lekcii (774103), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Глубину можно регулировать,создавать несколько р-n переходов.3. Применение п\пр материалов.Схема счѐтчика ионизированных частиц на Ge п/пр.Структура тонкопленочного солнечного элемента CdSВ специальной технике очень важна ИК оптика на основе Ge.Кремнийдляприборовсподсветкой-люминисценсией,фотоэлементов, тензометоров сопротивления.Карбид кремния- для п/пр лазеров, светоизлучающих ифотоприѐмников.Селенидыи теллуриды для датчиков магнитного поля,термоэлементов.Лекция 25Диэлектрики1. Диэлектрики.2. Характеристики диэлектриков.3.Электропроводность4.Угол диэлектрических потерь5.Электропрочность.Литература:1.В. В. Величковский и др. под редакцией А. И.
Гневко, Н.А. Казакова.Электроматериаловедение. ВА РВСН им. ПВ. М, 2007, стр. 262-346.Диэлектрики• Диэлектрики – электроизоляционные материалы , в которыхэлектрический ток невозможен.• -изоляция проводов и кабелей;• -электроизоляционные основания для ведения монтажа элементов(печатные плты , подложки ИМС );• -корпуса приборов и выключателей.Особенности свойств диэлектрика• В диэлектрике нет свободныХ зарядов ;• Под воздействием электрического полядиэлектрик поляризуется и в нем образуетсяэлектрический заряд , величина которогозависит от строения .Виды поляризации диэлектриков• Электронная;••Ионная;Дипольная.Электронная поляризация• -представляет собой упругую деформациюэлектронных оболочек Атомов относительноположительно заряЖЕНного ядра;• -устанавливается мгновенно (10-15с) ;• -степень поляризации не зависит ОТтемпературы диэлектрика и протекает безрассеяния энергии;• -НАБЛЮДАЕТСЯ у всех диэлектриков.Ионная поляризация• -упругое смещение ионов , составляющИХмолекулу относительно друг друга;• -устанавливается за 10-13с;• -НЕ зависит от температуры и осуществляетсябез рассеяния энергии;• -наблюдается у веществ с ионным строением(кварц , слюда, фарфор).Дипольная поляризация• Преимущественная ориентация (поворот ) полярныхмолекул ( диполей );• Повороту отдельно взятОй молекулы препятствуютсоседние молекулы;• Связана с преодолением сил трения междумолекулами и вызывает нагрев диэлектрика ипотери на поляризацию;• Степень поляризации зависит от температуры ипротекает продолжительное время .• Примеры- фенолформальдегидная смола,целлюлѐза, вода.2.Классификация диэлектриков помеханизму поляризации• - нейтральныЕ- (наблюдается только электронНАЯполяризациЯ );• -ионные -(наблюдаЕтся электронная, иОНнаяполяризациИ );• -полЯРные (диполЬНЫЕ )(наблюдается электронная,дипольная поляризация).3.Свойства диэлектриковОтносительная диэлектрическая проницаемость , ε;ЭлектропроводНость ;Диэлектрические потери tgδ;Электрическая прочность ЕПР ;Механические и тепловые.Относительная диэлектрическая проницаемость• ДИЭЛЕКТРИК С НАНЕСЕННЫМИ НА НЕГО ЭЛЕКТРОДАМИКОНДЕНСАТОР С ЗАРЯДОМ Q;• ЕГО ЗАРЯД СКЛАДЫВАЕТСЯ ИЗ :QО И QД.где:• QО-заряд, который имел бы конденсатор, если бы его электродыразделял вакуум;• Qд- дополнительный заряд, обусловленный поляризациейдиэлектрика.• Степень поляризации характеризуется величиной•ε= Q\ QО= 1+ QД\ QО• У нейтральных диэлектриков ε не превышает 3-4 единиц;• У полярных диэлектриков ε находится от 4 до 10;• У ионных диэлектриков ε колеблется в больших пределах;ε.Влияние температуры на ε• У нейтральных диэлектриков приувеличении температуры ε незначительноизменяется;• У полярных и ионных диэлектриковзависимость неоднозначная.Влияние влажности наε• Влияние влажности среды зависит отгигроскопичности диэлектриков(возможности поглощать влагу)испособности адсорбировать влагуповЕРхностью .• Нейтральные диэлектрики гидрофоБныЕ;• ПолЯРные диэлектрики гидрофильные.Влияния частоты электрического поля на ε• У нейтральных и ионных диэлектриков ε приросте частоты не изменяется (т.к.
электроннаяи ионная поляризации протекает за η<1/2полупериода колебания электрического поля);• У полЯРных диэлектриков зависимость ε отчастоты имеет сложный характер.Электропроводность диэлектриковДиэлектрик в электрическом поле пропускает малый повеличине ток, который состоит из:- тока смещения (тока поляризации) Iсм ;-тока сквозной проводимости .(тока утечки ) I с.пр.Ток сквозной проводимости протекает :- по объему диэлектрика -Iv;- по поверхности диэлектрика-Is.Сопротивление диэлектрика определяется как суммадвух параллельно включенных сопротивлений:Электропроводность диэлектрикахарактеризуется величинами его удельныхсопротивлений.Удельное объемное и поверхностноесопротивлениеУдельное объемное сопротивление ρν показываетспособность материала сопротивляться протеканиюобъемной составляющей тока (ρν =106-10 16 ом·м );Удельное поверхностное сопротивление ρs показываетспособность материала сопротивляться протеканиюповерхностной составляющей тока.ρs– зависит от:природы материала ;качества обработки поверхности ;степени загрязнения ;влажности окружающей среды .Влияние температуры и влажности наэлектропроводность диэлектрика• С повышением температуры и влажностиэлектропроводность возрастает за счетдиссоциации молекул основного вещества ,примесей и роста количества свободных зарядов.• Снижение влияния влажности наэлектропроводность диэлектрика достигаетсянанесением водоотталкивающих покрытий (лаки ,компаунды , глазурь).Диэлектрические потери• Диэлектрические потери -это энергия ,рассеиваемая в единицу времени в диэлектрике привоздействии на него электрического поля ивызывающая его нагрев.•• Диэлектрические потери складываются из:• потерь на сквозную электропроводность ;• на поляризацию.•• Величина потерь характеризуется угломдиэлектрических потерь или tg б.•• Угол диэлектрических потерь – угол δ ,дополняющий до 90о угол сдвига фаз между током инапряжением в емкостной цепи.Рис.
14. Угол диэлектрическихпотерь- δ. tgδ=Ua/IрМощность , рассеиваемая в диэлектрике• Мощность , рассеиваемая в диэлектрике определяется: поформуле:•Р=U2Cωtgδ,• где: U- напряжение, в;• С- ѐмкость диэлектрика на участке изоляции, ф;• ω – круговая частота переменного тока, сек-1, ω= 2πf;• δ - угол диэлектрических потерь, рад.• У нейтральных диэлектриков мощность затрачивается насквозную электропроводность;• могут работать при повышенных частотахэлектрического поля;• tg δ 10-3 – 10-4;• У полярных диэлектриков мощность затрачивается еще и наполяризацию;• tg δ 10-1 – 10-2 и относятся к низкочастотнымдиэлектрикам.Влияние температуры, влажности на tgδ• У нейтральных диэлектриков tgδ с ростомтемпературы постоянно увеличивается, т.к.возрастает ток сквозной проводимости за счетдиссоциации молекул примесей.• У полярных диэлектриков tgδ сначала растет засчет усиления поляризации;• при последующем повышении температурыснижается поляризация и tg δ;• затем с повышением температуры дипольнаяполяризация подавляется и энергиязатрачивается только на сквознуюэлектропроводность, которая возрастает сувеличением температуры.Влияние влажности и частоты на tgδ• Увлажнение диэлектриков приводит к росту tgδ (растутпотери на дипольную поляризацию и на токи сквознойпроводимости).• У нейтральных диэлектриков Р с увеличением f растетпо линейному закону, а tgδ не меняется.• У полярных диэлектриков потери сначала резковозрастают за счет затраты энергии на ориентациюдиполей.
При исчезновении дипольной поляризацииtgδ становится меньше.Электрическая прочность• Диэлектрики могут потерятьэлектроизоляционные свойства и наступаетэлектрический пробой ;• Способность диэлектрикапротивостоять электрическому пробоюназывается электрическая прочность;• Количественно эта прочность оцениваетсявеличиной напряженности пробоя Епр ;• В зависимости от физического процессаразличают три вида электрического пробоя.Виды электрического пробоя• чисто электронный (в основе лежит ударнаяионизация молекул диэлектрика );• тепловой ( в зависимости от отвода тепладиэлектрических потерь );•• электрохимический за счет необратимыхизменений свойств под влиянием физикохимических процессов.Электрическая прочность Епр ивиды пробоя в различных диэлектриках• Газообразные диэлектрики подвержены чистоэлектронному пробою;• Низкое значение Епр у инертных газов, высокоезначение Епр у соединений, содержащихгалогены(фреон);• В жидких диэлектриках наблюдаются три видапробоя;• (трансформаторное масло Епр=12-16Мв/м,конденсаторное масло Епр=20Мв/м, кремнийорганическая жидкость Епр=20-25Мв/м);• У жидких и газообразных диэлектриков послеснятия напряжения пробитый промежутокзаполняется и изоляционные свойствавосстанавливаются.Электрическая прочность твердыхдиэлектриков• В твердых диэлектриках возможны три вида пробоя,но пробой не сопровождается восстановлением егоизоляционных свойств в месте пробоя.• Пористые диэлектрики имеют низкую Епр т.к.заполненные газом поры имеют низкую Епр ,чемсплошные участки диэлектрика.• Электрическая прочность твердогодиэлектрика зависит от их толщины.Влияние температуры и влажности на электрическуюпрочность твердых диэлектриков• С повышением температуры в зависимости от видапробоя величина Епр остается постоянной: (областьэлектрического пробоя и все тепло диэлектрическихпотерь успевает отводится ):• снижается(область теплового пробоя) т .к.нагрев ведетк росту tgδ ,а отвод тепла становится меньше.• Увлажнение диэлектрика приводит к снижениюэлектрической прочности.Механические и тепловые свойства диэлектриковМеханические свойства:предел прочности при растяжении , сжатии истатическом изгибе ;твердость ;Тепловые свойства:• Нагревостойкость –способность материалов надежновыдерживать воздействие высокой температуры ивоздействие резких смен температуры;• Морозостойкость – способность материала надежновыдерживать воздействие низких температур ( до -60-800 С);• Теплопроводность – способность материалапроводить тепло.3.Материалы электрической изоляции• По агрегатному состоянию материалы изоляцииделятся на:• Газы (воздух, этилен , фреон и др.
);• Жидкости (трансформаторные и конденсаторныемасла , лаки компаунды) ;• Твердые вещества (пластические массы , каучук ,бумага и др.).ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИВкачествежидкихэлектроизоляционныхматериаловвэлектрорадиотехническихустройствах применяются:органические минеральные масла исинтетические жидкие диэлектрики.Наиболееширокоеприменениеполучилиминеральные органические нефтяные масла.Электроизоляционные масла применяются напрактике для:-отвода тепла оттрансформаторов,катушекисердечников-для гашения дуги в масляных выключателях,-дляусилениятвердойизоляциивтрансформаторах, маслонаполненных вводах,конденсаторах,маслопропитанныхимаслонаполненных кабелях.В соответствии с этим электроизоляционныемасла по своему назначению подразделяются наследующие группы:- трансформаторное масло, применяемое длязаливки трансформаторов, маслонаполненныхвводов и масляных выключателей;- кабельное масло, используемое дляпропитки бумажной изоляции высоковольтныхкабелей;- конденсаторное масло, применяемое дляпропитки бумажной изоляции конденсаторов.Электроизоляционные пластмассы• Пластмассы-материалы на основевысокомолекулярных органическихсоединений(полимеров), обладающие наопределенной стадии производствапластическими свойствами.• Основой пластмассы являетсясмола(связующие).• В зависимости от поведения при нагревании• пластмассы делятся на:• термореактивные;• термопластичные.Термореактивные смолы• Термореактивные смолы при нагреваниипереходят в пластическое, вязкотекучеесостояние, затем отвердевают.• Приобретают пространственно -разветвленныемолекулы (Фенолоформальдегидная имочевиноформальдегидная смола).• Для изготовления электроизоляционныхпластмасс применяют выше перечисленныесмолы.Термопластичные смолы• Термопластичные смолы при нагревании неиспытывают необратимых изменений свойств,имеют линейные молекулы, получают методомполимеризации.• Для изготовления элекроизоляционных пластмассважнейшими смолами являются: полистирол;• полиэтилен;• политетрафторэтилен (фторопласт-4).Состав сложных пластмасссмола;наполнитель;пластификатор;отвердитель ;смазки .Виды наполнителейпорошкообразный(древесная мука, молотыйкварц, слюда) ;волокнистый(хлопковые очесы, стеклянныеволокна) ;листовой(бумага, х/б и стеклянная ткань) ;газообразный ;Низкочастотные пластмассыфенопласты;аминопласты ;слоистые пластмассы:гетинакс;текстолит;стеклотекстолитФенопластыпресс-порошки и пресс-материалы на основефенолоформальдегидной смолы;наполнитель – древесная мука или молотый кварц ;свойства изменяются от воздействия температуры ивлажности ;• Низкая стойкость к действию искр иэлектрической дуги .фенопластыИзготавливают:ручки;крышки приборов;кнопки;• основания выключателей;• корпуса электроизмерительных приборов;• Панели;• клемные колодки;• каркасы катушек;• штепсельные разъемы.Аминопласты• пластмассы на основе мочевиноформальдегиднойсмолы ;• наполнитель – древесная мука или целлюлоза ;• свойства мало отличаются от фенопластов ;• высокая дугостойкость (за счет выделения газов N2 иH2) ;• изготавливают: корпуса выключателей; установочныедетали.Гетинакс,текстолит и стеклотекстолитСостав слоистых пластмасс:наполнитель ( бумага, х/б и стеклянные ткани);связующее ФФС .Высокие электрические и механические свойства ;Из текстолита изготавливают:шестерни;вкладыши подшипников;втулки.Текстолит чувствителен к влаге и плесени .Стеклотекстолит отличается повышеннойвлагостойкостью и из него изготавливаютмонтажные печатные платы.Свойства низкочастотных пластмассМатериалхарактеристифенопластаминоплгетинакстекстолистеклотекаОсновные свойства НЧ пластмассастткстолитНаосновеНарезиновойосновеγ, т/м31.41.41.41.41.41.7ζв МПа40307011075150Теплостойкостьпо Мартенсу°С11011095165135220ρ Ом*м108101110910101081010tg б0.50.040.0250.05-1.00.07-0.15 0.060.08ε997777Епр Мв/М91310271416Высокочастотные пластмассыполиэтилен;полистирол ;политетрафторэтилен (фторопласт-4) .Полимеризующиеся термопластичные смолы слинейным строением молекул.Нейтральное строение молекул обеспечиваетэтим полимерам высокие электрическиесвойства.Полиэтилен••••твердый, непрозрачный материал светлого цвета ;обладает высокой эластичностью иизготавливается в виде пленок толщиной от 30 –200мкм ;В зависимости от режима получения (придавлении 150-200Мпа, 0.1-0.5 Мпа) итемпературе 180-200 °С, 60 °С) различают:полиэтилен ВД и НД;Полиэтилен НД отличается от ВД:большей плотностью;низкой механической прочностью; меньшейэластичностью и повышенной теплостойкостью.• У полиэтиленов НД и ВД:• высокая морозостойкость;• низкая теплостойкость;• Высокая химическая стойкость,• не растворяются в органических растворителях;гидрофобны.• Изделия получают методом литья под давлением иэкструзией , горячего прессования.• Изготавливают: изоляцию ВЧ кабелей и пленочныхконденсаторов, каркасы катушек, панели корпусовприборов, трубопроводы, шланги.ПолистиролТвердый, прозрачный продукт полимеризациистирола;высокие электроизоляционные и механическиесвойства, морозостойкий;низкая теплостойкость и эластичность;высокая химическая стойкость, гидрофобен;изготавливают литьем под давлением ипрессованием: электроизоляционные панели;основания и изоляторы электроизмерительныхприборов;тонкие пленки(от 20 до 100мкм) применяют вкачестве изоляции ВЧ кабелей и конденсаторов.Фторопласт-4• Полимер производного этилена-тетраэтилена, атомыводорода заменены фтором.• теплостойкость до 250°С;• высокая химическая стойкость;• гидрофобен;• высокие электрические свойства ;• В качестве изоляционного материала применяется ввиде: пластин, дисков, колец, пленки ;• изготавливают химически стойкие детали: трубы,вентили, мембраны, манжеты, прокладки.Свойства высокочастотных пластмассхарактеристикаполиэтиленполистиролСвойства ВУ пластмассФторопласт-4ВДНДγ, т/м3•ζр МПа0.950.951.052.213105020Теплостойкость, °С6010080250Морозостойкость,°С-65-55-60-80ρ, ом·м1014101510141016Ɛ2.32.42.52.0tg б0.00050.00030.00020.0002Епр Мв/м40402733Газонаполненные пластмассы• Вещества с мельчайшими ячейками и порами,заполненные газом и отделенными друг от другатонкой стенкой из смолы;• пенопласты-пластмассы с замкнутыми и несообщающимися ячейками;• поропласты-пластмассы с сообщающимисяпорами ;• пластмассы имеют низкую:• плотность и диэлектрическую проницаемость;• радиопрозрачны ;• Электроизоляционные свойства зависят от типасвязующего.• Высокие:• тепло- и звукоизоляцинные свойства;• газо- и водопроницаемость .• Получают вспениванием полимера смолы ПХВ-1,ПС-1, ПУ-181 при наличии газообразователя.Свойства пенопластовХарактеристикаМарка пластмассыПХВ-1ПС-1ПУ-181γ, т/м30.07-0.130.06-0.220.2ζсж МПа0.4-0.70.3-3.02.2Т, раб °С-60 - + 60--60 - +130-1.11.27ρ ,ом·м101110111014Епр,Мв/м-3-4-ƐЭлектроизоляционные резины• Резина-материал для изоляции:• проводов;• защитных покровов (шлангов).• Основой электроизоляционной резины являетсясинтетический каучук:• натрий-бутадиеновый;• бутил-каучук;• кремнийорганический.Свойства электроизоляционныххарактеристикарезинаЭбонитрезин109 - 10121013 - 1014Ɛ3-73tg б0.02-0.1Епр, Мв/м20ρ, Ом*м0.006-0.01530Достоинства керамических диэлектриковКерамическими называются материалы,полученные путем спекания исходныхпорошкообразных веществ.Основные достоинства:высокая нагревостойкость;отсутствие гигроскопичности;хорошие электроизоляционные свойства ;стойкость к действию излучений высоких энергий;развитию плесени ;сырье дешевое и доступное.Состав керамики и технологическиесвойства• Кристаллическая фаза, определяющая:электрические свойства;• ТКЛР;• механические свойства.• Аморфная фаза в виде прослойки,связывающая кристаллическую фазу.• Технологические свойства:• температура спекания;• Пластичность керамической массы приформовании изделий (определяетсяаморфной фазой).Классификация керамических изоляционныхматериалов по назначению• установочная ;• конденсаторная ;• сегнетоэлектрическая.Конденсаторная керамикаОсновой керамики является TiO2 в виде минераларутила ;кристалл рутила вдоль своей главной оси обладаетвысокой ε=173;Технологичность обеспечивается введением глинистоговещества;Тиконды марок Т-60, Т-80, Т-150 отличаются:соотношением составляющих компонентов и добавок;малым значением tg б;высокой электрической прочностью;отрицательным ТКЕ.Изготавливают ВЧ конденсаторы на большиенапряжения.Особенности керамики для термостабильныхконденсаторов(термоконды)Малые значения ТКЕ;состав керамики из двух фаз с разным знаком ТК Е;фаза с отрицательным ТКЕ - TiO2 ;компоненты с положительным ТК Е : MgO, MgO*SiO2Al2O3 или ZrO2 ;Марки термокондов: Т-20, Т-40.Термоконды на основе керамики, состоящей изSnO2 и окислов СaO и MgO и др., называютсястаннаты С-15.характериТикондыстикиТ-150Т-80Т-60С-15ТермокондыСвойства конденсаторнойТ-20керамикиƐ140-16075-8055-6020-2514-16ТКЕ , град-1-150*10-5-75*10-5-57*10-5-50*10-530*10-5tg б (при 20 (5-7) 10-4С и f=106 Гц)(3-6) 10-4(3-6) 10-4(4-6) 10-4(3-4) 10-4ρ, Ом*м10111011101110101011Епр, Мв/м111111911ζ изг, МПа16015012090100Электроизоляционные стекла• Стекла обладают изотропией свойств;• по составу это сложные системы различныхокислов, но содержат обязательно одинстеклообразующий окисел: SiO2, P2O5,Ba2O3• Основную часть технических окислов составляетSiO2;• Улучшение технологичности стекол обеспечиваютвведением окислов щелочных металлов:• Nа2О ,К2О.Сегнетоэлектрические материалыСегнетоэлектрики – вещества, обладающиев определенном температурномдиапазоне спонтанной поляризацией испецифическими свойствами:очень высокая Ɛ =103 - 104;резкая зависимость Ɛ =f (t,о С)(в точке Кюри Ɛдостигает максимум, выше которой спонтаннаяполяризация исчезает);нелинейная зависимость заряда Q и Ɛ от Е;наличие диэлектрического гистерезиса;проявление пьезоэффекта.Расположение иона Ti ячейке ВаTiO3Схема расположения доменов всегнетоэлектрике при отсутствииэлектрического поляМеханизм пьезоэлектрическогоэффекта в BaTiO3Применение сегнетокерамики• Сегнетоэлектрики изготавливают покерамической технологии и имеетполикристаллическое строение;• Сегнетомягкие материалы (Е<0.1 МВ/М)• (ВК-1…ВК-7 на основе Ba(Ti, Sn)O2) или Pb(Ti, Zr,Sn)O3 и используются для изготовленияварикондов;• У сегнетотвердых материалов Е слабо зависит отЕ, t°C(СК-1 на основе Z2 TiO3)СК-3(B2 ,Pb)TiO3• из них изготавливают миниатюрныеконденсаторы высокой удельной емкости.Пьезоэлектрические материалы• Пьезоэлектрики – вещества непосредственнопреобразующие механическую энергию вэлектрическую и обратно.• Пьезоэффект кварца обусловлен различнымпо величине и направленностиотносительным смещением ионов Si и О приупругой деформации кристаллическойрешеткиРасположение ионов Si и О в ячейкекварца• При симметричном расположении ионовцентры зарядов находятся в одной точке;• При сжатии вдоль оси Х симметриянарушается;• Пьезоэффект достигается без егопредварительной поляризации внешнимполемОбласти применения кварца• Датчики давления, вибрации, деформации и• Кварцевые резонаторы используют длястабилизации частоты генераторов, эталоновчастоты и времени;• В фильтрах, обеспечивающих высокийизбирательностью и стабильностьюпараметров..
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
