Вопросы для самопроверки. Т2-2 Что является количественной характеристикой (мерой) способности диэлектрика поляризоваться?
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). Поляризованность Р - определяет интенсивность поляризации диэлектрика и является количественной характеристикой диэлектрика. Средний электрический момент, приходящийся на одну молекулу диэлектрика, дипольный момент молекулы
p = q.l, (1) где q - величина заряда, l - расстояние между центрами положительного и отрицательного заряда. Если существует n таких молекул (диполей) в 1 м3, то P = n.p. (2) Поляризованность Р, Кл.м/м3 совпадает по значению с поверхностной плотностью зарядов, возникающих на поверхности диэлектрика. Индуцированный полем электрический момент молекулы р, поляризованность диэлектрика Р и напряженность электрического поля Е векторные физические величины. Векторы Р и Е в изотропных кристаллических диэлектриках и текстурах совпадают и имеют различные направления в анизотропных средах. Для изотропных ("линейных") диэлектриков поляризованость Р пропорциональна напряженности внешнего поля Е: (3) где - безразмерный параметр, диэлектрическая восприимчивость; о - электрическая постоянная, 8.854.10-12 Ф/м. Для характеристики способности диэлектрических материалов к поляризации в технике используют безразмерный параметр - относительную диэлектрическую проницаемость . Из-за поляризации диэлектрика в электрическом поле на его противоположных сторонах возникают заряды Qд, знак которых противоположен знаку поляризационных зарядов на поверхности диэлектрика. Следовательно, полный заряд конденсатора с диэлектриком Q = Qо + Qд = .Qо. (4) где - относительная диэлектрическая проницаемость - один из важнейших параметров, характеризующих диэлектрические материалы. Относительная диэлектрическая проницаемость представляет собо отношение суммарного заряда конденсатора с диэлектриком к заряду того же конденсатора, если поместить его в вакууме без диэлектрика, т.е. = Q/Qо = (Qо + Qд)/Qо = 1 + Qд/Qо. (5) Из формулы (5) видно, что если Qд=0, что соответствует относительной диэлектрической проницаемости вакуума, то диэлектрическая проницаемость любого диэлектрика будет больше 1. В дальнейшем для краткости в большинстве случаев термин "относительная" при наименовании диэлектрической проницаемости, опускается.
Т5-3 Нарисуйте энергетические диаграммы собственных и примесных полупроводников. Свободными носителями заряда в полупроводниках как правило, являются электроны, возникающие в результате ионизации атомов самого полупроводника (собственная проводимость) или атома примеси (примесная проводимость). В некоторых полупроводниках носителями заряда могут быть ионы. На рисунке показана атомная модель кремния и энергетическая диаграмма собственного полупроводника, в котрором происходит процесс генерации носителей заряда. При абсолютном нуле зона проводимости пустая, как у диэлектриков, а уровни валентной зоны полностью заполнены. Под действием избыточной энергии Wo , появляющейся за счет температуры, облучения, сильных электрических полей и т.д., некоторая часть электронов валентной зоны переходит в зону проводимости. Энергия Wo в случае беспримесного полупроводника, равна ширине запрещенной зоны и называется энергией активации. В валентной зоне остается свободное энергетическое состояние, называемое дыркой, имеющей единичный положительный заряд.
Примесная проводимость. Поставка электронов в зону проводимости и дырок в валентную зону может быть за счет примесей, котроые могут ионизоваться уже при низкой температуре. Энергия их активации значительно меньше энергии, необходимой для ионизации основных атомов вещества. Примеси, поставляющие электроны в зону проводимости, занимают уровни в запретной зоне вблизи дна зоны проводимости. Они называются донорными. Приммеси, захватывающие электроны из зоны проводимости, располагаются на уровнях в запретной зоне вблизи потолка валентной зоны и называются акцепторными. На рисунке показаны энергетические диаграммы полупроводника, содержащего донорные и акцепторные примеси. Примеси с энергией Wo<0.1 эВ являются оптимальными. Их относят к "мелким" примесям. Мелкие уровни определяют электропроводность полупроводников в диапазоне температур 200-400 К, "глубокие" примеси ионизуются при повышенных температурах. Глубокие примеси, влияя на процессы рекомбинации, определяют фотоэлектрические свойства полупроводников. С помощью глубоких примесей можно компенсировать мелкие и получить материал с высоким удельным сопротивлением. Например, глубокими акцепторами можно полностью компенсировать влияние мелких донорных примесей. В примесном полупроводнике взаимосвязь между количеством электронов и дырок подчиняется закону действующих масс n . p=ni2, где ni собственная концентрация. Таким образом, чем больше вводится электронов, тем меньше концентрация дырок.
Т9-4 Изобразите схематично магнитный атомный порядок ферро-, ферри- и антиферромагнетиков. Ферромагнетики - вещества, в которых (ниже температуры Кюри) наблюдается магнитная упорядоченность, соответствующая параллельному расположению спинов в макроскопических областях (доменах) даже в отсутствие внешнего магнитного поля. km ферромагнетиков (также как и ) достигает больших положительных значений, сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Примеры ферромагнетиков: железо, никель, кобальт, их соединения и сплавы, некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия и др. При низких температурах некоторые редкоземельные элементы - гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий. Сплавы RCo5, где R редкоземельный элемент (Sm, Ce или Pr). Антиферромагнетики - характеризуются антиферромагнитным атомным порядком, возникающим из-за антипараллельной ориентации одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. Для антиферромагнетиков km=10-3-10-5 сильно зависит от температуры. При нагревании магнитная упорядоченность исчезает при температуре, называемой точкой Нееля (антиферромагнитная точка Кюри). Примеры антиферромагнетиков: хром, марганец, цезий, неодим, самарий и другие. Химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и др. MnSe, FeCl2, FeF2, CuCl2, MnO, FeO, NiO. Ферримагнетики - вещества с нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Как и антиферромагнетизм существует при температуре не выше точки Нееля. Выше этой температуры ферримагнетики переходят в парамагнитное состояние. К ферримагнетикам относятся некоторые упорядоченные металлические и различные оксидные соединения, наибольший интерес среди которых представляют ферриты MnO*Fe2O3, BaO*6Fe2O3, (NiO*ZnO)Fe2O3, Li2O*Fe2O3 и другие. МАГНИ́ТНАЯ СТРУКТУ́РА атомная, периодическое пространственное расположение и ориентация атомных магнитных моментов в магнитоупорядоченных монокристаллах (в ферро-, ферри- или антиферромагнетиках). Проявляется в существовании подрешеток магнитных. К коллинеарным магнитным структурам относятся ферромагнитная, антиферромагнитная и ферримагнитная структуры. В ферромагнитной магнитной структуре все магнитные моменты атомов направлены параллельно один другому. В такой структуре спонтанная намагниченность IS не равна 0 (см. магнитная элементарная ячейка). Примером кристаллов с подобным магнитным порядком могут служить такие ферромагнетики, как железо, никель, кобальт. В анитиферромагнитной структуре соседние узлы решетки заняты атомами, имеющими равные, но противоположно направленные магнитные моменты. В такой структуре магнитные моменты атомов взаимно компенсируются и IS = 0. Ось, вдоль которой располагаются антиферромагнитно упорядоченные магнитные моменты, называется осью антиферромагнетизма. Антиферромагнитные магнитные структуры могут иметь периоды большие, чем периоды атомной структуры, в целое число раз. Иногда осуществляются антиферромагнитные магнитные структуры с ориентацией магнитных моментов вдоль двух или трех осей и еще более сложные — зонтичные, треугольные и другие. Антиферромагнитная структура характерна, например, для кристаллов оксидов переходных металлов MnO, NiO, CoO, FeO. В ферримагнитной коллинеарной структуре соседние атомы также имеют антипараллельную ориентацию, но суммарный магнитный момент ячейки отличен от нуля. Такая структура будет обладать спонтанной намагниченностью, так как магнитные моменты ионов различных подрешеток оказываются нескомпенсированными. К ферримагнитным веществам принадлежат ферриты.
Рис. 1. Типичная картина атомной магнитноструктуры ферромагнети- ка. Все атомные магнитные моменты (стрелки) взаимнопараллельны и направлены в одну сторону (случай коллинеарной магнитной структуры).
Рис. 2. Типичная картина атомной магнитной структуры анти- ферромагнетика. Атомные магнитные моменты (стрелки) образуют две магнитные подрешетки (штриховая и штрихпунктирная линии) с антипараллельными направлениями намагниченности– коллинеарная структура, случай полного компенсированного антиферромагнетизма
Рис. 3. Типичная картина атомной магнитной структуры ферримагнетика. Атомные магнитные моменты (стрелки) образуют две различные магнитные подрешетки (штриховая и штрихпунктирная линии) с неравными, но противоположно направленными намагниченностями (стрелки, направленные вниз, длиннее, чем направленные вверх), случай коллинеарного ферримагнетизма Контрольный вопрос 18 Пластмассы, пенопласты, эластомеры. Применение. Пластическими массами (пластмассами) называются твердые материалы, которые на определенной стадии изготовления приобретают пластические свойства и в этом состоянии из них могут быть получены изделия заданной формы. Данные материалы представляют собой композиционные вещества, состоящие из связующего вещества, наполнителей, красителей, пластифицирующих и других компонентов. Исходными материалами для получения пластмассовых изделий являются прессовочные порошки и прессовочные материалы. По нагревостойкости пластмассы бывают термореактивные и термопластичные. Слоистые электроизоляционные пластмассы Слоистые пластмассы — материалы, состоящие из чередующихся слоев листового наполнителя (бумага или ткань) и связующего. Важнейшими из слоистых электроизоляционных пластмасс являются гетинакс, текстолит и стеклотекстолит. Они состоят из листовых наполнителей, располагающихся слоями, а в качестве связующего вещества использованы бакелитовые, эпоксидные, кремнийорганические смолы и их композиции. В качестве наполнителей применяют специальные сорта пропиточной бумаги (в гетинаксе), хлопчатобумажные ткани (в текстолите) и бесщелочные стеклянные ткани (в стеклотекстолите). Перечисленные наполнители сначала пропитывают бакелитовыми или кремнийорганическими лаками, сушат и режут на листы определенного размера. Подготовленные листовые наполнители собирают в пакеты заданной толщины и подвергают горячему прессованию, в процессе которого отдельные листы при помощи смол прочно соединяются друг с другом. Гетинакс и текстолит устойчивы к минеральным маслам, поэтому широко используются в маслонаполненных электроаппаратах и трансформаторах. Наиболее дешевым слоистым материалом является древесно-слоистая пластмасса (дельта-древесина). Она получается горячим прессованием тонких листов березового шпона, предварительно пропитанных бакелитовыми смолами. Дельта-древесина применяется для изготовления силовых конструкционных и электроизоляционных деталей, работающих в масле. Для работы на открытом воздухе этот материал нуждается в тщательной защите от влаги. Асбестотекстолит представляет собой слоистую электроизоляционную пластмассу, получаемую горячим прессованием листов асбестовой ткани, предварительно пропитанных бакелитовой смолой. Его выпускают в виде фасонных изделий, а также в виде листов и плит толщиной от 6 до 60 мм. Асбогетинакс — слоистая пластмасса, получаемая горячим прессованием листов асбестовой бумаги, содержащей 20% сульфатной целлюлозы или асбестовой бумаги без целлюлозы, пропитанных эпоксидно-фенолоформальдегидным связующим. Из рассмотренных слоистых электроизоляционных материалов наибольшей нагревостойкостью, лучшими электрическими и механическими характеристиками, повышенной влагостойкостью и стойкостью к грибковой плесени обладают стеклотекстолиты на кремнийорганических и эпоксидных связующих. Пенопласт (пенополистирол) - преставляет собой длинную углеводородную цепь, где каждый атом углерода соединяется с фенильной группой. отличный диэлектрик, хорошо работающий при любых частотах, полистирол активно применяется в электротехнике, даже для изготовления тонких ориентированных конденсаторных пленок Эластомеры
К ним относят натуральный и синтетический каучуки. Натуральный каучук получается из особых растений – каучуконосов. Эти растения содержат каучук в соке (латексе), представляющем взвесь в воде мелких частиц округлой формы (глобул). Каучук выделяется при коагуляции латекса и удалении примесей. По химическому составу натуральный каучук представляет собой полимерный углеводород, имеющий состав (С5Н8)n и строение, характеризуемое наличием двойных связей Уже при нагреве до 500С каучук размягчается и становится липким, а при низких температурах он хрупок. Каучук растворяется в углеводородах и сероуглероде. Раствор каучука в бензине называется резиновым клеем, применяется для склеивания каучука и резины. Каучук – аморфное вещество, но в растянутом состоянии он дает рентгенограммы, характерные для кристаллических тел, имеющих упорядоченное расположение молекул в пространстве. После снятия растяжения каучук вновь приобретает свойства аморфного тела. Для устранения низкой нагревостойкости и морозостойкости каучук подвергают вулканизации, т.е. нагреву с введением в него серы. При вулканизации происходит частичный разрыв двойных связей и сшивание цепочек через атомы серы. Вулканизация способствует повышению механической прочности и стойкости к растворителям. Добавками 1-3% серы получают мягкую резину (высокая растяжимость и упругость), 30-35% серы дают твердую резину (эбонит) – твердый материал с высокой стойкостью к ударным нагрузкам. Резину широко применяют как электроизоляционный материал и в качестве уплотнителей. Недостатки резины: низкая нагревостойкость, малая стойкость к неполярным жидкостям (бензол, бензин), малая стойкость к действию света, особенно ультрафиолетового, озона. Содержащиеся в резине остатки свободной (не связной химически с каучуком) серы оказывает вредное влияние воздействие на медь (образуется сернистая медь). Поэтому резиновую изоляцию на медную жилу непосредственно не накладывают. Медь покрывают разделителем, например оловом. На алюминий резину можно накладывать непосредственно. Для избежания такого недостатка с медью используют тиурамовую резину, т.е. вместо серы при вулканизации применяют тиураморганическое сернистое соединение. Тиурамовая резина не содержит свободной серы. Эта резина выдерживает нагревание до +650С. Сажевые резины (наполнитель - сажа) используются для выполнения оболочек кабелей (низкие электрические свойства). Чистый каучук практически неполярен, он имеет ρ≈1014Ом⋅м, ε=2,4, tgδ=0,002.
Задача №12 (12-1, 12-2) Определить красную границу внутреннего фотоэффекта для указанных полупроводников. Варианты полупроводниковых материалов: 1. GaAs 2. CdS
Если на полупроводник падает поток квантов электромагнитных излучений с энергией большей ширины запрещенной зоны , то возможен внутренний фотоэффект в полупроводнике - переход электронов, поглотивших квант излучения, из валентной зоны в зону проводимости. Из-за этого количество электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне и связанная с ними проводимость полупроводника возрастают. Явление увеличения проводимости полупроводника под влиянием падающих излучений получило название фотопроводимость полупроводников. Это явление очень важно для физики, так как позволяет определить две важных характеристики полупроводника - ширину запрещенной зоны и среднее время жизни носителей в полупроводнике. Ширину запрещенной зоны вычисляют по найденной экспериментально красной границе внутреннего фотоэффекта - максимальной длине волны излучения , при которой возможен внутренний фотоэффект. Для этого используют соотношение: Для заданных элементов определяем справочные значения ширины запрещенной зоны: GaAs: EЗ=1,32 (эВ), СdS: EЗ=2.42 (эВ) С учетом того, что 1 эВ = 1,6∙10-19 Значение постоянной Планка Скорость электромагнитных волн , определяем: GaAs:
