Ответы - final (943730), страница 23

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 23)

Г рафик на рис. 1.5 иллюстрирует временной ход максимально достигнутой температуры сверхпроводящего перехода. Как видно из рисунка, средняя скорость увеличения Тс (штриховая прямая) со­ставляла примерно 0,3 К/г, т.е. от 23 К до азотного барьера такими темпами пришлось бы двигаться еще примерно 150 лет. Однако та­кой прогноз предполагает равномерный эволюционный ход и не учитывает возможности бурного развития, что и произошло в 1986— 87 гг., когда были открыты высокотемпературные сверхпроводники. В апреле 1986 г. в редакцию журнала «Zeitschrift fur Physik» посту­пила статья И .Г. Беднорца и К. А. Мюллера — ученых, работающих в Цюрихе в исследовательской лаборатории фирмы IBM. Статья называлась весьма осторожно «Возможность высокотемпера­турной сверхпроводимости в системе Ва—La—Си—О». В ней сообща­лось об обнаружении резкого падения сопротивления керамики ука

Рис. 1.5. График, иллюстрирующий временной ход критической температуры сверхпроводящего перехода в металлических, интсрметаллических (штрихо­вая) и в металлооксидных сверхпроводниках (сплошная линия). Штрих-пун­ктирные линии соответствуют температурам кипения жидких гелия, водоро­да, неона, азота и кислорода при атмосферном давлении

занного типа при температурах 30—35 К. Эта работа явилась нача­лом «сверхпроводящего бума». Справедливости ради следует отме­тить, что еще за 10 лет до публикации Бсднорца и Мюллера, в 1975 г., было синтезировано соединение Ba(Pb, Bi)0₃ с относительно невысокой критической температурой « 13 К. Это соединение по своим характеристикам существенно отличалось от большинства из­вестных ранее сверхпроводников, но лишь по прошествии времени стало ясно, что оно не только открывало новый класс оксидных сверхпроводников, но и являлось прототипом высокотемпературных соединений.

В исследование металлооксидных сверхпроводников и поиск но­вых сверхпроводящих материалов этого типа включилась вся миро­вая научная общественность. В 1987 г. на керамике Y—Ва—Си—О была достигнута температура сверхпроводящего перехода 92 К, и, тем самым, был преодолен азотный барьер, что еще сильнее подхле­стнуло массовый интерес исследователей к новым высокотемпера­турным сверхпроводникам. Затем температура сверхпроводящего перехода была поднята до 125 К в соединениях таллия. Регулярно стали появляться сенсационные заявления о сверхпроводимости при комнатных температурах, но они быстро «закрывались». Увы, после экспоненциального роста значение Тс фактически вышло на плато в начале 90-х годов. К настоящему времени рекорд критической температуры принадлежит ртутным соединениям с Tc~140 К. На­ступил этап кропотливой, методичной работы по выяснению приро­ды высокотемпературной сверхпроводимости и тщательному изуче­нию ее свойств.

Задача 1.1. Из сверхпроводящей проволоки радиусом r = 1 мм было свернуто кольцо диаметром D = 5 см, а концы проволоки со­единены с помощью точечной сварки. Измерения показали, что контакт оказался не очень хорошим, ибо за один час ток в кольце уменьшался на 1 %. Каково сопротивление кольца?

Решение. Учитывая, что r<<D, индуктивность проволочного кольца можно считать равной индуктивности прямого провода дли­ной πD. Для одиночного провода длиной ℓ индуктивность единицы длины легко оценить: поле от тока I по теореме о циркуляции на расстоянии R равно Н = 2I /cR, а поток через площадку единичной длины и ширины ℓ (считаем, что поле спадает на расстоянии поряд­ка ℓ) равен Ф = (2I/с) Ln (ℓ/R) = (1/с)LI. Таким образом, L ≈ 2 In (ℓ/R), а для большого кольца

L = 2πDLn (πD/r).

Изменение запасенной магнитной энергии равно омическим по­терям

─d (0,5LI²/c²) / dt = RI²или ─dI / dt = (Rc²/ L) I.

Откуда

I(t) = Io exp[(─Rc²/L) t ] и

R = Ln0,99•1,3•10^-7/3,6•10³ ≈ 3,6•10^-13 oм

38. Классификация диэлектрических материалов.

Все диэлектрические материалы имеют молекулярное или ион­ное строение. Молекулы, в свою очередь, образованы из атомов, ато­мы и ионы — из электронов и положительно заряженных ядер. При этом суммарный заряд всех отрицательно и положительно заряжен­ных частиц, образующих диэлектрик как молекулярного, так и ион­ного строения, равен нулю.

Идеальный диэлектрик состоит только из связанных (между собой) заряженных .частиц (свободных зарядов в нем нет). Поэтому электро­проводность в идеальном диэлектрике отсутствует. Под действием приложенного электрического поля все связанные заряженные час­тицы диэлектрика упорядоченно смещаются из своих равновесных состояний только на ограниченные расстояния, а диполи ориентиру­ются по полю; в результате диэлектрик поляризуется — в нем возни­кает электрический дипольный момент. Упорядоченное смещение заряженных частиц и ориентация диполей, вызванные постоянно изменяющимся электрическим напряжением, приводит к образова­нию в материале токов смещения (подробнее см. гл. 3.1 и 8.6).

Способность диэлектриков поляризоваться под действием приложенного электрического поля является их фундаментальным свойством-

Поляризация наблюдается также и в полупроводниках, однако для них она не столь важна и характерна.

В металлических проводниках и магнитных материалах поляризация отсутствует.

Диэлектрические материалы используют в электротехнике в ос­новном для создания электрической изоляции, например, у прово­дов и кабелей, а также для электрической емкости конденсаторов.

Основные электрические характеристики этих материалов — диэлектрическая проницаемость ε, удельное объемное сопротивле­ние ρ, удельное поверхностное сопротивление ρs диэлектрические потери tgδ, электрическая прочность Епр — в конечном счете опре­деляются механизмом и расстоянием смещения связанных заря­женных частиц, а также концентрацией и подвижностью свободных зарядов, т.е. поляризацией и электропроводностью, соответствен­но. Электропроводность и некоторые виды поляризации вызывают диэлектрические потери. По функциям, выполняемым в аппаратуре и приборах, их можно подразделить на электроизоляци­онные и конденсаторные материалы (пассивные диэлектрики) и управ­ляемые материалы (активные диэлектрики) (рис. 7.1).

Электроизоляционные материалы используют для создания элект­рической изоляции, которая окружает токоведущие части электричес­ких устройств и отделяет друг от друга элементы схемы или конструк­ции, находящиеся под различными электрическими потенциалами.

Применение диэлектриков в конденсаторах позволяет получать требуемые значения емкости, а в некоторых случаях обеспечивает оп­ределенный характер зависимости этой емкости от внешних факторов. Диэлектрик конденсатора может запасать, а потом отдавать в цепь электрическую энергию (емкостный накопитель). Иногда конденсатор используют для разделения цепей постоянного и переменного токов, для изменения угла фазового сдвига и т. д.

Некоторые диэлектрики применяют как для создания электричес­кой изоляции, так и в качестве конденсаторных материалов (напри­мер, слюда, керамика, стекло, полистирольные и другие пленки). Тем не менее, требования к электроизоляционным и конденсаторным материалам существенно различаются. Если от электроизоляционно­го материала требуется невысокая относительная диэлектрическая проницаемость и большое удельное сопротивление, то диэлектрик конденсатора, наоборот, должен иметь повышенную ε и малое значение tgδ. Роль диэлектрика в конденсаторе также нельзя считать активной, но конденсатор уже является функциональным элементом в электри­ческой схеме.

Конденсаторы с управляемыми (активными) диэлектриками могут быть использованы для усиления сигналов по мощности, создания различных преобразователей, элементов памяти, датчиков ряда физи­ческих процессов и генерации колебаний. В классификационной схеме рис. 7.1 управляемые диэлектрики в свою очередь подразделены по принципу управления.

7.11. КЕРАМИЧЕСКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

Керамикой называют неорганические материалы, полученные пу­тем спекания измельченных и тщательно перемешанных различных минералов и окислов металлов. Необходимым компонентом боль­шинства видов керамики являются глинистые вещества. Отсюда произошло и название материала — «керамикос» (от греч. — глиня­ный).

Изменяя состав исходных компонентов керамики и технологию ее производства, получают материалы с разнообразными электри­ческими и механическими свойствами и различного назначения: керамику конденсаторную и установочную (изоляторную), низко­частотную и высокочастотную, низковольтную и высоковольтную, высокой нагревостойкости и т.п. Керамические материалы облада­ют свойствами не только диэлектриков, но и полупроводников (некоторые простые оксиды и сложные оксидные системы), ферро­магнетиков (ферриты), проводников (в разрывных сильноточных контактах). В сравнении с органическими диэлектриками керами­ка, как правило, имеет более высокую стойкость к электрическому и тепловому старению и при длительной механической нагрузке в ней не возникает пластической (остаточной) деформации.

Керамика представляет собой трехфазную систему. Основной Фазой являются хаотически разбросанные кристаллические зерна; вторая фаза — это стекловидная (амфорная) прослойка, которая связывает (цементирует) кристаллические зерна и содержит основное количество щелочных металлов, входящих в состав керамики; третья фаза - это поры, объем которых у плотной керамики составляет 2-6%, а у пористой (имеющей поры, сообщающиеся между собой и поверхностью изделия) — 15—25%. Объем, занимаемый поликристаллической фазой, и размер зерен зависят от сорта керамики, технологии ее изготовления, вводимых добавок и т.п. Обычно размер кристаллических зерен составляет несколько микрометров и меньше. По типу кристаллические структуры могут быть с плотной и не плотной упаковкой решетки ионами, чтo определяет виды поляризации виды диэлектрических потерь керамики.

Электрофизические свойства керамики формируются всеми тремя фазами При этом диэлектрическая проницаемость связана в основном процессами, протекающими в кристаллических зернах, электропроводность - в амфорной фазе, диэлектрические потери — как в кристаллических зернах, так и в амфорной фазе, электрическая и механическая прочность зависят от размера пор, химического состава и размера кристаллических зерен.

Конденсаторная керамика

Требования, предъявляемые к конденсаторной керамике, в об­щем виде формулируются следующим образом:

наибольшая диэлектрическая проницаемость при заданном зна­чении ее стабильности при изменении температуры, частоты, на­пряженности электрического поля и т. д.

минимальные диэлектрические потери;

максимальные электрическая прочность и удельное объемное сопротивление;

высокая устойчивость к электрохимическому старению;

однородность материала и воспроизводимость свойств;

малая стоимость и доступность исходного сырья.

Низкочастотная конденсаторная керамика характеризуется высо­кими и сверхвысокими значениями диэлектрической проницаемости (ε = 900—9800), относительно большими диэлектрическими потеря­ми (tgδ = 2*10^-3—5*10^-2 ) и небольшими значениями электрической прочности (Епр = 4—15 кВ/мм). Она применяется для изготовления низкочастотных конденсаторов (ƒ < 10 кГц) и конденсаторов, ис­пользуемых в цепях постоянного тока, а также конденсаторов разде­лительных и блокировочных.

Эту керамику получают путем синтеза чистых окислов стронция, висмута, титана, олова и небольших добавок окислов цинка и мар­ганца. Основу СВТ (Sr-Bi—Ti) керамики марок Т-900, М-900 и Т-1000 составляют титанаты стронция SrTiO₃ и висмута Bi₄ Ti ₃O ₁₂ .

Высокочастотная установочная керамика представляет наиболее обширную группу керамических материалов, применяемых в ра­диоэлектронике, и охватывает ряд керамических материалов с по­вышенными электрическими и механическими свойствами. Ис­пользуют ее для изготовления различных установочных деталей, работающих в поле высокой частоты и одновременно несущих ме­ханическую нагрузку, например каркасов катушек индуктивности, элементов корпусов полупроводниковых приборов и интегральных схем, проходных изоляторов, опорных плит, подложек, изолирую­щих колец, для вакуумно-плотных спаев с металлами и т.п. Некото­рые виды этой керамики применяют при изготовлении конденса­торов.

Высокочастотная установочная керамика имеет высокое элек­трическое сопротивление, низкие диэлектрические потери в области высоких частот, малую зависимость потерь от температуры и часто­ты, высокую механическую прочность. Ее электрические свойст­ва в зависимости от химического состава имеют следующие зна­чения: ε = 5-9,8, р= 10¹⁴-10¹⁷Ом*м, tgδ = (1-20)*10^-4 при 1 МГц; Eпр = 20-45 кВ/мм.

К этой группе относятся следующие материалы:

Стеатитовая керамика. Кристаллическая фаза состоит из мелкозернистого клиноэнстатита MgO-SiO2, амфорная фаза — из бесщелочного бариевого стекла. Керамика характеризуется высокой механической прочностью (σс до 800 МПа, σр до 75 МПа, σи до 200 МПа, а σуд до 4 кДж/м2) и высоким электрическим сопротивлением (р = l0¹⁴—10¹⁷ Ом*м). Используется для изготовления проходных изоля­торов, подложек, изолирующих колец, опорных плит и т.п. Наиболее широко применяют марки СПК-5, СК-1, СНЦ, Б-17.

Форстеритовая керамика. Кристаллическая фаза образована форстеритом 2MgO*SiO2. Характерной особенностью ее являются низкие диэлектрические потери (tgδ = (1— 2)*10^-4), высокое электро­сопротивление (р = 10¹⁴ —10¹⁵Ом*м) при нормальной и высокой тем­пературе, повышенные значения ТКЛР (ТКЛР = (8-10,6)*10^-6К^-1 ). Применяется для получения вакуумно-плотных согласованных металлокерамических спаев (с медью и ее сплавами), например в радиолампах. Выпускают нескольких марок: Ф-58, ЛФ-11, КВФ-4 и др.

Характеристики

Список файлов ответов (шпаргалок)