Электрические свойства и характеристики материалов (общие)

Электрические свойства и характеристики материалов (общие)

Электрические и магнитные поля не существуют обособленно (независимо), т.К. Порождают друг друга. Электротехнические материалы

Электротехнические материалы – это материалы, обладающие определёнными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике с учётом этих свойств (различные материалы подвергаются воздействиям как отдельно электрических и магнитных полей, так и их совокупности).

Применение: электрические машины, аппараты, приборы и другие элементы электрооборудования и электроустановок.

Классификация электротехнических материалов.

1. В электрическом поле.

1. П роводниковые материалы (проводники) – это материалы, в которых под действием электрического поля возникает электрический ток (металлы и их сплавы, графит).

В проводниках есть свободные носители заряда и под действием электрического поля они приобретают направленное движение. Такое упорядоченное движение электрических зарядов и есть электрический ток.

Применение: токоведущие части электрических машин, аппаратов и сетей.

2. Полупроводниковые материалы (полупроводники) – это материалы, в которых под действием эклектического поля возникает электрический ток, но их проводимость зависит от внешних условий (температуры, примесей, света, электрического и магнитного полей, давления, ядерного излучения и т.д.) (германий Ge, кремний Si, карбид кремния SiC).

Применение: электронная техника (диоды, транзисторы, тиристоры).

3. Д иэлектрические материалы (диэлектрики) – это материалы, которые под действием электрического поля не создают электрический ток в обычных условиях, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле (резина, пластмассы, стекло).

В диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться, при этом происходит разделение центров положительного и отрицательного зарядов, т.е. поляризация.

Применение: изоляция токоведущих частей друг от друга, окружающих предметов и персонала.

2. В магнитном поле.

1. Слабомагнитные материалы – это материалы, у которых магнитная восприимчивость очень мала (медь Cu, алюминий Al, свинец Pb, органические соединения).

Применение: не нашли широкого применения в технике.

2. Сильномагнитные материалы (магнетики) – это материалы, которые под действием магнитного поля намагничиваются и тем самым усиливают его (железо Fe, никель Ni, кобальт Co и их сплавы).

Применение: сердечники и магнитопроводы электрических машин и аппаратов, постоянные магниты.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ

Механические характеристики позволяют оценить способность материалов выдерживать внешние статические и динамические нагрузки, необходимы для выбора технологической обработки материалов (резание, штамповка, литьё), расчёта на прочность, контроля и диагностирования состояния деталей конструкций в процессе эксплуатации.

Испытание на растяжение проводят на цилиндрических образцах и брусках с прямоугольным сечением. Образец закрепляют концами в захватах испытательной машины. Нижний захват неподвижен, к другому прикладывают разрушающее растягивающее усилие, которое плавно увеличивают с определённой скоростью до момента разрыва образца.

1. Пластичность – это свойство материала необратимо изменять свою форму и размеры под воздействием внешних механических нагрузок.

Относительное удлинение

где ∆lост – приращение длины образца после разрыва, мм;

l0 – первоначальная длина образца, мм.

Чем больше значение относительного удлинения, тем пластичнее материал.

2. Прочность – это свойство материала сопротивляться деформации или разрушению под воздействием внешних механических нагрузок.

Разрушающее напряжение при растяжении (предел прочности при растяжении)

где Рр – разрушающая нагрузка при разрыве образца, Н;

S0 – площадь поперечного сечения образца до испытания, мм2.

Чем больше значение предела прочности, тем прочнее материал.

3. Твёрдость – это свойство материала сопротивляться проникновению в его поверхность более твёрдого тела (индентора).

Индентор – твёрдосплавный наконечник в виде шара, пирамиды или конуса, твёрдость которого существенно превосходит твёрдость испытуемого материала.

По методу Бринелля в поверхность материала вдавливается стальной шарик.

где Р – нагрузка на индентор, Н;

Sотп – площадь поверхности отпечатка, мм2.

По методу Виккерса в поверхность материала вдавливается алмазная четырёхгранная пирамида под действием нагрузки.

Чем больше значение твёрдости, тем более твёрдый материал.

4. Ударную вязкость – это свойство материала сопротивляться ударной нагрузке.

Испытание на ударный изгиб проводят на брусках с прямоугольным сечением (для металлов с надрезом U-образным и V-образны). Образец помещают в маятниковом копре. Удар, наносимый по центру образца маятником, плавно увеличивают. Указатель на шкале копра фиксирует значение работы, затрачиваемой маятником на разрушением образца.

где ∆А – работа, затраченная маятником на разрушение образца, МДж.

Чем больше значение ударной вязкости, тем менее хрупок материал.

Электрические свойства и характеристики материалов (общие)

Электрические характеристики позволяют оценить свойства материалов при воздействии на него электрического поля. Основное свойство электротехнических материалов по отношению к электрическому полю – электропроводность.

Электропроводность – это свойство материала проводить электрический ток под действием постоянного (не изменяющегося во времени) электрического напряжения.

1. Удельное электрическое сопротивление – это сопротивление материала длинной 1 м и поперечным сечением 1 м2.

где γ – удельная проводимость материала, это проводимость материала длинной 1м и поперечным сечением 1м2, 1/Ом∙м;

q – величина заряда носителя (заряд электрона 1,6·10-19), Кл;

n – количество носителей заряда в единице объёма;

µ – подвижность носителя заряда.

Чем больше значение ρ, тем меньше электропроводность материала.

Проводники ρ=10-8÷10-6.

Полупроводники ρ=10-6÷108.

Диэлектрики ρ=108÷1018.

Сопротивление проводника – это конструктивная характеристика проводника, т.к. зависит от размеров и проводниковых свойств материала.

где ρ – удельное сопротивление материала, Ом∙м;

l – длина проводника, м;

S – площадь поперечного сечения проводника, м2.

2. Температурный коэффициент удельного сопротивления – показывает, на сколько изменится сопротивление материала в 1 Ом при нагревании его на 1 0С.

П ри линейном изменении удельного сопротивления в узком интервале температур

где ρ – удельное сопротивление материала при температуре ;

ρ0 – удельное сопротивление материала при начальной

температуре t0, обычно принимается 200С.

Если заменить удельное сопротивление на сопротивление

Чем больше значение α, тем в большей степени изменяется сопротивление проводника при изменении температуры.

Проводники α>0 с увеличением температуры удельное сопротивление материала увеличивается.

Полупроводники и диэлектрики α<0 с увеличением температуры удельное сопротивление материала уменьшается.

Классификация радиоэлектронных радиоматериалов

Лекция 1. Назначение, основные свойства и электрические характеристики радиоматериалов

Содержание

Лекция 1. Назначение, основные свойства и электрические

характеристики радиоматериалов………………………………………………………..5

Лекция 2. Потери энергии в диэлектриках, механические,

тепловые и физико-химические характеристики материалов………………..7

Лекция 3. Электрические процессы в диэлектриках,

поляризация, электропроводность и пробой диэдектриков………………….12

Лекция 4. Виды твердых диэлектриков,

полимеризационные и поликонденсационные диэлектрики…………………17

Лекция 5. Пластмассы, лаки и компаунды………………………………………….23

Лекция 6. Радиокерамические материалы, стекла и ситаллы……………….28

Лекция 7. Пьезокерамические материалы и электреты……………………….32

Лекция 8. Проводниковые материалы и провода………………………………..35

Лекция 9. Характеристики магнитных материалов……………………………..40

Лекция 10. Металлические магнитно-мягкие и

магнитно-твердые материалы……………………………………………………………..44

Лекция 11. Ферриты и магнитодиэлектрики……………………………………….47

Лекция 12. Полупроводниковые материалы………………………………………. 51

Содержание лекции:

— классификация радиоэлектронных материалов;

— основные электрические характеристики материалов.

Цели лекции:

— изучение классификации радиоматериалов;

— изучение базовых электрических характеристик материалов.

В отличие от конструкционных (пластмассы, металлы) и вспомогательных (припои, клеи) материалов электронные материалы в устройствах, находясь под действием электромагнитных полей, должны выполнять свойственные им функции. Некоторые из радиоматериалов, к примеру, диэлектрики, могут находиться одновременно под действием высокого электрического напряжения, постоянного и переменного токов. Это вызывает в материале особое напряженное состояние. Выход из строя даже одного из диэлектриков часто влечет за собой выход из работы радиокомпонента͵ в котором используется данный диэлектрик, (конденса-тора, трансформатора, соединителя и т.д.), а иногда и всœего аппарата.

Очень сложной задачей является правильный выбор материала, определяемый в первую очередь совокупностью его электрических, механи-ческих, магнитных, тепловых и физико-химических свойств. Эти свойства определяются величинами, называемыми характеристиками или парамет-рами материалов.

Все радиоматериалы можно разделить на четыре основные группы: проводники, полупроводники, диэлектрики, магнитные материалы.

Проводники

— ϶ᴛᴏ металлические материалы, обладающие большой электропроводностью, обусловленной наличием у них большого числа свободных электронов.

Диэлектрики

— ϶ᴛᴏ материалы, обладающие незначительной электропроводностью, т.к. у них очень мало свободных заряженных частиц (электронов и ионов).

Полупроводники

— ϶ᴛᴏ материалы, обладающие меньшей электропро-водностью, чем проводники, т.к. у них значительно меньше свободных электронов.

Магнитными

называют материалы, которые под действием внешнего магнитного поля способны намагничиваться, ᴛ.ᴇ. приобретать магнитные свойства, что обусловлено их строением.

Каждый из радиоматериалов обладает электрическими свойствами, т.к. всœе радиоматериалы (в том числе и диэлектрики) обладают электро-проводностью. Для оценки электрических свойств используются электрические характеристики.

Удельное электрическое сопротивление ρ

— ϶ᴛᴏ электрическая харак-теристика, применяемая для оценки электропроводности материалов. Она выражается в омах на метр (Ом·м). В радиоэлектронике используют также меньшую единицу (Ом·см). Для оценки большой электропроводности металлических проводниковых материалов (меди, алюминия и др.) применяют еще меньшую величину удельного электрического сопротивле-ния – микроом на метр (мкОм·м). Соотношение между перечисленными единицами: 1 Ом·см = 10 000 мкОм·м = 0,01 Ом·м.

Все радиоматериалы по эдектропроводности можно разделить на три основные группы:

проводники ρ = 10-8 ÷ 10-5 Ом·м,

полупроводники ρ = 10-6 ÷ 107 Ом·м,

диэлектрики ρ = 107 ÷ 1018 Ом·м.

Удельное электрическое сопротивление любого радиоматериала зависит от температуры, (рисунок 1.1-а). Так у проводников с повышением температуры удельное электрическое сопротивление возрастает. У полупроводников и диэлектриков, напротив — с возрастанием температуры удельное электрическое сопротивление уменьшается.

Температурный коэффициент удельного сопротивления

ТК
ρ
– величи-на, с помощью которой можно учитывать изменение удельного электричес-кого сопротивления исходя из температуры материала ТК
ρ
= (
ρ
2 –
ρ
1) /
ρ
1(
Т
2 –
Т
1), где
ρ
1 и
ρ
2 — удельные сопротивления материала при начальной
Т
1 и конечной
Т
2 температурах.

У проводников с ростом температуры удельное сопротивление возрастает, ᴛ.ᴇ. ТКρ

> 0 – положительная величина, у полупроводников и диэлектриков с ростом температуры удельное сопротивление уменьшается, ᴛ.ᴇ. ТК
ρ
< 0 – величина отрицательная.

а) б)

Рисунок 1.1 – Зависимость удельного электрического сопротивления мате-риалов от температуры (а), токи объёмной и поверхностной электропро-водности в диэлектрике (б).

В твердых диэлектриках имеются токи объёмной IV и поверхностной IS электропроводности (рисунок 1.1-б), в связи с этим у них определяют удельное объёмное ρV и поверхностное ρS сопротивления. Удельное поверхностное сопротивление так же как и общее, выражается в омах. Удельное объёмное сопротивление характеризует свойство диэлектрика проводить ток через свой объём, а удельное поверхностное сопротивление – по своей поверх-ности. У диэлектриков ρV= 107÷ 1018 Ом·м; ρS = 109 ÷ 1016 Ом.

Удельная проводимость

γ (См /м) – величина, обратная удельному сопротивлению γ = 1/
ρ
. У твердых диэлектриков различают удельную объёмную γ
V = 1/ρV(См /см, Ом-1·м-1)и удельную поверхностную проводимости γ S = 1/ρS
(См).

Удельной проводимостью характеризуется степень электропровод-ности радиоматериала. Так, у проводников γ = 105 ÷ 108 См/м, а у полупроводников γ = 106 ÷ 10-7 См/м. Удельные объёмная и поверхностная проводимости твердых диэлектриков очень малы: γV = 10-7 ÷ 10-18 См/м,

γ S = 10-8÷ 10-16 См. Это позволяет использовать их для изоляции частей радиоэлектронных устройств, находящихся под разными электрическими потенциалами.

Для оценки электрического сопротивления тонких пленок (диэлектриков, полупроводников и др.), к примеру в тонкопленочных инте-гральных микросхемах, используют сопротивление пленки R

 (Ом /), отне-сенное к квадрату её поверхности (рисунок 1.2-а):
R
 =
ρ а /Δ а = ρ/Δ
.

Диэлектрическая проницаемость εr

(относительная диэлектрическая проницаемость) характеризует способность диэлектрика или полупроводника образовывать электрическую емкость. Емкость
С
(Ф) плос-го конденсатора (рисунок 1.2-б) заданных размеров прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости применяемого в нем диэлектрика
С = εаS/h
, где
εа
– абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ф/м,
S
– площадь одной металлической обкладки, м2,
h
– толщина диэлектрика, м;
εа = ε0 εr
, где
ε0
= 8,85416·10-12 – электрическая постоянная, Ф/м,
εr
– относительная диэлектрическая проницаемость (безразмерная величина). Наименьшую диэ-лектрическую проницаемость имеет вакуум (
εr
= 1), жидкие и твердые диэле- ктрики (
εr
≈ 2÷17); диэлектрическая проницаемость воздуха
εr
= 1,00058.

а) б)

Рисунок 1.2 – Измерение электрического сопротивления тонких пленок (а), плоский конденсатор (б).

Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости

ТК
εr
(К-1) характеризует изменение диэлектрической проницаемости
εr
ра-диоматериалов от температуры (рисунок 1.3-а):

ТКεr = (εr1 — εr2

)
/εr1
(
Т1 — Т2
), где
εr
1 и
εr
2 — диэлектрическая прони-цаемость материала при начальной
Т1
и при конечной
Т2
температурах. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости имеет положительное или отрицательное значение и соответственно указывает, возрастает или убывает (при увеличении температуры) диэлектрическая проницаемость данного диэлектрика.