ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАТЕРИАЛАХ
Введение

деление исторических эпох по материалам (каменный, бронзовый, железный век);
использование материалов: чисто природные → облагороженные → комбинации природных → синтетические;
для каждой следующей эпохи характерно уменьшение ее длительности и одновременно увеличение количества используемых материалов
Материал - это объект, обладающий определенным составом, структурой и свойствами, предназначенный для выполнения определенных функций.
Материаловедение - наука, занимающаяся изучением состава, структуры, свойств материалов, поведением материалов при различных воздействиях: тепловых, электрических, магнитных и т.д., а также при сочетании этих воздействий.
Электротехническое материаловедение - это раздел материаловедения, который занимается материалами для электротехники и энергетики, т.е. материалами, обладающими специфическими свойствами, необходимыми для конструирования, производства и эксплуатации электротехнического оборудования.
Значение материаловедения

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАТЕРИАЛАХ
Внешние факторы: термообработка, облучение и т.п.
Внутренние факторы: состав, структура

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Однородные анизотропные тела, характеризующиеся правильным порядком атомов во всем объеме и состоящие из периодически повторяющихся одинаковых кристаллических ячеек
Мелкие сросшиеся друг с другом кристаллические зерна (кристаллиты), ориентированные хаотично; свойства изотропны
Упорядоченность отсутствует; затвердевшие жидкости, у которых при понижении температуры вязкость растет очень быстро и кристаллы не успевают образовываться. Характерная особенность – отсутствие определенной температуры плавления, есть некоторый интервал размягчения
Аморфно-кристаллические: в аморфной структуре есть частичная кристаллизация

СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ
Вид пространственной кристаллической решетки зависит от размера атомов и электронной конфигурации их внешних оболочек
Геометрически возможны всего 14 типов кристаллической решетки
Кристаллов с идеально правильным строением не существует, всегда есть какое-либо отклонение от регулярного расположения частиц – т.н. дефекты структуры
Простейшие кристаллические решетки
1 – простая кубическая решетка; 2 – гранецентрированная кубическая решетка; 3 – объемноцентрированная кубическая решетка; 4 – гексагональная решетка.

МОНОКРИСТАЛЛЫ
ПОЛИКРИСТАЛЛЫ

АНИЗОТРОПИЯ - зависимость физических свойств от выбранного направления из-за различия в плотности расположения частиц в кристаллической решетке по разным направлениям.
ПОЛИМОРФИЗМ (аллотропия) – способность образовывать 2 и больше кристаллических решеток, существующих при различных давлении и температуре и имеющих различные свойства.
Железо: ОЦК (ферромагнетик) и ГЦК (диамагнетик)
Объемно-центрированный куб
Гране-центрированный куб
Обозначение модификаций: при минимальной температуре – α, затем β, γ и т.д.

Кристаллические решетки углерода
Графит
Алмаз
АМОРФНЫЕ ТЕЛА
Обладают одновременно твердостью и текучестью
Определенная температура плавления отсутствует

ДЕФЕКТЫ СТРУКТУРЫ
Точечные дефекты
замещение собственного атома чужеродным
внедрение атома в пространство между узлами решетки
отсутствие атома в одном из узлов кристаллической решетки

Количественная оценка электропроводности: ρ – удельное сопротивление [Ом*м] или γ – удельная электропроводность [См/м]
В общем случае ρ = [0; ∞] (сверхпроводники – разреженные газы)
Для твердых тел ρ = 10-8 … 1017 Ом*м

Все металлы – проводники, а неметаллы – полупроводники и диэлектрики
Качественное различие: для проводников проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков - возбужденным
Удельное сопротивление ρ зависит от:
структуры;
модификации;
внешних условий;
агрегатного состояния

Образуется за счет создания общей пары валентных электронов
Имеет направленный характер, может быть полярной и неполярной
Материалы твердые, но хрупкие, с высокой температурой плавления
Ge, Si, алмаз; двухатомные газы H2, N2, O2; молекулы многих органических соединений (C2H4)n
КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ

МОЛЕКУЛЯРНАЯ (ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ, ВАН-ДЕР-ВААЛЬСА) СВЯЗЬ
Образуется между отдельными молекулами в результате электростатического притяжения между зарядами противоположных знаков, которые имеются в молекулах с ковалентным характером внутримолекулярного взаимодействия
Наиболее универсальная связь, возникает между любыми частицами
Наиболее слабая (на 2 порядка слабее ионной и ковалентной)
Низкая температура плавления
Полимеры

ЭЛЕМЕНТЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ ТВЕРДОГО ТЕЛА
Зонная теория – теория валентных электронов, движущихся в периодическом потенциальном поле кристаллической решетки. Она справедлива для тел с ковалентными и металлическими связями.

Ширина запрещенной зоны не зависит от размеров кристалла, а определяется природой атомов, образующих материал, и симметрией кристаллической решетки
Расщеплению в зону подвержены как нормальные (стационарные), так и возбужденные электронные уровни
При перемещении вверх по энергетической шкале ширина разрешенных зон возрастает, а запрещенных – уменьшается
Количество уровней в зоне определяется числом атомов в кристалле
Ширина запрещенной зоны зависит от температуры по причине изменения:
- амплитуды колебаний узлов КР (температура ↑ → степень взаимодействия атомов ↑ → расщепление энергетических уровней ↑ → ширина запрещенной зоны ↓);
- объема тела, т.е. междуатомного расстояния
Свойства энергетических зон

Основной параметр, влияющий на электропроводность
Ge ΔW = 0.67 эВ NaCl ΔW ≈ 6 эВ
Si ΔW = 1.12 эВ
GaAs ΔW = 1.43 эВ
SiC ΔW = 2,4 – 3,4 эВ

ВЫВОДЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ
Электрические свойства любого вещества определяются условиями взаимодействия и расстояниями между его атомами и не являются особенностью данного атома
Примеси и дефекты структуры создают особые энергетические уровни, которые располагаются в запрещенной зоне идеального кристалла
Энергия возбуждения носителей заряда (энергия активации электропроводности) равна 0 у металлов и непрерывно возрастает в ряду полупроводников, а затем диэлектриков:

ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
РАЗДЕЛ 1

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

ПОНЯТИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ

Электрон - частица

Плотность тока
Электрон - частица
Концентрация свободных электронов
Мощность удельных потерь

ЗАВИСИМОСТЬ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ОТ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ
Температура
Температурный коэффициент любого параметра Z – это логарифмическая производная этого параметра по температуре:
Z > 0, TKZ > 0
[1/град] → К-1 или (0С)-1
ρост – остаточное удельное сопротивление
Тс – температура перехода в сверхпроводящее состояние
Тпл – температура плавления
ТД – температура Дебая
Ветви 5, 6 – для всех металлов, кроме Vi, Ga

Деформация
Для упругой деформации
КТ – коэффициент тензочувствительности
Неупругая деформация – как правило, ρ незначительно возрастает из-за искажений КР
УДЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ СПЛАВОВ
Твердый раствор
Сопротивление тем больше, чем больше разница в валентности и размерах атомов
Раздельная кристаллизация (механическая смесь)
μ↓ ↔ N↑

Теплоемкость и теплопроводность проводников

ТЕРМОЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА (ТермоЭДС)
Двойной электрический слой → потенциальный барьер
Работа выхода электрона – работа по преодолению потенциального барьера на границе металл – вакуум
φ = φвн – φпов – разность потенциалов двойного электрического слоя
Авых = eφ
nA > nB

Эффект Зеебека

Влияние примесей на удельную проводимость количественное и качественное: 1% Ag, Cd уменьшает ρ ≈ на 10%; 1% Ве - ≈ на 70%
Сплавы на основе меди
Cu + Zn → латунь (большое значение Δl/l при большом значении σр дает преимущества при производстве деталей штамповкой)
Cu + Sn, Si, P, Be, Cr, Mg, Cd → бронза (увеличивается механическая прочность до σр = 800 – 1350 МПа и упругость; токоподводящие пружины, контактные провода, коллекторные пластины)
Маркировка: БрО10 – 10% олова; БрА7 – 6 – 8% алюминия
Проводимость сплавов – 10 – 30% от значения для чистой меди

Алюминий
ρ = 0,0265 мкОм*м
ТКρ = 0,0041 1/0С
σр = 80 – 160 МПа
Тплав = 660 0С
Преимущества:
Коррозионная стойкость
Малый удельный вес (в 3,5 раза легче меди)
Недостатки:
Образование на воздухе оксидной пленки с большим сопротивлением
Трудность пайки
Гальваническая коррозия в паре с медью во влажной среде
Марки алюминия
А1 ≤ 0,5% электротехнические цели
АВ00 ≤ 0,03% фольга, обкладки конденсаторов, электроды
АВ0000 ≤ 0,004% специальное назначение
Сплавы алюминия (увеличение механической прочности)
Альдрей (Mg 0,3-0,5%; Si 0,4-0,7%; Fe 0,2-0,3%)
ρ = 0,0317 мкОм*м σр = 80 – 160 МПа
Сталеалюминиевый провод

Железо
ρ = 0,1 мкОм*м
σр = 700 – 750 МПа (мягкая сталь)
Δl/l = 5 – 8%

ТУГОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ
Температура плавления выше 1700 0С (W, Mo, Ta, Nb, Cr, V, Ti)
Вольфрам
ρ = 0,055 мкОм*м
Δl/l = 4%
σр = 550 – 3500 МПа
Тплав = 3380 0С
Руды:
Вольфрамит (FeWO4, MnWO4)
Шеелит СаWO4
Особенность: чем тоньше, тем крепче
Стержни d = 5 мм σр = 500 – 600 МПа
Проволока d = 0,05 мм σр = 3000 – 4000 МПа
(зернистое строение → волокнистое строение)

Использование вольфрама:
нити накаливания до 2000 0С (в атмосфере инертного газа);
вакуумплотные термосогласованные вводы в тугоплавкое стекло;
контакты на большие токи
Молибден
ρ = 0,057 мкОм*м
Δl/l = 2 – 55 %
σр = 350 – 2500 МПа
Тплав = 2620 0С
Особенности:
Механическая прочность очень сильно зависит от механической обработки, вида изделия, диаметра стержней и проволоки, термообработки
Очень чувствителен к примесям даже порядка 10-3 – 10-4 %

БЛАГОРОДНЫЕ МЕТАЛЛЫ (Ag, Au, Pt, Pd)

КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЕ МЕТАЛЛЫ (Ni, Pb, Zn, Sn)

Манганин
ρ = 0,42 – 0,48 мкОм*м
Δl/l = 15 – 30%
σр = 450 – 600 МПа
ТКρ = (6 – 50)*10-6 1/0С
КЕCu = 1-2 мкВ/град
Состав: Cu ≈ 85%; Mn ≈ 12%; Ni ≈ 3%
Продукция: тонкая проволока (d ≥ 0,02 мм) в эмалевой изоляции
Технология производства:
Результат – стабильное ρ и низкий ТКρ
Использование:
образцовые резисторы с допустимой температурой нагрева ≤ 200 0С;
датчики высокого гидростатического давления

Константан
ρ = 0,48 – 0,52 мкОм*м
Δl/l = 20 – 40%
σр = 400 – 500 МПа
ТКρ = (5 – 25)*10-6 1/0С
КЕCu = 44 - 55 мкВ/град
Состав: Cu ≈ 60%; Ni ≈ 40%
Допустимая температура нагрева 450 0С
Использование: реостаты, ТЭНы, термопары на низкие температуры (в паре с медью и железом)

Изготовление нагревательных элементов

СПЛАВЫ ДЛЯ ТЕРМОПАР
Название термопар:
предполагается, что в холодном спае ток идет от первого названного материала ко второму, а в горячем - наоборот

КОНТАКТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Электрический контакт – место соприкосновения или соединения составных частей электрической цепи, обеспечивающее прохождение между ними электрического тока; приспособление, обеспечивающее такое соединение; поверхность соприкосновения двух проводящих частей

ПРИПОИ И ФЛЮСЫ