Влияние сильных электрических полей на электропроводность полупроводников
В сильных электрических полях нарушается пропорциональность между плотностью тока в полупроводнике и напряженностью внешнего электрического поля:
J = γ× E, (3.10)
где J – плотность тока, γ- коэффициент пропорциональности, Е- напряженность внешнего электрического поля.
Рис.
3.10. Зависимость электропроводности от
напряжения электрического поля.
Это является следствием физических процессов, вызывающих изменение удельной проводимости полупроводника. Напряженность поля, которую условно можно принять за границу между областью слабых 1 и сильных 2 полей (рис. 3.10.), называют критической Екр. Эта граница не является резкой и определенной и зависит от природы полупроводника, концентрации примесей и температуры окружающей среды. Для ряда ПП зависимость удельной проводимости от напряженности поля описывается выражением:
γЕ = γ× exp b √Е (3.11)
где γ- удельная проводимость полупроводника при Е<Екр, b - коэффициент, характеризующий полупроводник.
Возрастание проводимости обусловлено ростом числа носителей заряда, т.к. под влиянием поля они более легко освобождаются тепловым возбуждением. При дальнейшем росте поля может появиться механизм ударной ионизации, приводящий к разрушению структуры полупроводника.
Магнитные свойства материалов, процессы в магнитных материалах.
Магнитные материалы, применяемые в электроустановках в основном те, которые, усиливают магнитное поле, находясь в нём. Такие материалы называются ферромагнитными, можно их назвать проще – ферромагнетики. К этим материалам относятся кобальт, железо, никель, а также многие их сплавы. Их используют в изготовлении сердечников электромашин, электромагнитов, трансформаторов и во многих других различных электромагнитных аппаратах и приборах.
Подробнее о физических процессах, происходящих в ферромагнетиках и в других магнитных материалах – диамагнетиках и парамагнетиках, можно узнать из науки физики. В данном же случае рассмотрим лишь те вопросы, касающиеся свойств, а также применения магнитных материалов в электрических устройствах.
При переменном магнитном поле ферромагнитные материалы работают во многих электроустановках, вследствие чего происходит перемагничивание магнитных материалов. При изменении магнитного поля в цикле, что происходит, например, при работе трансформаторов и электрических машин переменного тока, график намагничивания материала принимает форму замкнутой кривой, именуемой петлей гистерезиса.
В первый момент напряженность и магнитная индукция магнитного поля равны нулю. По мере возрастания напряженности магнитного поля увеличивается магнитная индукция и в определенный момент достигает максимального для данного материала значения. Магнитная индукция при уменьшении напряженности уменьшается, но её уменьшение происходит медленнее, поэтому когда напряженность становится равной нулю, магнитная индукция еще не достигает нулевого значения. Магнитную индукцию в намагниченном до максимума материале, при которой напряженность магнитного поля равна нулю, называют остаточной магнитной индукцией.
Например, изготовление постоянных магнитов основано на этом явлении. Напряженность, достигнув нулевого значения продолжает уменьшаться; уменьшается и магнитная индукция; когда напряженность достигнет значения коэрцитивной силы, магнитная индукция становится равной нулю – материал размагнитится.
В течение перемагничивания тратится часть энергии на нагревание материала. Число этой энергии (называют потери энергии на гистерезис) пропорционально к площади петли гистерезиса. Поэтому от петли гистерезиса, её формы, зависят его магнитные характеристики, что в свою очередь определяется свойствами материала.
Магнитно-твердые и магнитно-мягкие материалы различают следующим образом:
Магнитно-мягкие материалы обуславливаются незначительными потерями энергии на гистерезис, обладают малой коэрцитивной силой и большой магнитной проницаемостью. Этим характерно применение магнитно-мягких материалов в изготовлении электрических аппаратов и машин, а также трансформаторов и других устройств, так сказать, где нужно быстрое перемагничивание и намагничивание с небольшими потерями энергии.
Магнитно-твердые материалы обуславливаются относительно крупными потерями на гистерезис, располагают большой коэрцитивной силой, но также как и магнитно-мягкие материалы, имеют большую магнитную проницаемость. После снятия намагничивающего поля магнитно-твердые материалы остаются намагниченными, и поэтому их применение главным образом состоит в изготовлении постоянных магнитов.
Ещё одну характеристику важно учитывать для экономичного использования магнитных материалов. Согласно закону электромагнитной индукции в сердечниках электрических аппаратов, машин, действующих на переменном токе, появляются индукционные токи, которые называются вихревыми токами. Дело в том, что вихревые токи нагревают сердечник, то есть, магнитопровод, от чего часть энергии развивается в окружающее пространство, толком теряется. Такие энергетические потери называют потерями на вихревые токи. Понятно, что количество потерь на вихревые токи зависит от конструкции магнитопровода и удельного электрического сопротивления магнитного материала.
Изготавливают магнитопроводы с целью понижения значения вихревых токов, из легированной кремнием стали, и делают их не сплошными, а собирают из тонких листов (пластин), изолированных отдруг друга. Удельное электрическое сопротивление стали увеличивается из-за наличия в нём кремния, а пластины как бы разрезают контуры вихревых токов, которые в соответствии закону электромагнитной индукции образуются в плоскостях, перпендикулярных магнитным потокам в магнитопроводе.
Магнитномягкие материалы (МММ), свойства, применение.