Вот ответы на вопросы из билета № БАТ-20 по дисциплине «Электроматериаловедение».
УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт химических технологий и инжиниринга
Кафедра автоматизированных технологических и информационных систем
БИЛЕТ № БАТ-20 на диф-зачет
по дисциплине «Электроматериаловедение»
по профилю 27.03.04 Системы и средства автоматизации технологических процессов
1. Сплавы для термопар, тензометрические сплавы.
2. Свойства p-n перехода при наличии внешнего поля.
3. Электропроводность твердых диэлектриков. Различие проводимостей у кристаллов и аморфных тел.
4. Ферриты.
***
1. Сплавы для термопар, тензометрические сплавы.
Термопарные сплавы
Термопара – это устройство для измерения температуры, основанное на термоэлектрическом эффекте (эффекте Зеебека). Она состоит из двух проводников из разных металлов или сплавов, соединенных на одном конце (рабочий спай). При наличии разности температур между рабочим спаем и свободными концами возникает термоЭДС (термоэлектродвижущая сила), величина которой зависит от разности температур и свойств материалов.
Основные требования к термопарным сплавам:
* Высокая термоЭДС в широком диапазоне температур.
* Стабильность термоЭДС во времени.
* Высокая температура плавления.
* Коррозионная стойкость.
* Механическая прочность.
* Воспроизводимость свойств.
Примеры термопарных сплавов:
* Хромель (никель-хром) – положительный электрод.
* Копель (никель-медь) – отрицательный электрод.
* Алюмель (никель-алюминий-марганец-кремний) – отрицательный электрод.
* Константан (медь-никель) – отрицательный электрод.
* Платинородиевые сплавы (платина-родий) – используются для высокотемпературных термопар.
Тензометрические сплавы
Тензорезистор – это датчик, предназначенный для измерения деформаций (механических напряжений). Его работа основана на тензорезистивном эффекте – изменении электрического сопротивления проводника при его деформации.
Основные требования к тензометрическим сплавам:
* Высокий коэффициент тензочувствительности (отношение относительного изменения сопротивления к относительной деформации).
* Малый температурный коэффициент сопротивления.
* Стабильность свойств во времени.
* Хорошая адгезия к подложке.
* Механическая прочность и пластичность.
Примеры тензометрических сплавов:
* Константан (медь-никель) – широко используется благодаря высокому коэффициенту тензочувствительности и малому температурному коэффициенту сопротивления.
* Нихром (никель-хром) – применяется при высоких температурах.
* Платиновые сплавы – используются для высокоточных измерений.
* Сплавы на основе железа и никеля.
***
2. Свойства p-n перехода при наличии внешнего поля.
p-n переход – это область контакта между полупроводниками p-типа (с преобладанием дырочной проводимости) и n-типа (с преобладанием электронной проводимости). На границе раздела образуется обедненный слой, в котором практически отсутствуют свободные носители заряда, и возникает контактная разность потенциалов (потенциальный барьер).
Свойства p-n перехода при прямом смещении (внешнее поле приложено в прямом направлении)
Прямое смещение означает, что к p-области приложен положительный потенциал, а к n-области – отрицательный.
* Внешнее электрическое поле направлено навстречу внутреннему полю p-n перехода.
* Высота потенциального барьера уменьшается.
* Ширина обедненного слоя уменьшается.
* Основные носители заряда (дырки из p-области и электроны из n-области) начинают инжектироваться через переход.
* Через p-n переход протекает значительный ток, величина которого экспоненциально зависит от приложенного напряжения (характеристика диода).
* Сопротивление p-n перехода при прямом смещении мало.
Свойства p-n перехода при обратном смещении (внешнее поле приложено в обратном направлении)
Обратное смещение означает, что к p-области приложен отрицательный потенциал, а к n-области – положительный.
* Внешнее электрическое поле направлено в ту же сторону, что и внутреннее поле p-n перехода.
* Высота потенциального барьера увеличивается.
* Ширина обедненного слоя увеличивается.
* Основные носители заряда отталкиваются от перехода, а неосновные носители (электроны из p-области и дырки из n-области) притягиваются.
* Через p-n переход протекает очень малый ток, называемый обратным током насыщения, который обусловлен движением неосновных носителей заряда.
* Сопротивление p-n перехода при обратном смещении очень велико.
* При достижении определенного обратного напряжения (напряжения пробоя) происходит резкое увеличение обратного тока из-за лавинного или туннельного пробоя.
***
3. Электропроводность твердых диэлектриков. Различие проводимостей у кристаллов и аморфных тел.
Диэлектрики – это вещества, которые плохо проводят электрический ток. Их электропроводность очень низка по сравнению с проводниками и полупроводниками.
Механизмы электропроводности твердых диэлектриков
Электропроводность диэлектриков обусловлена движением свободных носителей заряда, которых в них очень мало. Основные механизмы:
1. Электронная проводимость: Возникает за счет электронов, перешедших из валентной зоны в зону проводимости под действием тепловой энергии или внешнего электрического поля. В диэлектриках ширина запрещенной зоны велика (более 3 эВ), поэтому концентрация свободных электронов очень мала.
2. Ионная проводимость: Обусловлена движением ионов в кристаллической решетке. При повышении температуры ионы могут перемещаться по вакансиям или междоузлиям. Этот механизм становится заметным при высоких температурах.
3. Примесная проводимость: Связана с наличием примесей в диэлектрике, которые могут создавать дополнительные уровни энергии в запрещенной зоне, облегчая переход электронов в зону проводимости или образование дырок.
4. Поверхностная проводимость: Возникает по поверхности диэлектрика из-за адсорбированных молекул воды, пыли или других загрязнений, которые могут образовывать проводящие слои.
Различие проводимостей у кристаллов и аморфных тел
Кристаллические диэлектрики
* Имеют упорядоченную кристаллическую решетку.
* Энергетические зоны четко определены.
* Проводимость в основном обусловлена собственными электронами (при высоких температурах) и ионами (при очень высоких температурах).
* Примесная проводимость может быть значительной, если присутствуют дефекты решетки или примеси.
* Электропроводность может быть анизотропной (зависеть от направления) в некубических кристаллах.
Аморфные диэлектрики (стекла, полимеры)
* Не имеют дальнего порядка в расположении атомов, структура неупорядочена.
* Энергетические зоны размыты, вместо четких зон существуют локализованные состояния в запрещенной зоне.
* Проводимость в основном осуществляется по локализованным состояниям (прыжковый механизм) или за счет ионов, которые могут перемещаться по более свободным каналам в неупорядоченной структуре.
* Аморфные тела часто имеют более высокую ионную проводимость по сравнению с кристаллическими аналогами из-за большей подвижности ионов в неупорядоченной структуре.
* Электропроводность изотропна (не зависит от направления).
* В полимерах проводимость может быть связана с движением ионов, остаточных катализаторов или примесей.
В целом, электропроводность аморфных диэлектриков часто выше, чем у кристаллических, из-за наличия большого количества дефектов и локализованных состояний, которые облегчают движение носителей заряда.
***
4. Ферриты.
Ферриты – это класс магнитных материалов, представляющих собой химические соединения оксида железа (III) \( \text{Fe}_2\text{O}_3 \) с оксидами других двухвалентных металлов, таких как никель (Ni), цинк (Zn), марганец (Mn), магний (Mg), барий (Ba) и др. Общая формула ферритов со структурой шпинели: \( \text{MeFe}_2\text{O}_4 \), где \( \text{Me} \) – двухвалентный металл.
Структура и свойства
Большинство ферритов имеют кристаллическую структуру шпинели или граната.
* Шпинельные ферриты: Наиболее распространенный тип. Имеют кубическую кристаллическую решетку, в которой ионы кислорода образуют плотноупакованную структуру, а ионы металлов располагаются в тетраэдрических (A) и октаэдрических (B) пустотах. Магнитные свойства обусловлены антипараллельным расположением магнитных моментов ионов железа в A- и B-позициях (ферримагнетизм).
* Гранатовые ферриты: Например, иттрий-железный гранат (YIG, \( \text{Y}_3\text{Fe}_5\text{O}_{12} \)). Имеют более сложную кубическую структуру и используются в СВЧ-технике.
* Гексагональные ферриты: Например, бариевые ферриты (BaFe\(_{12}\)O\(_{19}\)). Обладают высокой магнитной анизотропией и используются для изготовления постоянных магнитов.
Основные свойства ферритов:
1. Ферримагнетизм: Ферриты являются ферримагнетиками, то есть их магнитные свойства похожи на ферромагнетики (обладают спонтанной намагниченностью), но обусловлены антипараллельным расположением магнитных моментов ионов, которые не полностью компенсируют друг друга.
2. Высокое электрическое сопротивление: В отличие от металлических ферромагнетиков, ферриты являются полупроводниками или диэлектриками. Это их ключевое преимущество, так как высокое сопротивление значительно снижает потери на вихревые токи при работе на высоких частотах.
3. Высокая магнитная проницаемость: Позволяет эффективно концентрировать магнитное поле.
4. Низкие потери на высоких частотах: Благодаря высокому электрическому сопротивлению, ферриты идеально подходят для применения в высокочастотной электронике.
5. Температурная зависимость: Магнитные свойства ферритов сильно зависят от температуры, вплоть до точки Кюри, выше которой они становятся парамагнетиками.
Применение ферритов
Благодаря уникальному сочетанию магнитных и электрических свойств, ферриты широко используются в различных областях:
* Высокочастотная техника:
* Сердечники для катушек индуктивности, трансформаторов, дросселей в радиоэлектронике, телекоммуникациях, импульсных источниках питания.
* Магнитные антенны.
* Фильтры, циркуляторы, изоляторы в СВЧ-диапазоне.
* Запоминающие устройства:
* В прошлом использовались в ферритовых кольцах для оперативной памяти компьютеров.
* Постоянные магниты:
* Гексагональные ферриты (например, бариевые и стронциевые) используются для изготовления постоянных магнитов, применяемых в электродвигателях, громкоговорителях, магнитных защелках.
* Магнитные экраны:
* Для защиты от электромагнитных помех.
* Магнитооптические устройства:
* В некоторых ферритах наблюдается эффект Фарадея, что позволяет использовать их в оптических изоляторах и модуляторах.
* Медицина:
* В качестве контрастных веществ для МРТ, в магнитной гипертермии.
Ферриты являются незаменимыми материалами в современной электронике и радиотехнике, особенно там, где требуется работа на высоких частотах с минимальными потерями энергии.
***
Зав. кафедрой АТИС
Лектор
д.т.н. Муравьева Е.А.
Лежнев В.А.
