Органические полупроводники

6.1.Молекулярные кристаллы представляют собой полициклические низкомолекулярные ароматические соединения. К ним относятся антрацен, нафталин, фенантрен, перилен, коронен, виолантрен, изовиолантрен и фталоцианы.

6.2.Молекулярные комплексы представляют собой полициклические низкомолекулярные соединения с электронным взаимодействием между молекулами вещества. К ним относятся виолантрен-йод (с дырочной электропроводностью) и изовиолантрен-калий.

6.3.Металлоорганические комплексы представляют собой низкомолекулярные вещества, например, фталецианин меди.

6.4.Полимерные полупроводники представляют собой материалы с длинными цепями сопряжения и сложным физико-химическим строением.

6.5.Пигменты представляют собой окрашенные минеральные или органические вещества, которые не растворяются в связующем (маслах, лаках и др.). По сути это оксиды металлов. К ним относятся индиго, эозин, пинацианол, радофлавин, радамин, трипафлавин и др. к природным пигментам относятся хлорофилл, каротин и др.

Основным критерием использования органических полупроводников является их чистота. Для очистки органических материалов используют кристаллизацию из раствора, возгонку, хроматографию из раствора или пара и зонную очистку.

Органические полупроводники применяют для изготовления терморезисторов с высокой температурной стабильностью пьезо элемента, резонансных контуров в интегральных схемах, радиационных дозиметров, детекторов инфракрасного излучения, фоторезисторов, квантовых генераторов, тензодатчиков с высокой чувствительностью.

Приборы, изготовленные на основе органических полупроводников, отличаются высокой механической и климатической устойчивостью в условиях тропического климата и при повышенных вибрационных и ударных нагрузках. Например, радиационные дозиметры используют в атомных реакторах, терморезисторы – для контроля температурных режимов в вибрационных установках.

УРОК № 36.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 17.

ТЕМА. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ.

Смотри урок № 33. ДЗ (1), с. 145 – 156.

Рассмотреть (1) рис. 24, с. 146; рис. 26, с.148; рис. 32 и 33, с. 153 с использованием интерактивной доски.

УРОК № 37.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 18.

ТЕМА. ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ.

Смотри урок № 34. ДЗ (1), с. 154 – 159.

Рассмотреть (1) рис. 34 и рис. 35 с использованием интерактивной доски.

УРОК № 38.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 19.

ТЕМА. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ (ИЗДЕЛИЯ), ПРИМЕНЯЕМЫЕ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОДВИЖНОМ СОСТАВЕ.

Смотри урок № 35. ДЗ, изучение конспекта.

Рассказать об этом с показом вентилей (диодов) ВЛ-200 и тиристоров с использованием интерактивной доски.

УРОК № 39.

ТЕМА. ДИНАМНАЯ (ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН) ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ СТАЛЬ.

ДЗ – ЗОРОХОВИЧ А.Е. и КРЫЛОВ С.С. (1980 г.), с. 375 – 377.

Электротехническая сталь является магнитомягким материалом. Она применяется в электротехнических изделиях. В сталь вводят 0,8 – 4,8% кремния, что резко повышает удельное электрическое сопротивление. В результате этого в электротехнической стали резко снижаются потери мощности от вихревых токов. Вместе с тем введение кремния снижает потери на гистерезис (перемагничивание) и увеличивает магнитную проницаемость в слабых и средних полях.

Электротехническая сталь обладает малой коэрцитивной силой и имеет весьма высокую магнитную проницаемость, что делает её основным материалом, используемым для изготовления различных магнитопроводов в электрических машинах и аппаратах. Электротехническую сталь изготовляют в виде листов толщиной 0,1 – 0,5 мм горячей или холодной прокатки. Эта сталь в зависимости от состава разделяется на ряд марок: 1111, 1112, 1311, 1411, 3411 и др. первая цифра в обозначении марки электротехнической стали характеризует класс по структурному состоянию и виду прокатки: 1 – горячекатаная изотропная;2 – холоднокатаная изотропная; 3 – холоднокатаная анизотропная. Вторая цифра характеризует содержание кремния: 0 – до 0,4%; 1 – от 0,4 до 0,8%; 2 – от0,8 до 1,8%; 3 – от 1,8 до 2,8%; 4 – от 2,8 до 4,8%. Третья цифра характеризует группу по основной нормируемой характеристике: 0 – удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тесла и частоте 50 Герц; 1 – удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тесла и частоте 50 Герц; 2 – удельные потери при магнитной индукции 1,0 Тесла и частоте 400 Герц; 6 – магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряжённости магнитного поля 0,4 А/метр; 7 – магнитная индукция в средних магнитных полях при напряжённости магнитного поля 10 А/метр. Четвёртая цифра указывает на порядковый номер типа стали.

Различие горячекатаной и холоднокатаной сталей объясняется в значительной степени их кристаллической структурой. Крупнокристаллические материалы обладают большей магнитной проницаемостью и меньшей коэрцитивной силой, чем мелкокристаллические. Механическая же и термическая обработки позволяют изменять размеры кристаллов, а следовательно, и магнитные свойства ферромагнитных материалов. При механической обработке и закалке стали в металле возникают внутренние напряжения, которые препятствуют при намагничивании свободной ориентации элементарных магнетиков в направлении поля. Это вызывает уменьшение магнитной проницаемости и увеличение коэрцитивной силы.

Отжиг стали (нагрев с последующим медленным остыванием), наоборот, вызывает уменьшение внутренних напряжений и возрастание размеров кристаллов. В результате повышается магнитная проницаемость и уменьшается коэрцитивная сила. При горячей прокатке электротехнической стали происходит лишь слабая ориентация зёрен стали в направлении прокатки. Такая изотропная сталь имеет приблизительно одинаковые магнитные свойства в различных направлениях. Путём повторной холодной прокатки стали и особой термической обработки (отжигом) изготовляют так называемую текстурованную сталь крупнокристаллического строения. В листе текстурованной стали отдельные кристаллы расположены не беспорядочно, а имеют определённую пространственную ориентацию, рёбрами куба они устанавливаются в направлении прокатки, вследствие чего направление прокатки совпадает с осью лёгкого намагничивания этой стали.

Такая сталь называется анизотропной и при правильном её использовании (если направление магнитного потока, проходя через сердечник, составленный из стальных листов, совпадает с направлением их прокатки) имеет большую магнитную проницаемость и меньшую коэрцитивную силу, чем не текстурованная. Снижение толщины листа электротехнической стали благоприятно сказывается на снижении потерь от вихревых токов.

Из листовой электротехнической стали марок 1211, 1213 изготовляют сердечники роторов и статоров электрических машин переменного тока и магнитопроводы различных контакторов, реле и регуляторов; из стали марок 1311 и 1312 – сердечники якорей машин постоянного тока.

Для изготовления остовов электрических машин постоянного тока применяют стальное литьё с содержанием углерода до 1%. Отлитые из такой стали изделия подвергают медленному отжигу. Сварные детали электрических машин изготовляют из конструкционной углеродистой или слаболегированной стали. Из листов этой же стали выполняют главные полюса машин постоянного тока.

Ответственные детали электрических машин – валы якорей и роторов, стяжные шпильки, пружины – изготовляют из стали с повышенными свойствами – легированной, содержащей в своём составе хром, никель, вольфрам и молибден.

УРОК № 40.

ТЕМА. ТРАНСФОРМАТОРНАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ СТАЛЬ.

ДЗ – ЗОРОХОВИЧ А.Е. и КРЫЛОВ С.С.(1980 г.), с. 375 – 377, (1987г), с.394 – 396.

Магнитопроводы мощных трансформаторов изготовляют из холоднокатаной стали марок 3411 – 3413, а также из стали марок 1511 – 1513.

В некоторых электротехнических устройствах возникает необходимость применения немагнитных материалов и, в частности, немагнитных сталей или чугуна. Из них выполняют, например, крышки, кожухи и крепёжные детали силовых (тяговых) трансформаторов. Для получения такой стали и чугуна в их состав вводят значительные добавки никеля (20 - 25% для стали и 9 – 12% для чугуна), которые способствуют созданию особой кристаллической структуры, препятствующей образованию областей самопроизвольного намагничивания. Немагнитная сталь и чугун являются парамагнитными материалами. Относительная магнитная проницаемость их составляет 1,05 – 1,2.

УРОК № 41.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 20.

ТЕМА. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И КЛАССИФИКАЦИЯ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

ДЗ (1), с. 160 – 165.

Материалы, которые под действием внешнего магнитного поля намагничиваются, т.е. приобретают особые магнитные свойства, называют магнитными.

Основными магнитными материалами являются железо, никель, кобальт и различные сплавы на основе технически чистого железа. Свойства магнитных материалов оцениваются магнитными характеристиками. Важнейшими магнитными характеристиками являются следующие.

1.Магнитная проницаемость (относительная магнитная проницаемость) определяет способность материала к намагничиванию: чем она больше, тем легче намагничивается материал (больше в этом материале усиливается магнитное поле по сравнению вакуумом) и, наоборот, чем она меньше, тем в меньшей степени материал может быть намагничен.

При достижении определённой температуры (температуры Кюри) магнитные свойства магнитного материала исчезают.

2.Индукцией насыщения определяются свойства магнитного материала, поведение которого в магнитном поле характеризуется начальной кривой намагничивания (использовать интерактивную доску для изображения кривой намагничивания и петли гистерезиса, см. рис. 38, стр. 161 (1)). эта кривая показывает изменение магнитной индукции магнитного материала в зависимости от напряжённости магнитного поля (от силы тока в катушке (обмотке), которая находится на этом магнитном материале): вначале магнитная индукция растёт, затем её рост замедляется, а по достижении определённого значения рост индукции прекращается, не смотря на рост напряжённости магнитного поля (силы тока). говорят, что магнитный материал достиг насыщения, а эту индукцию называют индукцией насыщения. Чем больше эта индукция, тем выше свойства магнитного материала. Единицей измерения магнитной индукции является Тесла (Тл).

3.Остаточная магнитная индукция и коэрцитивная сила. (Использовать интерактивную доску и рис. 38, стр. 161). После достижения насыщения магнитного материала при уменьшении напряжённости (тока) магнитного поля до нуля в образце обнаружится остаточная магнитная индукция. Для размагничивания образца надо, чтобы напряжённость (ток) магнитного поля изменила своё направление на обратное. Напряжённость поля, при которой индукция станет равной нулю, называют коэрцитивной силой.

Если после этого образец магнитного материала начать намагничивать в противоположном направлении, то снова будет наблюдаться индукция насыщения. При дальнейшем уменьшении напряжённости (тока) магнитного поля до нуля и новом намагничивании в первоначальном направлении индукция будет непрерывно увеличиваться до индукции насыщения. В результате образуется замкнутая петля, которую называют предельной или статической петлёй гистерезиса.

4.Коэффициент прямоугольности равен отношению остаточной магнитной индукции к индукции насыщения. Онхарактеризует степень прямоугольности предельной петли гистерезиса. Чем этот коэффициент больше, тем более прямоугольна петля гистерезиса. У магнитных материалов, применяемых для запоминающих устройств в электронных вычислительных машинах он равен 0,98, а у других материалах он значительно меньше.

При воздействии на материал переменного магнитного поля (переменного тока) получают динамическую кривую намагничивания и динамическую петлю гистерезиса. Динамическая петля гистерезиса имеет несколько большую площадь, чем статическая, так как при воздействии переменного магнитного поля (переменного тока) в материале кроме потерь на гистерезис возникают потери на вихревые токи и магнитное последействие.

5.Удельная объёмная энергия – это энергия, создаваемая постоянным магнитом в воздушном зазоре (между его полюсами), отнесённая к единице его (воздушного зазора) объёма (Джоуль/кубический метр).

Магнитной характеристикой является максимальная объёмная энергия (Джоуль/кубический метр).

Согласно поведению в магнитном поле магнитные материалы делят на магнитомягкие и магнитотвёрдые.

6.Магнитомягкие материалы обладают большой начальной и максимальной магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой, им соответствует узкая петля гистерезиса. Магнитомягкие материалы используют для изготовления сердечников электрических машин, трансформаторов, реле и других электрических аппаратов.

7.Магнитотвёрдые материалы обладают большой коэрцитивной силой и остаточной индукцией и соответственно имеют широкую петлю гистерезиса. Эти материалы служат источниками постоянного магнитного поля.

Магнитотвёрдые материалы применяют для изготовления постоянных магнитов.

По составу все магнитные материалы делятся на металлические и неметаллические. К металлическим материалам относят чистые металлы (железо, кобальт, никель) и магнитные сплавы некоторых металлов, а к неметаллическим – ферриты.

УРОК № 42.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 21.

ТЕМА. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КРЕМНИСТЫХ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ.

ДЗ (1), с. 167 – 169.

Электротехнические кремнистые стали представляют собой низкоуглеродистые стали, в которые вводят от 0,8 до 4,8% кремния для улучшения магнитных свойств. В этой стали образуется кремнезём. Он повышает удельное сопротивление стали, что снижает потери на вихревые токи. Кремнезём также способствует росту кристаллов железа, что повышает уровень магнитных характеристик стали. Введение большого количества кремния в сталь улучшает все магнитные характеристики, но вызывает её повышенную хрупкость, исключающую изготовление из неё штампованных деталей. Поэтому вводят кремний в сталь до 4,8%.

Листы кремнистой стали изготовляют прокаткой заготовок в нагретом или не нагретом состоянии. Различают горячекатаную и холоднокатаную кремнистую сталь (смотри урок № 39).

Таблица №22, стр. 168 у Никулина Н.В.Основные характеристики кремнистых высоколегированных сталей.

Содержа-ние кремния в стали, %	Характер прокат-ки стали	Начальная магнитная проницае-мость	Максимальная магнитная проницаемость	Коэрцитивная сила, А/метр
	Горяче- катаная	300 - 400	6000 - 8000	31 - 33
3,8	Холодно- катаная	600 - 900	20000 - 35000	9,5 - 14

Улучшенные магнитные характеристики наблюдаются у холоднокатаных сталей только при совпадении направления их прокатки с направлением магнитного потока. В ином случае магнитные характеристики холоднокатаных текстурованных сталей ниже, чем горячекатаных.

Поэтому холоднокатаные стали наиболее рационально применять в ленточных сердечниках и других конструкциях, где направление магнитного потока совпадает с направлением прокатки.

Электротехническую сталь прокатывают в листы и ленты толщиной от 0,05 до 1,0 мм. Для сердечников электрических машин, имеющих круглую форму, применяют горячекатаные стали, а также холоднокатаные мало текстурованные, которые обладают лучшими магнитными свойствами, чем горячекатаные.

УРОК № 43.

ТЕМА. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАГНИТОТВЁРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

ДЗ (1), с. 169 – 172.

Магнитотвёрдые материалы применяют для изготовления постоянных магнитов. Постоянный магнит должен обладать большой магнитной энергией, т.е. магнитотвёрдые материалы должны иметь, возможно, большие коэрцитивную силу и остаточную магнитную индукцию.

Магнитный поток постоянного магнита с течением времени уменьшается. Этот процесс называют старением магнита. Если старение магнита наступает в результате вибраций, ударов, резкого изменения температуры, ему повторным намагничиванием можно возвратить прежние магнитные свойства. Старение же, связанное с изменением структуры магнитотвёрдого материала, является необратимым.