- •Предисловие.
- •Введение
- •Руководство по изучению дисциплины
- •Проводники
- •1.2. Теплопроводность металлов
- •1.3. Термоэлектродвижущая сила
- •1.4. Зависимость удельного электрического сопротивления металлов от температуры
- •1.5. Электрические характеристики сплавов
- •1.6. Классификация проводниковых материалов
- •1.7. Материалы высокой проводимости
- •1.8. Сплавы высокого сопротивления
- •1.9. Контактные материалы
- •1.10. Сверхпроводники
- •1.11. Высокотемпературные сверхпроводники (втсп)
- •1.12. Криопроводники
- •Контрольные вопросы по теме: «Проводниковые материалы».
- •Проводниковые материалы
- •Полупроводники
- •2.1. Определение и классификация
- •2.2. Основные параметры полупроводников.
- •2.3. Зависимость подвижности носителей заряда от температуры
- •2.4. Зависимость концентрации носителей заряда от температуры
- •2.6. Время жизни носителей и диффузионная длина
- •2.7. Основные эффекты в полупроводниках и их применение
- •2.8. Полупроводниковые материалы
- •Контрольные вопросы к разделу Полупроводниковые материалы
- •А) Равна подвижности дырок
- •А) Температурой
- •А) Простыми органическими п/п материалами
- •А) Поликристаллический кремний
- •Задачи и упражнения к разделу Полупроводники
- •Введение
- •3.1 Поляризация диэлектриков
- •3.1.1 Определение поляризации
- •3.1.2 Диэлектрическая проницаемость
- •3.1.3 Классификация диэлектриков на линейные и нелинейные
- •3.1.4 Диэлектрики полярные, неполярные и с ионной структурой
- •Метан сн4
- •3.1.5 Электронная поляризация
- •3.1.6 Ионная поляризация
- •3.1.7 Релаксационные виды поляризации
- •3.1.8 Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры, давления, влажности, напряжения
- •Влияние давления на ε учитывается барическим коэффициентом ε
- •3.1.9 Диэлектрическая проницаемость смесей
- •3.2 Электропроводность диэлектриков
- •3.2.1 Зависимость тока от времени приложения постоянного напряжения
- •3.2.2 Токи абсорбции
- •3.2.3 Общее выражение для удельной объемной электропроводности
- •С учетом (3.2.4) получим
- •3.2.4 Поверхностное сопротивление твердых диэлектриков
- •3.2.5 Электропроводность газообразных диэлектриков
- •3.2.6 Электропроводность жидких диэлектриков
- •3.2.7 Электропроводность твердых диэлектриков
- •3.2.8 Зависимость удельной электропроводности от напряженности электрического поля
- •3.3 Диэлектрические потери
- •3.3.1 Определения
- •3.3.2 Полные и удельные диэлектрические потери
- •3.3.3 Потери на электропроводность
- •3.3.4. Релаксационные потери
- •3.3.5. Диэлектрические потери полимеров
- •3.3.6. Диэлектрические потери неорганических диэлектриков
- •3.3.7. Диэлектрические потери в неоднородных диэлектриках
- •3.4. Электрическая прочность диэлектриков
- •3.4.1 Пробивное напряжение и электрическая прочность
- •3.4.2 Электротепловой пробой
- •3.4.3. Пробой газообразных диэлектриков
- •3.4.4. Пробой жидких диэлектриков
- •3.4.5. Пробой твердых диэлектриков
- •3.5. Механические, термические и физико-химические свойства диэлектриков
- •3.6. Газообразные диэлектрики
- •3.7. Жидкие диэлектрики
- •3.8. Полимеры. Общие свойства
- •3.9. Синтетические полимеры
- •3.10. Пластмассы и пленочные материалы
- •3.11. Стекло и керамика
- •3.12. Лаки, эмали, компаунды
- •3.13. Слюда и слюдяные материалы
- •3.14. Активные диэлектрики
- •Задачи и упражнения к разделу Диэлектрические материалы
- •Консультация Напомним, что поляризованность есть электрический момент единицы объема
- •Ответ: 0.025 нм
- •4. Магнитные материалы
- •4.1. Магнитные характеристики
- •4.2. Классификация веществ по магнитным свойствам
- •4.3. Природа ферромагнетизма
- •4.4. Доменная структура
- •4.5. Намагничивание магнитных материалов. Кривая намагничивания
- •4.6. Магнитный гистерезис
- •4.7. Структура ферромагнетиков
- •4.8. Магнитострикционная деформация
- •4.9. Магнитная проницаемость
- •4.10. Потери в магнитных материалах
- •4.11. Электрические свойства магнитных материалов
- •4.12. Классификация магнитных материалов
- •4.13. Основные параметры магнитотвердых материалов
- •4.14. Магнитомягкие материалы
- •Тема 8. Магнито диэлектрики (мд)
- •4.14.1. Технически чистое железо
- •4.14.2. Электротехнические стали
- •4.14.3. Пермаллои
- •4.14.4. Альсиферы
- •4.14.5. Магнитомягкие ферриты.
- •4.14.6. Специальные магнитные материалы
- •14.4.7. Аморфные магнитные материалы (амм)
- •4.14.8. Магнито диэлектрики (мд)
- •4.15. Магнитотвердые материалы
- •Тема 1. Сплавы на основе железа. Тема 2. Металлокерамические магниты Тема 3. Магнитотвердые ферриты Тема 4. Сплавы на основе редкоземельных металлов (рзм)
- •4.15.1. Сплавы на основе железа—никеля—алюминия
- •4.15.2. Металлокерамические магниты
- •4.15.3. Магнитотвердые ферриты
- •4.15.4. Сплавы на основе редкоземельных металлов (рзм)
- •Контрольные вопросы к разделу «Магнитные материалы»
- •А) температуру, при которой значение минимально;
- •Задачи и упражнения к разделу “Магнитные материалы“
- •Термины и определения Термины, использованные в эу в соответствии с госТом 22622 – 77
- •Основные государственные стандарты на электротехнические материалы *
- •Предметный указатель
- •А люминий –15
- •Литература.
- •Содержание
3.11. Стекло и керамика
Стеклообразное состояние является основной разновидностью аморфного состояния вещества. Стеклами называют аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от их химического состава и температурной области затвердевания. По химическому составу имеющие практическое значение стекла делятся на три основных типа: оксидные— на основе оксидов (Si02, Ge02, Вi05, As205); галогенидные — на основе галогенидов, главным образом BeF2(фторберилатные стекла) и халькогенидные — на основе сульфидов, селенидов и теллуридов.
Наиболее широко применяются оксидные стекла, которые в зависимости от состава делятся на ряд классов и групп: 1) по виду окисла стеклообразователя—силикатные, боратные, фосфатные, германатные, алюмосиликатные и др.; 2) по содержанию щелочных окислов — бесщелочные (могут содержать щелочноземельные оксиды—MgO, CaO, ВаО и др.) малощелочные; многощелочные.
Физико-химические свойства стекла. Наиболее высокие показатели механических свойств имеют кварцевые и бесщелочные стекла, а наиболее низкие — стекла с повышенным содержанием оксидов РbО, Na20, K20. Наибольшей стойкостью к воздействию влаги обладает кварцевое стекло. Гидролитическая стойкость стекол сильно уменьшается при введении в состав стекла щелочных оксидов.
Электрические свойства стекла в сильной степени зависят от их состава. Большинство стекол характеризуются ионной проводимостью. Некоторые специальные виды стекол — халькогенидные, ванадиевые (полупроводниковые) имеют электронную или смешанную проводимость. Наиболее сильно понижает электропроводность стекол Si02и Вi203. Наименьшую электропроводность имеет кварцевое стекло, а наибольшую высокощелочные. Обычно стекла более химически устойчивые имеют меньшую электропроводность, ρv стекол при невысоких температурах колеблется в пределах от 10 до 10 Ом·м. Диэлектрические потери в стеклах складываются из потерь проводимости, потерь релаксационных и структурных, tgδ стекол увеличивается с ростом содержания щелочных оксидов при малом содержании оксидов тяжелых металлов. Стекла с большим содержанием оксидов РbО и ВаО имеют низкий tgδ. Самую низкую ε имеет кварцевое стекло (3,7-2,8) и стеклообразный борный ангидрид (3,1-3,2), у которых наблюдается преимущественно электронная поляризация. При наличии в составе стекол оксидов металлов свинца и бария, обладающих высокой поляризуемостью, ε стекол увеличивается и становится высокой (порядка 20). Пробой стекол вызывается электрическими и тепловыми процессами. При постоянном напряжении электрическая прочность стекла резко снижается при увеличении температуры. В переменном электрическом поле электрическая прочность стекол составляет 17-80 МВ/м.
Наиболее высоким комплексом свойств обладает кварцевое стекло, выплавляемое из горного хрусталя и чистых кварцевых песков. При нормальной температуре tgδ=0,0002, ε=3,8, ρvпри 200°С около 1015Ом·м. Кварцевое стекло находит применение для изготовления различных изделий в электрорадиовакуумной промышленности; трубчатых, опорных и проходных изоляторов для электрических газоочистительных установок, высоковольтных изоляторов для высоковольтных линий; различных деталей переменных конденсаторов; катушек самоиндукции; ламп, приборов, аппаратов и др.
Разнообразие и особенности полупроводниковых стекол открывают широкие возможности для их применения в полупроводниковых приборах и устройствах, например в термосопротивлениях, в светофильтрах и фотосопротивлениях, сочетающих избирательное поглощение света с повышенной электропроводностью.
Электротехническая керамика представляет собой материал, получаемый в результате отжига формовочной массы заданного химического состава из минералов и оксидов металлов. При соответствующем выборе состава керамики из нее можно получить материалы, обладающие разнообразными свойствами. В электротехнической и радиоэлектронной промышленности керамическая технология применяется для изготовления диэлектрических, полупроводниковых, пьезоэлектрических, магнитных, металлокерамических и др. изделий. Многие керамические материалы имеют высокую механическую прочность и нагревостойкость, высокие электрические характеристики, отсутствие механических деформаций при длительном приложении нагрузки, большую, чем органические материалы устойчивость к электрическому и тепловому старению. Керамику можно подвергать металлизации обычно методом вжигания серебра и осуществлять герметичные спаи с металлом.
Широкое применение в качестве электроизоляционного материала находит электротехнический фарфор, который является основным керамическим материалом, используемым в производстве широкого ассортимента низковольтных, высоковольтных изоляторов и других изоляционных элементов с рабочим напряжением до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ постоянного тока. Электротехнический фарфор, как и любая другая керамика, состоит из кристаллической, аморфной и газовой фаз. Его свойства определяются химическим и фазовым составом, микро- и макроструктурой и технологией изготовления. Основными компонентами фарфора являются сырьевые материалы минерального происхождения: глинистые вещества — каолин и глина, кварц, полевой шпат, гипс, пегматит. Максимальная температура обжига фарфора в зависимости от состава от 1300 до 1410°С. Электроизоляционные свойства фарфора при нормальной температуре удовлетворительные для использования его при низких частотах ε=6-7, tgδ около 0,02. tgδ электротехнического фарфора, однако, быстро растет при увеличении температуры, что затрудняет применение его при высоких температурах и на высоких частотах.
Для изготовления высокочастотных высоковольтных изоляторов применяют стеатитовую керамику, изготовляемую на основе тальковых минералов, основной кристаллической фазой которых является метасиликат магния MgO·Si02.
Для применения в радиотехнической и электронной промышленности было разработано большое количество новых керамических материалов, обладающих повышенными свойствами по сравнению с фарфором. Параметры некоторых из них приведены в таблице 3.11.1.
Таблица 3.11.1
Материал |
tgb npи l MГц·10-4 |
Электрическая прочность при 20°С. 50 Гц, МВ/м | |
|
при 20°С |
при 100°С |
|
Радиофарфор Ультрафарфор Стеатит Ультрастеатит |
35-45 6-9 12-20 3-6 |
50-60 16-15 15-24 6-10 |
15-20 15-20 20-30 20-30 |
Конденсаторная керамика имеет повышенные (ε=10-230) и высокие значения ε (900). В первом случае керамика относится к высокочастотным диэлектрикам и tgδ на частоте 1 МГц не должен превышать 0,0006, во втором случае керамика низкочастотная—на частоте 1000 Гц tgδ=0,002- 0,025. К конденсаторной керамике обычно предъявляется требование возможно меньшего значения температурного коэффициента диэлектрической проницаемости. Многие из этих материалов имеют в своем составе двуокись титана—рутил (ТiO2). Среди них можно выделить керамику на основе титаната кальция и титаната стронция — СаТiOз иSrTiOз. При высоких частотах у этих материалов температурная зависимость tgb выражена слабо. Основу низкочастотной керамики с высокой ε составляет титанат бария ВаТiOз и твердые растворы на его основе. Эти материалы характеризуются нелинейной зависимостью ε от температуры и напряженности электрического поля.