materialovedenie (Материаловедение), страница 2

В реальных полупроводниках по сравнению с этой теоретической картиной будет следующее отличие: благодаря наличию неосновных носителей (в p-зоне некоторого количества электронов и в n-зоне некоторого количества «дырок») в запертом состоянии через p – n-переход при наличии разности потенциалов на электродах будет осуществляться слабое проникновение электронов и «дырок», будет некоторая остаточная проводимость, обуславливающая наличие слабого обратного тока.

Полупроводниковые диоды разных типов имеют примерно следующую вольт-амперную характеристику.

+ I, A

+ U, B

- U, B

- I, mA

В правой части характеристики дана зависимость прямого тока от напряжения в пропускном (прямом) направлении. В левой части – зависимость обратного тока от напряжения в запирающем (обратном) направлении. Численные значения токов и напряжения изменяются в очень больших пределах в зависимости от свойств полупроводника.

1. Перечислите основные параметры магнитных материалов и начертите «петлю гистерезиса».

По особенностям магнитных свойств все материалы и вещества могут быть разделены на два вида: парамагнетики и диамагнетики. Парамагнетики отличаются тем, что при помещении их в магнитное поле они усиливают его внутри себя вследствие совпадения их намагничивания с направлением внешнего поля.

Диамагнетики ослабляют внутри себя магнитное поле, действующее извне, вследствие того что их намагничивание направлено против внешнего поля.

Магнитные свойства материалов связаны с вращением электронов в атомных ядрах вокруг собственных осей – электронные спины и орбитальным вращением электронов в атомах. Электроны, вращающиеся в атоме, являются элементарными магнитиками данного тела.

Кроме диамагнетиков и парамагнетиков, существуют ещё ферромагнетики– материалы, магнитная проницаемость которых значительно больше единицы и зависит от напряжённости магнитного поля (у диамагнетиков и парамагнетиков этой зависимости нет и величина их магнитной проницаемости постоянна). Поэтому у ферромагнетиков зависит от напряжённости также и намагниченность и индукция.

В качестве магнитных материалов в электротехнике применяются ферромагнетики и ферримагнитные химические соединения (ферриты).

Явление ферромагнетизма связано с образованием внутри некоторых материалов ниже определённой температуры (точка Кюри) таких кристаллических структур, при которых электронные спины в пределах определённых областей – магнитных доменов, оказываются ориентированны параллельно друг другу и одинаково направленными. То есть у ферромагнетика существует самопроизвольная (спонтанная) намагниченность без приложения внешнего магнитного поля. Но магнитные моменты отдельных доменов расположены неупорядоченно, вследствие чего суммарная намагниченность их равна нулю.

При наложении внешнего, даже слабого магнитного поля происходит рост доменов, намагниченность которых совпадает с внешним полем или близка к направлению внешнего поля, с одновременным сокращением размеров доменов, намагниченность которых сильно не совпадает с направлением внешнего поля. При достаточно сильном внешнем поле имеет место поворот векторов намагниченности некоторых доменов до их полного совпадения с направлением внешнего поля. В сильных полях завершаются рост доменов и поворот их векторов намагниченности, наступает магнитное насыщение.

Описанный выше процесс находит своё отражение на кривой намагничивания, представляющей собой зависимость магнитной индукции в материале от напряжённости магнитного поля. Магнитная проницаемость с ростом напряжённости магнитного поля проходит через максимум.

У ферритов физическая природа магнетизма несколько отличается от природы магнетизма обычных ферромагнетиков, но по основным техническим свойствам они во многом схожи друг с другом.

Если медленно производить намагничивание ферромагнетика во внешнем магнитном поле, а затем, начиная с какой – либо точки основной кривой намагничивания, начать уменьшать напряжённость поля, то индукция будет также уменьшаться, но не по основной кривой, а с отставанием.

То есть кривая изменения индукции примет форму замкнутой кривой – «петли гистерезиса».

В

Н_с

B_r

Н

- Н_с

- B_r

В зависимости от значений напряжённости внешнего магнитного поля можно получить целое семейство петель гистерезиса. Выберем из этих циклов предельный цикл, при котором достигается намагничивание материала до насыщения В_макс. Значение В при Н = 0 в процессе размагничивания образца, намагниченного до насыщения, называется остаточной индукцией B_r . Для доведения остаточной индукции до нуля необходимо довести силу магнитного поля до значения - Н_с (приложить обратно направленную напряженность поля Н_с), называемого коэрцитивной (задерживающей) силой.

Материалы с малым значением коэрцитивной силы и большой магнитной проницаемостью называются магнитно-мягкими материалами. Материалы с большой коэрцитивной силой и сравнительно малой проницаемостью носят название магнитно-твёрдых материалов.

Циклическое перемагничивание материала происходит с определёнными потерями энергии, её рассеиванием внутри материала в виде выделяющегося тепла. Что обусловлено потерями на гистерезис и динамическими потерями. Динамические потери вызываются вихревыми токами, индуктированными в массе магнитного материала, а отчасти и так называемой магнитной вязкостью, или магнитным последействием. Потери на один цикл перемагничивания пропорциональны площади петли гистерезиса и зависят от качества материала.

При температурах выше точки Кюри, магнитные материалы теряют свои ферромагнитные свойства. Для разных материалов точка Кюри имеет разные значения, являясь характеристикой магнитного материала.

Магнитные свойства ферромагнетиков в виде монокристаллов различны в разных направлениях. В поликристаллических материалах, каковыми являются обычно технические ферромагнетики, магнитная анизотропия имеет место за счёт условий обработки, например проката.

Магнитная анизотропия является причиной магнитострикции – изменения размеров при намагничивании.

Часть магнитных материалов хорошо поддаётся обычным методам обработки: прокатывается в достаточно тонкие листы (главным образом магнитно-мягкие материалы), куётся и отливается (главным образом магнитно-твёрдые материалы). Другие материалы в силу особенности своих свойств не поддаются этим методам обработки. Различные детали из них могут быть получены металлокерамическим способом (методом порошковой металлургии).

1. Опишите требования, предъявляемые к контактам и материалам, которые применяются для создания качественного контакта.

Наиболее ответственными контактами, применяемыми в электротехнике, являются контакты, служащие для периодического замыкания и размыкания электрических цепей (разрывные и скользящие контакты).

Материалы для разрывных контактов, применяемые при больших силах тока и высоких напряжениях должны обеспечивать высокую надёжность при малом переходном электрическом сопротивлении контактов в замкнутом состоянии, то есть исключать возможность обгорания контактирующих поверхностей и приваривания их друг к другу под действием электрической дуги, возникающей при разрыве контакта.

В качестве конструкционных материалов для разрывных контактов, помимо чистых тугоплавких металлов (например вольфрам), применяются различные сплавы и металлокерамические композиции. Большое применение имеет материал системы серебро – окись кадмия (Ag – CdO). Для разрывных контактов в установках большой мощности применяют композиции серебра (Ag) с кобальтом (Co), никелем (Ni), хромом (Cr), вольфрамом (W), молибденом (Mo), и танталом (Ta); меди (Cu) с вольфрамом и молибденом; золота (Au) с вольфрамом и молибденом.

Материалы для скользящих контактов должны обладать высокой стойкостью к истиранию. Для их изготовления применяют холоднотянутую (твёрдую) медь, бериллиевую бронзу, а также материалы системы Ag – CdO.

Для образования скользящего контакта между неподвижной и вращающейся частями электрической машины, то есть для подвода (или отвода) тока к коллектору или контактным кольцам, служат щётки.

Выпускается несколько марок щёток, отличающихся друг от друга составом и технологией изготовления. Для различных марок характерны определённые значения удельного сопротивления, допустимой плотности тока, линейной скорости на коллекторе, коэффициента трения, твёрдости щёток и т.д.

Различают щётки угольно-графитные (УГ), графитные (Г), электрографитированные (ЭГ), то есть подвергнутые термической электрообработке – графитированию, медно-графитные (М и МГ) – с содержанием металлической меди.

Щётки с содержанием порошкового металла обладают особенно малым электрическим сопротивлением и дают незначительное контактное падение напряжения между щётками и коллектором.

Для создания постоянного (не разрывного или скользящего) контакта с малым переходным сопротивлением применяются пайка и сварка металлов.

Список литературы.

1. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. Л., «Энергия», 1977.

2. Корицкий Ю.В. Электротехнические материалы. М. – Л., Госэнергоиздат, 1962.