 138. Опишите различные виды электропроводности полупроводников. Что такое собственная проводимость? Объясните влияние примесей на удельную проводимость. В чем заключается разница между полупроводниками  типа «n» и типа  «p» ?        10

Список литературы        17

Вопрос 14. В чем особенности поляризации сегнетоэлектриков по сравнению с поляризацией обычных диэлектриков?  Что называется точкой Кюри для сегнетоэлектрика? Что называется гистерезисом сегнетоэлектрика?

Сегнетоэлектрики - кристаллические диэлектрики (полупроводники), обладающие в определённом диапазоне температур спонтанной поляризацией, которая существенно изменяется под влиянием внешних воздействий. Структуру сегнетоэлектрика можно представить как результат фазового перехода кристалла с искажением структуры (понижением симметрии) из неполярной структуры (параэлектрической фазы) в полярную (сегнетоэлектрическую фазу). В большинстве случаев это искажение структуры такое же, как и при воздействии электрического поля на кристалл в неполярной (параэлектрической) фазе. Такие сегнетоэлектрики называются собственными, а искажение неполярной структуры связано с появлением спонтанной электрической поляризации. В ряде сегнетоэлектриков поляризация возникает как вторичный эффект, сопровождающий перестройку структуры, которая не связана непосредственно с поляризацией и не может быть вызвана электрическим полем. Такие сегнетоэлектрики называются несобственными.

Как правило, наблюдается фазовый переход непосредственно между сегнето - и параэлектрической (более симметричной) фазами. Однако есть кристаллы, в которых между этими фазами осуществляется промежуточная фаза с особыми свойствами - т. н. несоразмерная фаза

Особенностью всех сегнетоэлектриков является относительная близость структур пара - и сегнетоэлектрических фаз. Изменения ср. положений ионов при возникновении спонтанной поляризации обычно гораздо меньше, чем межионные расстояния. Поэтому спонтанная поляризация сегнетоэлектрики легко изменяется под влиянием внешних воздействий - электрических полей, упругих напряжений, изменений температуры и др. С этим связаны весьма высокие (по сравнению с обычными диэлектриками) значения диэлектрической проницаемости, пьезоэлектрических и пироэлектрических постоянных. Сегнетоэлектричие свойства были впервые обнаружены у кристаллов сегнетовой соли KNaC4H4O6*4H2O (1921), а затем у дигидрофосфата калия КН2РО4 (1935).

При рассмотрении эффекта Ганна применялся термин «электростатические домены», под которыми подразумевают области сильного электрического поля. Но электростатические домены отличаются от электрических доменов, характерных для сегнетоэлектриков. В последнем случае домены - это области самопроизвольной (спонтанной) поляризации (порядка 10-2-10-4 см), аналогичные магнитным доменам в ферромагнетиках.

Характерной особенностью сегнетоэлектриков является большая величина диэлектрической проницаемости в слабых полях. В сильных полях Е > Еmax наблюдается уменьшение, что связано с окончанием процесса поляризации доменов.

Сегнетоэлектрические свойства веществ сильно зависят от температуры. Для каждого сегнетоэлектрика есть определенная температура, выше которой его данные необычные свойства исчезают и он превращается в обычный диэлектрик. Эта температура называется точкой Кюри (в честь французского физика Пьера Кюри (1859—1906)). Обычно, сегнетоэлектрики обладают только одной точкой Кюри; исключение составляют лишь сегнетова соль (—18 и +24°С) и изоморфные с нею соединения. В сегнетоэлектриках вблизи точки Кюри наблюдается также резкое возрастание теплоемкости вещества. Превращение сегнетоэлектриков в обычный диэлектрик, которое происходит в точке Кюри, сопровождается фазовым переходом II рода. Диэлектрическая проницаемость е (а значит, и диэлектрическая восприимчивость и) сегнетоэлектриков зависит от напряженности Еполя в веществе, при этом эти величины являются характеристиками вещества для других диэлектриков.

Для сегнетоэлектриков не соблюдается формула связи поляризованности и напряженности поля P=ие0E ; для них зависимость между векторами поляризованности (Р) и напряженности (Е) нелинейная и зависит от значений Е в предыдущие моменты времени. В сегнетоэлектриках наблюдается явление диэлектрического гистерезиса (запаздывания). Как видно из рис. 1 и 2, с ростом напряженности Е внешнего электрического поля поляризованность Р растет, достигая при этом насыщения (кривая 1). Уменьшение Р с уменьшением Е происходит по кривой 2, и при Е=0 сегнетоэлектрик сохраняет остаточную поляризованность Р0, т. е. сегнетоэлектрик остается поляризованным в отсутствие внешнего электрического поля. Чтобы уничтожить остаточную поляризованность, надо приложить внешнее электрическое поле обратного направления (—Eс).

Величина Еc называется коэрцитивной силой (от лат. coercitio — удерживание). Если далее Е изменять, то Р изменяется по кривой 3 петли гистерезиса.

В настоящее время известно более сотни сегнетоэлектриков, не считая их твердых растворов. Сегнетоэлектрики широко используются также в качестве материалов, которые обладают большими значениями е (например, в конденсаторах).

Вопрос 24. От чего зависит распределение напряженностей электрического поля в слоях двухслойного диэлектрика в случае его работы под переменным напряжением и под постоянным напряжением?

Распределение напряжённости электрического поля в двухслойных диэлектриках описывается выражением

       ε1Е1 = ε2Е2 , отсюда  Е1/Е2 =        ε2/ε1        

где ε1 и ε2 – диэлектрические проницаемости материала слоёв, Е1 и Е2 – напряжённость электрического поля в данных диэлектриках.

Напряжение в многослойном конденсаторе

       U =  U1 + U2+ … = E1h1 + E2h2 + …        

Отсюда,  напряжённость поля, В/м, в обоих слоях

       Е1 = ε2 U / (h1ε2 + h2ε1) ;  Е2 = ε1U /(h1ε2 + h2ε1)        

и напряжения, В, в слоях

U1 = ε2 h1 U / (h1ε2 + h2ε1) и  U2 = ε1 h2 U /(h1ε2 + h2ε1)

При постоянном токе в формулах  вместо ε подставляется γ = 1/ρ. Тогда  Е1 = Uρ1 /ρ1 h1 +ρ2 h2  ; Е2 = Uρ2 /ρ1 h1 +ρ2 h2         

C течением времени напряжение на обкладках конденсатора уменьшается в соответствии с выражением

               Ut = U0 . е-t/τo        

где Ut – напряжение ко времени t, U0 – начальное напряжение,  τ0 – постоянная времени саморазряда.

               τ0  = СR = ε ε0 ρv                

где С – ёмкость конденсатора Ф, R – сопротивление конденсатора Ом, ρv - удельное объёмное сопротивление диэлектрика конденсатора Ом. м, ε0 – электрическая постоянная,  8,854 . 10-12  Ф/м.

Если диэлектрики в конденсаторе расположены параллельно, как изображено на рис

                       

то ε такого слоистого конденсатора рассчитывается по уравнению

                               εс = у1ε1 + у2ε2        

Здесь и далее у1 и у2 – объёмные доли компонентов, у1 + у2 = 1

Если  диэлектрики в конденсаторе расположены последовательно, как изображено на рис.

то εс  рассчитывается по уравнению                                        

εс = ε1ε2 / (у1ε2 + у2ε1) 

Если же диэлектрик конденсатора представляет собой механическую смесь, то εс смесевого диэлектрика  рассчитывают по логарифмическому закону смешения

                       ln εс = у1 ln ε1 + у2 ln ε2        

Таким образом, распределение напряженностей электрического поля в слоях двухслойного диэлектрика в случае его работы под переменным напряжением и под постоянным напряжением зависит от расположения слоев.

Вопрос 56. Что такое тропикостойкость? Какие электроизоляционные материалы обладают особо высокой и особо низкой тропикостойкостью? Что называют фунгицидами?

Тропическая стойкость (тропикостойкость) определяется у электроизоляционнов материалов, предназначенных для электрооборудования, работающего в условиях тропического климата.

Здесь не защищенные герметически закрытыми оболочками электроизоляционные материалы подвергаются следующим воздействиям: высокой температуре окружающего воздуха (45-55° С); резкому изменению температуры в течение суток (на 40° С и более); высокой влажности воздуха (90-95%); солнечной радиации (большая плотность светового и теплового потоков); плесневых грибков (микроорганизмов), повреждающих многие электроизоляционные материалы органического происхождения; насекомых и грызунов, повреждающих изоляцию в электрооборудовании открытого типа; воздха, содержащего соли и пыль.

Наиболее стойкими к тропическим воздействиям являются материалы неорганического происхождения - электрокерамика, бесщелочное стекло и др. Высокой стойкостью к тропическим воздействиям обладают многие синтетические диэлектрики органического происхождения (бакелитовые, эпоксидные, поливинилхлоридные кремнийорганические смолы, фторопласты и пластмассы на их основе с неорганическими наполнителями - стеклянное и асбестовое волокно, кварцевая мука, а также лаки, эмали и компаунды на основе этих смол).

Фунгициды (от лат. fungus — гриб и лат. caedo — убиваю) — химические вещества для борьбы с грибными болезнями растений (бордоская жидкость, серный цвет и др.), а также для протравливания семян (формалин, ТМТД, Фундазол, гранозан, меркуран) с целью освобождения их от спор паразитных грибов (типа головни для зерновых семян).

Фунгициды контактного действия эффективны в зонах прямого контакта с грибными спорами, в основном на листьях верхнего и среднего яруса, куда попадает значительная часть фунгицидного остатка. При этом фунгициды контактного действия не способны предотвратить первичное заражение листьев нижнего яруса, с которых чаще всего начинается эпифитотия. Комбинированные фунгициды включают в себя действующие вещества контактного и системного (локально-системного) действия. Контактный компонент фунгицида затрудняет развитие патогена на поверхности растений, а системно действующий компонент быстро проникает в ткани растения-хозяина и обеспечивает практически полную защиту ботвы. Благодаря своим свойствам комбинированные фунгициды способны задерживать сроки появления болезни на 20-30 суток. Особенно очевидны преимущества этих препаратов в период активного развития растения-хозяина, поскольку системно действующие вещества проникают во все ткани, в том числе и в образовавшиеся после опрыскивания побеги, и защищают их от заражения. Следовательно, фунгициды комбинированного действия нивелируют недостатки в работе штанговых опрыскивателей, так как на полях с хорошо развитой ботвой только незначительная часть препарата попадает на нижний ярус растений, с которого и начинается эпифитотийный процесс.

Вопрос 61. Какие газы находят применение в электрической изоляции?

Кроме воздуха в качестве электрической изоляции широко используют двух - и трехатомные газы - азот, водород, углекислый газ, а также элегаз и фреон.

Для высоковольтной изоляции наиболее широкое применение находит элегаз (электрический газ, гексафторид серы SF6). Он инертен по отношению к меди и алюминию, химически стоек до 800 0C. Электрическая прочность элегаза в 2,5 раза больше, чем у воздуха, что позволяет значительно уменьшить объём и массу газонаполненного электрооборудования, по сравнению с воздушным.

Элегаз применяется в герметизированных распределительных устройствах, конденсаторах, трансформаторах, выключателях и высоковольтных кабелях. Газонаполненные (элегазовые) кабели просты по своей конструкции, имеют малые емкостные (зарядные) токи. Трансформаторы с элегазовым заполнением взрывобезопасны. В высоковольтных выключателях элегаз применяется благодаря его высоким дугогасящим свойствам.

Основные недостатки: опасны разряды в элегазе в присутствии органической изоляции, так как образуются химически очень активные и ядовитые вещества; сравнительно высокая стоимость. В целях удешевления газовой изоляции часто применяют элегаз в смеси с более дешёвым азотом.

Перспективны перфторированные углеводороды, в молекулах которых все атомы водорода заменены фтором. От CF4 до C4F10 в нормальных условиях являются газами с электрической прочностью большей, чем у воздуха в 6–10 раз, а также фреон CCl2F2 – в 2,5 раза.

Вопрос 116. Опишите сталеалюминиевые провода и проводниковые биметалл, их свойства и области применения.

Сталеалюминиевый провод (марки АС) широко применяется в линиях электропередач, представляет собой сердечник из стальных жил, обвитый снаружи алюминиевой проволокой. Механическая прочность этого провода определяется в основном стальным сердечником, а электрическая проводимость — алюминием. Увеличенный наружный диаметр сталеалюминиевых проводов уменьшает возникновение короны, так как уменьшает напряженность электрического поля на поверхности провода.

Сталь (железо) — дешевый, недефицитный и механически прочный металл, применяется как проводниковый материал для проводов линий связи, а также при передаче небольших мощностей, например, в сельскохозяйственных районах, где он используется в виде шин, рельсов трамваев, электрифицированных железных дорог, метро и пр.

Для сердечников упомянутых выше сталеалюминиевых проводов применяются особо крепкая проволока с временным сопротивлением разрыву 1200... 1500 МПа и удлинением при разрыве 4...5%.

Обычно применяемая в качестве проводникового материала мягкая сталь содержит 0,1...0,15% углерода и имеет электропроводность в 6...7 раз меньше по сравнению с медью, плотность около 7,8 мг/м3, временное сопротивление разрыву 700...750 МПа с удлинением при разрыве 5...8%, температура плавления 1400°С.

Железо имеет высокий температурный коэффициент сопротивления ТКР (около 0,057 К-1), поэтому оно применяется в бареттерах— приборах, использующих зависимость сопротивления от тока.

Сталь имеет малую коррозионную стойкость, поэтому стальные провода обычно покрывают цинком.

Биметалл — сталь, покрытая снаружи слоем меди горячим или холодным способом. Механические и электрические свойства биметалла являются промежуточными между свойствами сплошного медного и стального проводника того же сечения; механическая прочность биметалла выше, чем меди, но электропроводность меньше. Содержание меди должно быть не менее 50% от полного веса проволоки. Временное сопротивление разрыву не менее 550... 700 МПа, а удлинение не более 2%. Сопротивление 1 км биметаллической проволоки для постоянного тока при нормальной температуре (20°С или 293 К) и диаметре проволоки 1 мм составляет примерно 64 Ом, при 2 мм — 16 Ом, при 3 мм — 7 Ом и при 4 мм —4 Ом.

Такая проволока широко применяется в линиях связи, а также в линиях электропередач, для изготовления шин распределительных устройств, полос для рубильников и т. п.

Натрий — весьма перспективный, самый легкий проводниковый материал. Однако он имеет удельное электрическое сопротивление в 1,7 раза больше, чем у алюминия, химически активен на воздухе и с водой, механически непрочен. Натриевые провода и кабели изготовляются в полиэтиленовых оболочках, обеспечивающих его герметизацию, механическую прочность и электрическую изоляцию.

Вопрос 138. Опишите различные виды электропроводности полупроводников. Что такое собственная проводимость? Объясните влияние примесей на удельную проводимость. В чем заключается разница между полупроводниками  типа «n» и типа  «p» ?

При температуре, близкой к абсолютному нулю, полупроводник ведет себя как абсолютный непроводник, потому что в нем нет свободных электронов.

Но при повышении температуры связь валентных электронов с атомными ядрами ослабевает и некоторые из них вследствие теплового движения могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится свободным (на рис. б черная точка), а там, где он был до этого, образуется пустое место. Это пустое место в межатомной связи полупроводника условно называют дыркой (на рисб разорвавшаяся линия электрона). Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем появляется свободных электронов и дырок. Таким образом, образование в массе полупроводника дырки связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а возникновение дырки соответствует появлению положительного электрического заряда, равного отрицательному заряду электрона. А теперь рассмотри следующий рисунок. На нем схематично изображено явление возникновения тока в полупроводнике. Причиной возникновения тока служит напряжение, приложенное к полупроводнику (на рис. источник напряжения символизируют знаки + и — ). Вследствие тепловых явлений во всей массе полупроводника высвобождается из межатомных связей некоторое количество электронов (на рис. они обозначены точками со стрелками). Электроны, освобождавшиеся вблизи положительного полюса источника напряжения, притягиваются этим полюсом и уходят из массы полупроводника, оставляя после себя дырки. Электроны, ушедшие из межатомных связей на некотором удалении от положительного полюса, тоже притягиваются им и движутся в его сторону. Но, встретив на своем пути дырки, электроны как бы впрыгивают в них (рис., а), происходит заполнение некоторых межатомных связей. А ближние к отрицательному полюсу дырки заполняются другими электронами, вырвавшимися из атомов, расположенных еще ближе к отрицательному полюсу (рис.,6). Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс продолжается: нарушаются одни межатомные связи из них уходят валентные электроны, возникают дырки и заполняются другие межатомные связи в дырки впрыгивают электроны, освободившиеся из каких то других межатомных связей (рис., б г).

При температуре выше абсолютного нуля в полупроводнике непрерывно возникают и исчезают свободные электроны и дырки даже тогда, когда нет внешних электрических полей. Но электроны и дырки движутся хаотически в разные стороны и не уходят за пределы полупроводника. В чистом полупроводнике число высвободившихся в каждый момент времени электронов равно числу образующихся при этом дырок. Общее же их число при комнатной температуре относительно невелико. Поэтому электропроводность такого полупроводника, называемая собственной, мала. Иными словами, такой полупроводник оказывает электрическому току довольно большое сопротивление. Но если в чистый полупроводник добавить даже ничтожное количество примеси в виде атомов других элементов, электропроводность его резко повысится. При этом в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.

Если какой либо атом в кристалле полупроводника заменить атомом сурьмы, имеющим во внешнем слое электронной оболочки пять валентных электронов, этот атом пришелец четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника. Пятый же валентный электрон атома сурьмы окажется лишним и станет свободным. Чем больше в полупроводник будет введено атомов сурьмы, тем больше в его массе окажется свободных электронов. Следовательно, полупроводник с примесью сурьмы приближается по своим свойствам к металлу: для того чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи. Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с электропроводностью типа п или, короче, полупроводниками п типа. Здесь латинская буква n начальная буква латинского слова "negativ" (негатив), что значит отрицательный. Этот термин в данном случае нужно понимать в том смысле, что в полупроводнике типа п основными носителями тока являются отрицательные заряды, т. е. электроны.

Совсем иная картина получится, если в полупроводник ввести атомы с тремя валентными электронами, например атомы индия. Каждый атом металла индия своими тремя электронами заполнит связи только с тремя соседними атомами полупроводника, а для заполнения связи с четвертым атомом у него не хватает одного электрона. Образуется дырка. Она, конечно, может заполниться каким либо электроном, вырвавшимся из валентной связи с другими атомами полупроводника. Однако независимо от того, где будут дырки, в массе полупроводника с примесью индия не будет хватать электронов для их заполнения. И чем больше будет введено в полупроводник примесных атомов индия, тем больше в нем образуется дырок.

Чтобы в таком полупроводнике электроны могли перемещаться, совершенно обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Вырвавшиеся из них электроны или же электроны, поступившие в полупроводник извне, движутся от дырки к дырке. А во всей массе полупроводника в любой момент времени число дырок будет больше общего числа свободных электронов. Полупроводники, обладающие таким свойством, называют полупроводниками с дырочной электропроводностью или полупроводниками типа р. Латинская буква р первая буква латинского слова "positiv" (позитив), что значит положительный. Этот термин в данном случае нужно понимать в том смысле, что явление электрического тока в массе полупроводника типа р сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов дырок. Перемещаясь в массе полупроводника, дырки как бы являются носителями тока.

Полупроводники типа р, так же как и полупроводники типа n, обладают во много раз лучшей электропроводностью по сравнению с чистыми полупроводниками.

Надо сказать, что практически не существует как совершенно чистых полупроводников, так и полупроводников с абсолютной электропроводностью типов n и р. В полупроводнике с примесью индия обязательно есть небольшое количество атомов некоторых других элементов, придающих ему электронную проводимость, а в полупроводнике с примесью сурьмы есть атомы элементов, создающих в нем дырочную электропроводность. Например, в полу проводнике, имеющем в целом электропроводность типа n, есть дырки, которые могут заполняться свободными электронами примесных атомов сурьмы. Вследствие этого электропроводность полупроводника несколько ухудшится, но в целом он сохранит электронную проводимость. Аналогичное явление будет наблюдаться и в том случае, если в полупроводник с дырочным характером электропроводности попадут свободные электроны. Поэтому полупроводниками типа п принято считать такие полупроводники, в которых основными носителями тока являются электроны (преобладает электронная электропроводность), а к полупроводникам типа р полупроводники, в которых основными носителями тока являются дырки (преобладает дырочная электропроводность).

Собственной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная движением под действием электрического поля одинакового числа свободных электронов и дырок, образовавшихся вследствие перехода электронов полупроводника из валентной зоны в зону проводимости. В идеальном полупроводнике при собственной проводимости концентрации электронов (ni) и дырок (pi) равны и много меньше числа уровней в валентной зоне и зоне проводимости. Поэтому свободные электроны занимают уровни вблизи дна зоны проводимости Ec, а свободные дырки - вблизи потолка валентной зоны Ev.

В реальных кристаллах источниками свободных носителей заряда (носителей тока) могут быть дефекты кристаллической структуры, например междоузельные атомы, вакансии, а также отклонения от стехиометрического состава. Примеси и дефекты делятся на доноры и акцепторы. Доноры отдают в объем полупроводника избыточные электроны, создавая электронную проводимость (n-типа). Акцепторы захватывают валентные электроны собственных атомов полупроводников, в результате чего образуются дырки и возникает дырочная проводимость (р-типа). Типичными донорами в Ge и Si являются примесные атомы элементов V гр. (Р, As, Sb). В узле кристаллической решетки 4 из 5 валентных электронов такого атома образуют ковалентные связи с соседними атомами Ge или Si, а 5-й электрон оказывается слабо связанным с примесным ионом. Энергия ионизации примеси мала (~0,01 эВ в Ge и 0,04 эВ в Si), поэтому уже при 77 К в полупроводниках появляются электроны проводимости в концентрации, определяемой содержанием примеси.

Аналогично атомы III гр. (В, Al, Ga, In)-типичные акцепторы в Ge и Si. Дырка, которая остается в месте захваченного примесью валентного электрона Ge или Si, очень слабо связана с примесным ионом и при не очень низких температурах легко превращается в свободный носитель заряда (носитель тока). Во многих бинарных полупроводниках типа AIVBVI источниками дырок являются вакансии атомов AIV, а вакансии BVI - источниками электронов проводимости. Электропроводность полупроводников, определяемая электронами примесных атомов, называется примесной проводимостью, а введение определенных примесей для получения полупроводников с различными требуемыми свойствами - легированием полупроводников.

Список литературы

1. Журавлева : учебник. Для нач. проф. Образования. –М.: Изд. Центр «Академия»; ИРПО, 2000. –313 с.

2. , , Новиков : учебник для техникумов/Под ред. . – М.: Высш. шк., 1981.-293 с.

3. справочник молодого электрика по электрическим материалам и изделиям. –М.: Высш. шк., 1982. –216 с.

4. Никулин . М.: Высш. шк.,1984. –75 с.

5. , Черток : Пособ. Для техн. –Киев: Выща шк., 1975. –283 с.

6. Сена физических величин и их размерности. –М.: Наука, 1977.