Классификация и основные свойства электротехнических материалов

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

И ТЕХНОЛОГИЯ

ЭЛЕКТРОМОНТАЖНЫХ РАБОТ

 

Учебно-методическое пособие

 

Ч а с т ь 1

 

Проводниковые и полупроводниковые

материалы

 

Издание второе, исправленное и дополненное

 

Одобрено методической комиссией электротехнического факультета

 

 

Гомель 2021

УДК 621.3(075.8)

ББК 31.2

    К93

 

 

Р е ц е н з е н т – докт. техн. наук, профессор А. С. Неверов (УО «БелГУТ»).

 

Курилин, С. Л.

К93 Электротехнические материалы и технология электромонтажных работ:

учеб.- метод. пособие. В 3 ч. Ч. 1. Проводниковые и полупроводниковые материалы / С. Л. Курилин; 2-е изд., испр. и доп. М-во трансп. и комму-никаций Респ. Беларусь, Белорус. гос. ун-т трансп. – Гомель: БелГУТ, 2021. – 96 с. – Цифровое электр. изд. – Загл. с тит. экрана. – Электр. текст. дан. – 1 Мб. – Систем. треб.: Adobe Reader.

  ISBN 978-985-468-451-2 (ч. 1)

 

 

Приведены общие сведения о строении и физических свойствах электротехнических материалов; описаны проводниковые и полупроводниковые материалы, их применение в электротехнике и электронике.

Предназначено для студентов электротехнического факультета специальности 1-37 02 04 «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте»

УДК 621.3(075.8)

ББК 31.2

 

 

 

ISBN 978-985-468-451-2 (ч. 1)     © Курилин С. Л., 2021

ISBN 978-985-468-450-5                    © Оформление. УО «БелГУТ», 2021

 

Оглавление

Введение. 5

1  КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 6

1.1     Заселение электронами оболочек атомов и свойства химических элементов 8

1.2     Зависимость электропроводности вещества от вида химических связей между его атомами 16

1.3     Конструкционные и эксплуатационные свойства электротехнических материалов 19

1.4     Влияние структуры материала на его свойства. 20

2  ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ.. 24

2.1     Классическая и волновая модели электропроводности металлов. 25

2.2     Влияние температуры металла на его электропроводность. 27

2.3     Влияние примесей и других структурных дефектов на электропроводность металлов 29

2.4     Металлы высокой электропроводности широкого применения. 31

2.5     Различные металлы и их применение. 36

2.6     Повышение сопротивления проводников на высоких частотах (скин-эффект) 43

2.7     Применение тонких металлических плёнок. 45

2.8     Электропроводность металлических сплавов. 47

2.9     Сплавы высокого сопротивления. 49

2.10  Контактная разность потенциалов и термоЭДС.. 52

2.11  Сплавы различного назначения. 53

2.12  Сверхпроводниковые материалы.. 56

2.13  Неметаллические токопроводящие материалы.. 59

2.14  Материалы для нанопроводов. 61

3  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ.. 64

3.1     Свойства и применение собственных полупроводников. 66

3.2     Примесные полупроводники и применение p-n- перехода. 73

3.3     Получение и применение германия. 79

3.4     Получение и применение кремния. 82

3.5     Получение и применение графенов. 85

3.6     Получение и применение карбида кремния. 86

3.7     Получение и применение сплавов Si+Ge и Si+Ge+C.. 87

3.8     Применение полупроводниковых соединений типа A ^III B ^V. 89

3.9     Применение халькогенидов и оксидов. 91

3.10  Органические полупроводники. 93

3.11  Магнитные полупроводниковые материалы.. 93

Список литературы.. 96

 

 

 

Введение

 

Лекционный курс «Электротехнические материалы и технология электромонтажных работ» является первой специальной дисциплиной для студентов электротехнической специальности 1-37 02 04 «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте». За более 200 лет развития электротехники и более 100 лет электроники мы научились использовать движение электричества для передачи и преобразования энергии, передачи и обработки информации, а также для изменения свойств вещества с помощью электротехнологических процессов. Постоянно появляются новые электрические и электронные устройства, характеристики существующих непрерывно улучшаются; применение новых материалов является одним из основных способов повышения производительности, надёжности и эффективности электрооборудования и электронной аппаратуры.

Инженер-электрик в области разработки и эксплуатации телекоммуникационных систем должен знать важнейшие свойства проводниковых, полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов, используемых как при изготовлении отдельных элементов и деталей, так и при соединении их между собой. Для долговременной и безаварийной эксплуатации электрооборудования и электронной аппаратуры необходимо также знать, как правильно проложить электрические линии, качественно выполнить электрические соединения и обеспечить надежную изоляцию.

Пособие не претендует на роль справочника по электротехническим материалам и сборника технологических инструкций. Главная цель пособия – адаптировать специальные знания в области материаловедения и технологий к уровню школьной подготовки студентов I курса, т. е. пересказать их в простой и доступной форме.

В первой части пособия приведены общие сведения о материалах и описаны проводниковые и полупроводниковые материалы.

КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Электротехническими называют материалы, применяемые в технике с учетом их свойств по отношению к воздействию на них электрических, магнитных и переменных электромагнитных полей.

По поведению в электрическом поле материалы подразделяют на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Проводниками называют материалы, обеспечивающие прохождение электрического тока – электропроводность. Основным электрическим параметром проводников является удельное объёмное электрическое сопротивление ρ _v – это сопротивление куба с ребром 1 м при протекании тока от одной грани к противоположной, единица измерения Ом·м. Часто используют обратную величину – удельную объёмную электропроводность, γ _v = 1 / ρ _V, единица измерения См / м (сименс на метр). Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ _v < 10^{– 5} Ом·м. Это металлы и сплавы, углеродные материалы, растворы (электролиты), расплавы, ионизированный газ (плазма), некоторые оксиды и другие химические соединения, а также композиционные материалы.

Полупроводниками называют материалы, электропроводностью которых можно управлять путём воздействия электрических и магнитных полей, света, температуры и других энергетических факторов. Удельное сопротивление полупроводников ρ _v находится в пределах от 10^{– 5} до 10 ⁸ Ом·м.

Полупроводниковые свойства проявляют двенадцать элементов из правой части таблицы Менделеева – B(бор),C(углерод),Si(кремний), P(фосфор),S(сера), Ge(германий), As(мышьяк),Se(селен),α - Sn (альфа-олово), Sb(сурьма), Te (теллур), I(йод), а также множество химических соединений, в том числе и органических.

Диэлектрическими называют материалы с ρ _v > 10 ⁸ Ом·м, которые практически не проводят электрический ток. Под действием электрического поля в них происходит поляризация – смещение связанных электрических зарядов. Способность вещества к поляризации характеризуется значением относительной диэлектрической проницаемости ε, которая показывает, во сколько раз вещество, поляризуясь, ослабляет внешнее электрическое поле по сравнению с вакуумом; во столько же раз возрастает ёмкость конденсатора, если пространство между его обкладками заполнить веществом.

Диэлектрики, применяемые для целей электрической изоляции материалов, называют пассивными. Качество изоляции характеризуется пробивным напряжением, а также электрической прочностью, которая представляет собой отношение пробивного напряжения к толщине материала. Потери при работе изоляции в переменных полях характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь tg δ, который показывает, какая часть от энергии, запасаемой при поляризации диэлектрика, выделяется в виде тепла. Активными называют диэлектрики, свойствами которых можно управлять, и таким образом использовать их для электрических, электромеханических, электрооптических и других преобразований энергии, а также для запоминания и визуального представления информации.

Границы, устанавливаемые между классами материалов по значениям удельного электрического сопротивления, несколько условны; многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам, а некоторые проявляют свойство сверхпроводимости; у некоторых диэлектриков при сильном нагревании появляется значительная электропроводность.

По поведению в магнитном поле материалы подразделяют на сильномагнитные (магнитные) и слабомагнитные (немагнитные). Более подробная классификация рассматривает 5 групп веществ: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Основным магнитным параметром является относительная магнитная проницаемость μ, которая показывает, во сколько раз вещество изменяет магнитное поле по сравнению с вакуумом (если μ > 1, то усиливает, если μ < 1, то ослабляет).

Металлические магнитные материалы проводят электрический ток. В переменных полях в них возникают вихревые токи, которые усиливаются с повышением частоты, поэтому частотный диапазон их использования ограничен устройствами постоянного тока, а также тока промышленной и звуковой частоты. Для использования в высокочастотных и сверхвысокочастотных (СВЧ) устройствах обработки и передачи информации применяют полупроводниковые и диэлектрические магнитныематериалы, которые отличаются малой электропроводностью и малыми потерями энергии на перемагничивание и переполяризацию.