ИЭ / Экзамен / Учебное пособие ЭТМ

При нормальных условиях (20 ° С и 760 мм рт. ст.) ЭТМ подразделяются следующим образом:

проводники: ρ менее 10- 5 Ом·м. Представители проводников с высокой электропроводностью: серебро ρ = 1,6·10- 8 Ом·м, медь ρ = 1,7·10- 8 Ом·м и другие;

диэлектрики: ρ более 108 Ом·м. Представители диэлектриков, имеющих столь высокое ρ,: оксид алюминия (Al2O3), фторопласт-4 (тефлон, фторлон), диоксид кремния (SiO2) и другие;

полупроводники: ρ более10- 6 и менее 109 Ом·м. Представители полупроводников: германий ρ = 0,47 Ом·м, кремний ρ = 2000 Ом·м и другие.

Схематично распределение ЭТМ по поведению в электрическом поле приведено на рис. 2.1.

r, Ом×м

Рис. 2.1. Распределение ЭТМ по поведению в электрическом поле

У полупроводников при нагреве удельное электрическое сопротивление снижается, и они могут перейти (по величине ρ) в группу проводников, а при охлаждении удельное электрическое сопротивление, наоборот, растет и полупроводник приобретает свойства диэлектрика. Иными словами, в широком интервале температур при росте температуры у полупроводников и диэлектриков увеличивается удельная электропроводность; при уменьшении температуры, наоборот, электропроводность диэлектриков и полупроводников уменьшается. При температуре близкой к 0 К все полупроводники переходят в группу диэлектриков с величиной γ, стремящейся к 0. Что же касается проводников, то при температуре 0 К у проводников, кроме случая сверхпроводников, ρ больше 0. Причина такого поведения в том, что проводящее состояние для проводников является основным, в то

13

время как для диэлектриков и полупроводников это возбужденное состояние. Таким образом, при температуре близкой к абсолютному нолю, по величине γ все полупроводники являются диэлектриками, в то время как проводники остаются проводниками.

Блок-схема, иллюстрирующая классификацию ЭТМ по поведению в электрическом поле, представлена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Классификация ЭТМ по поведению

вэлектрическом поле

2.2.КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПО ПОВЕДЕНИЮ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Магнитные свойства материалов, в первую очередь, определяются характером движения электронов в атоме. Влияние движения нуклонов в атомных ядрах на магнитные свойства веществ пренебрежимо мало. Электроны в атоме, в первом приближении, участвуют в двух видах движения: вращение электрона вокруг собственной оси («спин») и орбитальное (круговое) движение электрона вокруг атомных ядер. Эти движения создают круговые токи. Из электродинамики известно, что движение электрического заряда (в данном случае — электрона) приводит к возникновению магнитного момента и магнитного поля в окружающем пространстве. Это поле будет взаимодействовать как с внешним магнитным полем, так и с внутренними магнитными полями, в результате движения электронов в атомах,

14

составляющих вещество. Последнее предопределяет зависимость магнитных свойств материала от его структуры.

Критерием для классификации является величина относительной магнитной проницаемости, обозначаемая согласно ГОСТ 1494−77 символом µr. (Далее в тексте с целью упрощения нижний индекс r (от английского слова relative — относительный) не используется). Относительная магнитная проницаемость определяется следующим выражением:

где В — магнитная индукция, (Тл); Н — напряженность магнитного поля, (А/м); µ0 = 4π·10- 7 Гн/м — магнитная постоянная.

По величине относительной магнитной проницаемости все материалы подразделяются на слабомагнитные и сильномагнитные материалы.

Слабомагнитные ЭТМ (µ приблизительно равно 1). Слабомагнитные материалы по поведению в магнитном поле

подразделяются на диамагнетики, парамагнетики и антиферромагнетики.

Диамагнетики имеют µ меньше 1 при отсутствии зависимости µ от напряженности магнитного поля и температуры µ ≠ f (Н, Т).

Представители: водород (Н2), все инертные газы, серебро (Ag), медь (Cu), золото (Au), бериллий (Be), хлорид натрия (NaCl), сверхпроводники при температуре менее Тс, нефть, вода, кремний, германий и другие. (Например, µ меди = 0,9999906). Характерная особенность — диамагнетики выталкиваются из магнитного поля. Диамагнетизм присущ в той или иной степени всем веществам, независимо от их структуры.

Парамагнетики с величиной µ больше 1 при отсутствии зависимости µ от напряженности магнитного поля µ ≠ f (Н) и при наличии зависимости µ от температуры.

15

Представители: кислород (O2), оксид азота (NO2), воздух, платина (Pt), алюминий (Al), натрий (Na) и другие. (Например,

µ воздуха = 1,000003).

Антиферромагнетики с величиной µ больше 1 при наличии зависимости µ от напряженности магнитного поля и температуры

µ = f (Н, Т).

Представители: марганец (Mn), хром (Cr), РЗО (редкоземельные оксиды) и РЗЭ (редкоземельные элементы (лантаноиды): № 57 (лантан) ÷ № 71 (лютеций)). Антиферромагнетики при нагреве претерпевают фазовый переход и становятся парамагнетиками.

При расчетах в технике для слабомагнитных материалов принимают значение µ равное 1.

Сильномагнитные ЭТМ (µ много больше 1 (до 106) и

µ = f (Н, Т)) — представляют большой интерес для техники в отличие от слабомагнитных материалов и широко применяются.

Сильномагнитные материалы имеют специфическую структуру, которая обусловлена наличием доменов. («Домéн» от французского слова «domine» — область). Доменная структура присуща и слабомагнитным материалам, но влияние этой структуры, кроме случая антиферромагнетиков, менее ярко выражено, чем в сильномагнитных материалах. Внутри доменов имеет место спонтанная ориентация магнитных моментов частиц, что приводит к большому суммарному магнитному моменту домена. Домены имеют макроскопические размеры с объемом 0,001 ÷ 10 мм3. В отсутствии внешнего магнитного поля (Н) магнитные моменты доменов ориентируются хаотически и компенсируют взаимное влияние. При наличии внешнего магнитного поля появляется преимущественная ориентация магнитных моментов (рис. 2.3), все дипольные моменты в доменах выстраиваются преимущественно по направлению магнитного поля, и материал приобретает большую намагниченность и имеет высокое значение магнитной проницаемости.

16

Сильномагнитные материалы подразделяются по химическому составу на две группы: ферромагнетики и ферримагнетики.

Ферромагнитные ЭТМ имеют µ много больше 1 (до 106) и µ =f (Н, Т). Представители: железо (Fe), кобальт (Co), никель (Ni) и их сплавы, а также некоторые РЗЭ (гадолиний (Gd), эрбий (Er), диспрозий (Dy) и др.)

Температура Кюри, при которой наблюдается резкий спад µ (рис. 2.5), связанный с тепловой разориентацией магнитных моментов в доменах, приведена в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Температура Кюри некоторых ферромагнитных материалов

Ферримагнитные ЭТМ имеют µ много больше 1 (до 106) и µ = f (Н, Т). Удельное сопротивление ферромагнетика много меньше, чем удельное сопротивление ферримагнетика, то есть ферромагнетик — это проводник, а ферримагнетик — это полупроводник:

Иногда ферримагнетики называют «магнитными полупроводниками». Ферримагнетики отличаются, как было отмечено выше, от ферромагнетиков химическим составом. Они представляют собой смесь оксидов металлов; если в смеси есть оксид железа, то такой ферримагнетик называется феррит.

Общая формула феррита: МеО·Fe2O3, где МеО — оксид металла. Примеры ферритов: MnO – ZnO – Fe 2O3 — марганец-цинковый фер-

рит; NiO – ZnO – Fe 2O3 — никель-цинковый феррит; BaO·6Fe2O3 —

бариевый феррит.

Ферриты — это керамика, которая получается из порошкообразных оксидов путем формования (например, прессования) и

18

высокотемпературной обработки (спекание) в строго контролируемой газовой среде (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Технологический цикл изготовления ферритов

Керамика значительно более дешевый материал, чем никель и кобальт. Это, а также возможность использования ферритов при высоких частотах, предопределили широкое использование ферритов в современной радиоэлектронике.

Выводы (по сильномагнитным материалам):

в технике используются сильномагнитные материалы; ферромагнетики (железо, кобальт, никель и их сплавы) приме-

няются при низких частотах, а ферриты при средних и высоких, в том числе при сверхвысоких частотах (СВЧ) (рис. 2.7);

остаточная намагниченность (Br) у ферромагнетиков больше, чем у ферримагнетиков: ферромагнетики: Br = Br max = 2,4 Тл; ферримагнетики: Br = Br max = 0,15 – 0,5 Тл. Остаточная намагниченность материала имеет большое значение, в частности, для постоянных магнитов.

Рис. 2.7. Частотная зависимость µ для сильномагнитных материалов

19

2.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПО ПРИМЕНЕНИЮ В ТЕХНИКЕ

Критерием для классификации является область техники, в которой применяется материал и его отдельные электрофизические свойства. Исходя из существования трех, взаимно дополняющих друг друга, классификаций ЭТМ по поведению в электрическом и магнитном полях и по применению в технике, общую классификацию электротехнических материалов можно представить следующим образом

(рис. 2.8).

ЭТМ по применению в технике делятся на проводники, полупроводники, диэлектрики и магнитные материалы.

Рис. 2.8. Классификация ЭТМ

Проводники (ρ20 ° С менее 10- 5 Ом·м). По применению в технике проводники делятся на:

проводники с высокой электропроводностью ρ20 ° С менее 5·10- 8 Ом·м. Эти проводники должны иметь минимальное содержание примесей, порядка 10- 4 %. Применяются для монтажных проводов, кабелей, интегральных схем, компакт-дисков и др.;

проводники с высоким удельным электрическим сопротивлением более 10- 6 и менее 10- 5 Ом·м. Данные проводники, как правило, представляют собой сплавы, например, нихром (Ni – Cr – Fe), или проводящие модификации углерода. Применяются в нагревательных приборах, резисторах, термопарах, подвижных электрических контактах.

20

Полупроводники (10- 6< ρ20 ° С < 109 Ом·м). В полупроводниках содержание примесей должно быть меньше или равно 10- 8 %, причем примеси должны быть строго контролируемыми для изменения типа проводимости. Важнейшие полупроводники: Si, Ge, SiC, GaAs. Полупроводники применяются для создания полупроводниковых электронных приборов (транзисторы, тиристоры, микропроцессоры, лазеры, солнечные элементы и другое).

Диэлектрики (ρ20 ° С более 10- 8 Ом·м). Мерой поляризации диэлектрика является относительная диэлектрическая проницаемость, обозначаемая в соответствии с ГОСТ 1494−77 символом εr (индекс r от английского слова «relative» — относительный). Далее в тексте индекс r не используется с целью упрощения индексации параметров.

Согласно одному из уравнений электромагнитного поля

где εа — абсолютная диэлектрическая проницаемость, определяемая выражением εа = ε·ε0.

Таким образом, относительная диэлектрическая проницаемость

где D — электрическая индукция, (Кл/м2), которая характеризует количество заряда, протекающего через некоторую поверхность, отнесенного к этой поверхности; Е — напряженность электрического поля, (В/м); ε0 = 8,85·10- 12 Ф/м — электрическая постоянная.

Относительная диэлектрическая проницаемость (ε) показывает во сколько раз емкость конденсатора (Сд) с диэлектриком больше емкости того же конденсатора, между обкладками котороговакуум(Со):

21

По применению в технике диэлектрики делятся на пассивные и активные.

Пассивные или линейные диэлектрики характеризуются от-

сутствием зависимости относительной диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля меньшей величины электрической прочности диэлектрика (рис. 2.9).

Пассивные диэлектрики — это электроизоляционные материалы. По ГОСТ «назначение электрической изоляции — воспрепятствовать прохождению тока путями, нежелательными для данной электрической схемы». Иными словами, удельное электрическое сопротивление должно стремиться к максимуму.

Рис. 2.9. Зависимость ε и D от Е для пассивного (линейного) диэлектрика

При этом следует различать два случая:

если материал используется только как электрический изолятор, то относительную диэлектрическую проницаемость стремятся уменьшить до минимума. Это будет способствовать уменьшению вероятности возникновения паразитных наводок в электрической схеме. Кроме того, при использовании пассивного диэлектрика в печатных платах уменьшение ε способствует увеличению быстродействия;

если пассивный диэлектрик используется как конденсаторный материал, то относительную диэлектрическую проницаемость

22