МиКЭТ

Т2-5: Как связана частотная зависимость ε с механизмами поляризации?

Поляризацией называется состояние вещества, при котором элементарный объем диэлектрика приобретает электрический момент.

Возникновение (индуцирование) электрического момента в единице объема образца диэлектрического материала или участка электрической изоляции может происходить под действием электрического поля, механических напряжений или спонтанно (самопроизвольно).

С увеличением частоты в области низких частот ε полярных диэлектриков остается постоянной до тех пор, пока время релаксации дипольных молекул остается меньше полупериода электрического поля (1/2f), т. е. за это время диполи успевают полностью упорядочиться в направлении поля. При дальнейшем росте частоты, когда время полупериода становится меньше времени релаксации, которое от частоты не зависит, ε начинает уменьшаться вплоть до значений, определяемых электронной поляризацией. Следовательно, на высоких частотах дипольная поляризация отсутствует (τ << 1/2f), так как диполи не успевают следовать за электрическим полем. Область уменьшения ε в ее частотной зависимости называется дисперсией диэлектрической проницаемости (рис. 1).

рис. 1

В диэлектриках сложной структуры при наличии в них нескольких физических механизмов поляризации, например, за счет различных полярных групп молекул или нескольких компонентов смешанного диэлектрика с различными временами релаксации в зависимости от частоты, может наблюдаться несколько областей дисперсии.

Т5-13: Что такое энергия активации собственной и примесной проводимости? Чему равны эти энергии?

В зонной модели значит, что для того, чтобы пере­вести электрон в зону проводимости, необходимо значительно меньшее количество энергии, чем то, которым определяется расстояние между верхним уровнем валент­ной зоны £_р (потолком валентной зоны) и нижним уровнем зоны проводимости К_с (дном зоны проводимости). А это, в свою очередь, обозначает, что уровни, на которых будут находиться такие электроны, должны располагаться в запрещенной зоне вблизи от дна зоны проводимости (рис. 2). При очень низких температурах избыточные электроны находятся на этих уровнях, но уже при незначительном повышении температуры получают достаточное для перехода в зону проводимости количество энергии. Количество энергии, необходимое для переброса такого электрона в зону проводимости, называется энергией акти­вации примеси.

Рис. 2 Модель образования электронной примесной электропро­водности:

1) в плоском изображении; 2) на зонной примесной диаграмме

Энергия, которая должна быть затрачена для создания в кристаллах чистых полупроводников электропроводности, называ­ется энергией активации собственной проводимости.

С повышением температуры возрастает число разрывов ковалентных связей и увеличивается количество свободных элек­тронов в кристаллах чистых полупроводников. Это означает, что удельная электропроводность чистых полупроводников увеличива­ется с повышением температуры. Соответственно удельное сопро­тивление чистых полупроводников уменьшается при нагревании. Этим полупроводники существенно отличаются от металлов, у которых удельное сопротивление увеличивается при нагревании.

Т11-11: Что такое термопара? Перечислите наиболее известные материалы для термопар.

Термопа́ра (термоэлектрический преобразователь температуры) — термоэлемент, применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах, а также в системах автоматизации.

Международный стандарт на термопары МЭК 60584 дает следующее определение термопары: Термопара — пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых не находится вторичный преобразователь (измеритель термо-ЭДС), удобно использовать дифференциальную термопару: две одинаковых термопары, соединенных навстречу друг другу (см. рисунок). Каждая из них измеряет перепад температур между своим рабочим спаем и условным спаем, образованным концами термопар, подключёнными к клеммам вторичного преобразователя, но вторичный преобразователь измеряет разность их сигналов, таким образом, две термопары вместе измеряют перепад температур между своими рабочими спаями.

Технические требования к термопарам определяются ГОСТ 6616-94.Стандартные таблицы для термоэлектрических термометров (НСХ), классы допуска и диапазоны измерений приведены в стандарте МЭК 60584-1,2 и в ГОСТ Р 8.585-2001.

платинородий-платиновые — ТПП13 — Тип R

платинородий-платиновые — ТПП10 — Тип S

платинородий-платинородиевые — ТПР — Тип B

железо-константановые (железо-медьникелевые) ТЖК — Тип J

медь-константановые (медь-медьникелевые) ТМКн — Тип Т

нихросил-нисиловые (никельхромникель-никелькремниевые) ТНН — Тип N.

хромель-алюмелевые — ТХА — Тип K

хромель-константановые ТХКн — Тип E

хромель-копелевые — ТХК — Тип L

медь-копелевые — ТМК — Тип М

сильх-силиновые — ТСС — Тип I

вольфрам и рений — вольфрамрениевые — ТВР — Тип А-1, А-2, А-3

Точный состав сплава термоэлектродов для термопар из неблагородных металлов в МЭК 60584-1 не приводится. НСХ для хромель-копелевых термопар ТХК и вольфрам-рениевых термопар определены только в ГОСТ Р 8.585-2001. В стандарте МЭК данные термопары отсутствуют. Тип L установлен только в немецком стандарте DIN 43710 и стандартные таблицы отличаются от таблиц для термопар ТХК.

В настоящее время стандарт МЭК 60584 пересматривается. Планируется введение в стандарт вольфрам-рениевых термопар типа А-1, НСХ для которых будет соответствовать российскому стандарту, и типа С по стандарту АСТМ .

В 2008 г. МЭК ввел два новых типа термопар: золото-платиновые и платино-палладиевые. Новый стандарт МЭК 62460 устанавливает стандартные таблицы для этих термопар из чистых металлов.

Вопрос 12: Пробой диэлектриков и виды пробоя. Количественный параметр пробоя.

Пробой диэлектриков - резкое возрастание электропроводности диэлектрика в электрическом поле, напряженность которого превышает т. н. электрическую прочность и образование проводящего канала в диэлектрике. Пробой диэлектриков может сопровождаться их разрушением.

Минимальное приложенное к диэлектрику напряжение, приводящее к его пробою, называют пробивным напряжением Uпр.

Предпробойное состояние диэлектрика характеризуется резким возрастанием тока, отступлением от закона Ома в сторону увеличения проводимости.

Пробой газообразных диэлектриков

Пробой газов определяется двумя механизмами - лавинным и лавинно-стримерным, связанными с процессами ударной ионизации электронами и фотоионизацией. Для пробоя газа в постоянном однородном поле (рис. 12.1) характерна зависимость Епр от давления. Давление 0,1 МПа соответствует нормальному атмосферному давлению. Eпр при больших давлениях растет в связи с уменьшением длины свободного пробега электронов и уменьшением вероятности актов ионизации; возрастание Eпр при малых давлениях связано с уменьшением вероятности столкновения электронов с молекулами газа из-за малой плотности газа. Eпр воздуха в однородном поле растет, как показано на рис. 12.2 с уменьшением расстояния между электродами из-за уменьшения вероятности столкновения электронов с молекулами газа.

рис. 12.1

рис. 12.2

Пробивное напряжение газов существенно снижается в неоднородных полях, например для воздуха при h=l см от 30 кВ до 9 кВ. В неоднородном поле влияет также полярность электродов. Так для электродов с малым радиусом кривизны Uпр при положительной полярности оказывается меньше, чем при отрицательной. Это связано с образованием положительного объемного заряда у острия в результате развития коронного разряда, что приводит к возрастанию напряженности поля в остальной части промежутка.

Пробой жидких диэлектриков

Электрическая форма пробоя, развивающаяся за время 10 -5-10 -8 с, наблюдается в тщательно очищенных жидких диэлектриках и связывается с инжекцией электронов с катода. Епр при этом достигает 107 В/м, В технически чистых жидких диэлектриках пробой носит тепловой характер.

На электрический пробой жидких диэлектриков влияют многие факторы, числу которых относятся материал электродов, примеси, загрязнение жидкости; дегазация жидкости и электродов; длительность воздействия напряжения; скорость возрастания напряжения и его частоты; температура, давление и др.

В неочищенных жидкостях пробивное напряжение определяется действующим значением (тепловой характер пробоя), в очищенных-амплитудным (электрическая форма пробоя). Более сильное влияние примесей и загрязнений как жидких, так и газообразных сказывается на низких частотах. Увеличение электрической прочности трансформаторного масла происходит при фильтрации и сушке (при частоте 50 Гц- втрое, на частоте 105 Гц- только на 30%).

Для многих жидкостей в зависимости пробивного напряжения от температуры имеется максимум при температурах 30-80°С, высота которого уменьшается с ростом частоты (в пределах 0,4-12 МГц). Кривая тангенса угла диэлектрических потерь при температуре максимума проходит через минимум.

Увеличение давления от 60 до 800 мм. рт. ст. увеличивает пробивное напряжение на 200-300%.

Добавка к жидкости частиц вещества с диэлектрической проницаемостью большей, чем у жидкости, приводит к росту тока в несколько раз.

Пробой твердых диэлектриков

В твердых диэлектриках, наряду с электрическим, тепловым и электрохимическим пробоем возможны также ионизационный, электромеханический и электротермический механизмы пробоя.

Ионизационный пробой можно наблюдать в полимерных диэлектриках, содержащих газовые поры, в которых развиваются процессы ионизации - так называемые частичные разряды. В результате электронно-ионной бомбардировки стенок пор и действии оксидов азота и озона полимер изменяет химический состав и механически разрушается.

Электротермический пробой характерен для хрупких диэлектриков и пористых керамик. Он возникает в результате механического разрушения из-за развития микротрещин под действием разрядов в газовых включениях, которые образуют перегретые области диэлектрика.

Электромеханический пробой - механическое разрушение полимера при высоком напряжении в результате того, что полимер находится в высокоэластичном состоянии. Причиной является уменьшение толщины диэлектрика из-за электростатического притяжения электродов под действием высокого напряжения.

Литература:

1. Казанцев, А. П., Электротехнологические материалы: учеб. пособие / А. П. Казанцев. – Мн.: Дизайн ПРО, 1988, 2001 г.

2. Пасынков, В. В., Материалы электронной техники: учеб. пособие / В. В.Пасынков – М.: ВШ., 1980 г.

3. Пасынков, В. В. Материалы электронной техники / В. В. Пасынков, В. С. Сорокин, – М., ВШ., 1986 г., «Лань», 2003 г.

4. Преображенский, А. А. Магнитные материалы и элементы / А. А. Преображенский – М.: ВШ., 1976 г.

5. Степаненко, И. П. Основы микроэлектроники / Степаненко И. П. – М., Сов. радио, 1980 г., М.: 2003 г.

6. Шалимова, К. В. Физика полупроводников / К. В. Шалимова – М.: Энергия, 1976 г., М.: Энергоатомизд, 1985г.