Полупроводниковые материалы

1.Полупроводники. Особенность электропроводности. Собственные и примесные полупроводники. Характер зависимости электропроводности от внешних факторов: температуры, электромагнитных излучений, напряженности электрического поля, деформации. Механизмы увеличения концентрации зарядов: термоэлектронная ионизация, ударная ионизация, туннельный эффект. Вентильные свойства полупроводников. [1, с. 229 – 251].

2. Основные виды полупроводниковых приборов.

Терморезисторы. Термисторы. Позисторы. Основные характеристики: номинальное сопротивление, температурная зависимость сопротивления, температурный коэффициент сопротивления.

Фоторезисторы. Основные характеристики: темновое сопротивление, чувствительность, вольтамперная характеристика, постоянная времени, рабочее напряжение.

Диоды. Транзисторы. Стабилитроны. Варикапы. Назначение. Основные характеристики: прямой и обратный ток и напряжение; вольтамперная характеристика, максимально допустимая температура, барьерная емкость.

3 Группы полупроводниковых материалов и область их применения. Полупроводниковые элементы (германий, кремний, селен). Химические соединения (карбид кремния, арсенид галлия, фосфид галлия, арсенид индия, халькогениды цинка, кадмия, ртути, сульфид висмута). Применение. [1 с. 297-325].

4 Варисторы — нелинейные сопротивления для вентильных разрядников. Тирит, вилит, тервит, силит, лэтин. Материалы для получения варисторов: карбид кремния, оксидные проводники на основе оксида цинка. Свойства и применение. [1, с.295--297].

Проводниковые материалы

Общие сведения и классификация проводников. Электропроводность.

2.4.1. Свойства проводниковых материалов.

Удельное сопротивление металлов и сплавов. Влияние примесей, деформации, температуры, размеров и частоты напряжения Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов и сплавов. Влияние наклепа на удельное сопротивление.

Тепловые свойства. Тепловое расширение. Теплопроводность металлов и ее связь с электропроводностью. Теплоемкость. Температура плавления. Контактная разность потенциалов. Термоэлектродвижущая сила. Термопары. Оксидная пленка и ее роль при обработке и использовании проводников. [1, с. 398-418].

2.4.2. Металлы и сплавы высокой проводимости. Медь и ее сплавы (латунь, бронза). Свойства и применение алюминия и его сплавов. Экономическое сравнение медных и алюминиевых проводов. Сталеалюминевые провода. Значение увеличения диаметра сталеалюминевых проводов для борьбы с короной. Оксидная пленка на поверхности алюминия. Применение алюминиевых проводов с оксидной изоляцией в электрических аппаратах и конденсаторах. [1, с. 418-432].

Явление сверхпроводимости. Зависимость от внешних факторов: температуры, магнитной индукции и частоты электромагнитного поля. Материалы: ниобий, ванадий, технеций, лантановая, висмутовая и ртутная керамика. Возможность использования. Криопроводники: медь, алюминий, бериллий. [1, с. 186 –197. 205 – 213].

2.4.3. Сплавы высокого сопротивления. Резистивные сплавы. Манганин. Константан. Нейзильбер. Свойства, применение. Сплавы для нагревательных элементов: нихромы и ферронихромы, фехрали и хромали. Составные части и их влияние на свойства сплавов. Применение электротехнических бетонов для изготовления резисторов. Пленочные резистивные материалы. Сплавы для термопар. [1, с. 438-442].

2.4.4. Металлы и сплавы различного электротехнического назначения. Тугоплавкие металлы и сплавы: вольфрам, молибден, металлокерамика. Благородные металлы: золото, серебро, платина. Легкоплавкие металлы: свинец, олово, их свойства, применение. Припои и флюсы.[1, с. 442 – 452].

2.4.5. Контактные материалы. Виды контактных соединений. Неподвижные контакты. Разрывные контакты, требования к ним. Скользящие контакты. Природа переходного сопротивления, способы его уменьшения. Материалы для контактов.[1, с. 452-457].

2.4.9 Электроугольные изделия. Состав, свойства, получение и применение. Щетки для электрических машин. Непроводные резисторы (поверхностные и объёмные). Угольные электроды. Применение сажи для изготовления эмалей. [4, с.220].

Магнитные материалы.

Магнитные свойства материалов. Орбитальный, спиновый и полный магнитный момент атома. Доменная структура строения сильномагнитных материалов и ее влияние на характер намагничивания материала. Классификация магнитных материалов: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Явление магнитной анизотропии. Магнитострикция. [1, с.458-471].

2.5.1 Основные характеристики магнитных материалов. Кривая намагничивания. Магнитная индукция. Напряженность магнитного поля. Петля гистерезиса. Индукция насыщения. Остаточная индукция. Коэрцитивная сила. Магнитная проницаемость. Начальная и максимальная магнитная проницаемость. Динамическая петля перемагничивания, зависимость её формы от различных факторов, осциллографический способ получения. Различные виды магнитной проницаемости (статическая, динамическая, другие). Магнитные потери: на гистерезис, вихревые токи, магнитную вязкость. Способы их уменьшения. Точка Кюри, её величина для железа, кобальта, никеля. Влияние различных факторов на характеристики магнитных материалов (примеси, наклёп, способ прокатки и отжига). [1, с.471-481].

2.5.2 Магнитомягкие материалы. Технически чистое железо, электролитическое железо. Кремнистая электротехническая сталь: сорта, состав и свойства. Магнитные сплавы железа: пермалои, альсиферы. Состав, свойства и применение. Магнитострикционные материалы, их применение. Высокочастотные ферромагнетики: магнитомягкие ферриты, магнитодиэлектрики. Состав, особенности и область применения. [1, с.481-501].

2.5.3 Магнитотвёрдые материалы. Основные характеристики: коэрцитивная сила, остаточная индукция, максимальная магнитная энергия, стабильность свойств. Легированные стали. Свойства и состав. Литые магнитотвёрдые сплавы: альни, альниси, альнико, магнико. Их маркировка и свойства. Металлокерамические и металлопластические магниты. Магнитотвёрдые ферриты. Пластически деформируемые сплавы: кунифе, кунико, викаллой. Сплавы на основе редкоземельных металлов. Магнитные материалы специализированного назначения. [1, с.501-510].

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

Студенты заочного факультета должны выполнить одну контрольную работу. Задания на контрольную работу приведены в конце раздела. Студент должен выбрать один вариант в соответствии с последней цифрой его шифра.

Контрольная работа должна быть написана четко и разборчиво. Необходимо оставлять поля для заметок преподавателя. На корочке тетради, кроме фамилии, имени, отчества и адреса, должен быть указан номер шифра, а в конце работы – подпись студента. Работа должна быть иллюстрирована графиками, схемами и т.п. Ответы на вопросы должны быть полными, конкретными, не переписанными механически из книг. В конце контрольной работы следует указать список использованной литературы.

ВАРИАНТЫ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ

Вариант 1

1. Вольтамперная характеристика электрического разряда в газе. Дать краткую характеристику различных видов самостоятельного разряда в газе.

2. Численной характеристикой какого физического процесса в диэлектрике является относительная диэлектрическая проницаемость. Указать возможные пределы у известных диэлектриков. Привести примеры материалов с резко отличающимися значениями, указать область их использования.

3. Объяснить влияние пористости твердого диэлектрика на его электрохимическое старение. Как повлияет пропитка на развитие пробоя.

4. Какие жидкие, газообразные и твердые материалы относятся к группе фторорганических? Описать их свойства и область применения.

5. Описать заменители трансформаторного масла и сравнить их свойства со свойствами трансформаторного масла.

6. Как влияет добавка кремния на свойства электротехнической стали?

Вариант 2

1. Объяснить зависимость пробивного напряжения газа от полярности электродов в несимметричных полях (на примере электродов игла – плоскость).

2. Объяснить влияние толщины твердого диэлектрика и времени воздействия напряжения на величину его электрической прочности.

3. Пояснить зависимость tgd диэлектрика от влажности, температуры и величины воздействующего напряжения. Привести графики.

4. Какие недостатки имеет обычная электротехническая резина? Какие материалы применяются в качестве ее заменителей?

5. В чем преимущества и недостатки разных видов полиэтилена? Назовите область применения полиэтиленов.

6. Перечислить основные характеристики проводниковых материалов и пояснить их значение для оценки качества этих материалов.

Вариант 3

1. Закон Пашена. Изобразить график и объяснить зависимость пробивного напряжения воздуха от давления и расстояния между электродами в равномерном электрическом поле.

2. Объяснить влияние различных факторов на электропроводность твердых диэлектриков.

3. Тепловые свойства твердых диэлектриков. Их влияние на качество и область применения изоляции.

4. Какие материалы могут быть использованы для изготовления изоляторов электронагревательных устройств, дугогасительных камер? Описать свойства, позволяющие их применять.

5. Чем объясняется повышенная прочность элегаза? Область применения этого газа.

6. Перечислить основные характеристики магнитомягких материалов и пояснить их значение для оценки качества этих материалов.

Вариант 4

1. Описать виды объемной ионизации газа. Пояснить влияние различных факторов на интенсивность ионизации внутри объема газа.

2. Показать, что tgd одна из численных характеристик изоляционных материалов, позволяющих судить о их качестве. В каких пределах может изменяться tg d у технических диэлектриков? Привести примеры материалов (по 2 – 3) с малым и большим tgd, указать возможность использования этих материалов.

3. Что такое старение изоляции? Как меняются электрические характеристики по мере старения? Как продлить срок службы изоляции?

4. В чем преимущества слюдинитов по сравнению с миканитами? Область применения тех и других материалов.

5. Что такое вариконды? Для чего они применяются и из каких материалов изготавливаются?

6. Какими методами добиваются уменьшения потерь в магнитомягких материалах?

Вариант 5

1. Описать влияние различных факторов на пробивное напряжение газового промежутка.

2. Изобразить полную и упрощенную схему замещения диэлектрика, обладающего всеми видами поляризации. Вычертить диаграмму токов, протекающих через диэлектрик. Сравнить потери энергии в диэлектрике при включении его на постоянное и переменное напряжение.

3. Перечислить классы нагревостойкости электроизоляционных материалов электрических машин и аппаратов. Дать краткую характеристику групп материалов, относящихся к разным классам. Привести примеры изоляционных материалов для каждой группы.

4. Назовите явление, когда под действием деформации происходит изменение электрического заряда диэлектрика. Где может найти применение такой эффект? Перечислите материалы, из которых можно выполнить электромеханический преобразователь.

5. От каких факторов зависит электрическая прочность жидких диэлектриков? Разобрать на примере трансформаторного масла.

6. Какие требования предъявляются к материалам для электрических контактов? Какие конкретные материалы используются в электротехнике в качестве контактных?

Вариант 6

1. Описать виды поверхностной ионизации газа. Пояснить влияние различных факторов на интенсивность ионизации на поверхности электродов.

2. Перечислить все виды поляризации диэлектриков. Привести примеры материалов с указанием значения диэлектрической проницаемости. Пояснить, почему потери в материалах с мгновенными видами поляризации значительно меньше, чем при замедленных видах поляризации.

3. Какой ток будет протекать в диэлектрике спустя длительное время после приложения постоянного напряжения? Поясните ответ с помощью зависимости тока от времени в диэлектрике.

4. Перечислите слоистые пластики и их основные характеристики.

5. Что такое проводники II рода? Приведите примеры неметаллических проводников и укажите область их применения.

6. Поясните, почему отличаются свойства магнитных материалов по сравнению с немагнитными с точки зрения строения вещества. Перечислите основные группы материалов по отношению к магнитному полю. Приведите примеры материалов каждой группы.

Вариант 7

1. Понятие ступенчатой ионизации. Пояснить отличие от других видов ионизации. Что такое метастабильные уровни энергии? Привести примеры практического применения описанного эффекта.

2. Тепловая форма пробоя. Уравнение теплового равновесия, его графическое решение. Устойчивое и неустойчивое равновесие. Влияние нагрева от посторонних источников. Меры борьбы с тепловым пробоем.

3. Что такое удельные потери в диэлектрике? Приведите формулу удельных потерь в диэлектрике, выраженную через внешние воздействия и внутренние характеристики материала.

4. В чем отличие лаков от компаундов? Как это отличие влияет на характеристики изоляции. Приведите примеры компаундов и области их использования.

5. Явление сверхпроводимости, его объяснение, возможности использования, основные материалы.

6. Чем объясняются потери энергии в магнитных материалах. Меры борьбы с потерями.

Вариант 8

1. Ионизация газов. Роль внешних факторов в процессе ионизации.

2. Что такое полярные и неполярные материалы? Какие диэлектрики являются полярными, а какие — неполярными? Приведите примеры, сравните их свойства с точки зрения применения в изоляционных конструкциях.

3. Зависимость tgd от внешних факторов: температуры и частоты для разных видо диэлектриков. Приведите примеры значений tgd, для различных материалов.

4. Почему некоторые диэлектрики называют активными? Приведите примеры таких материалов с указанием особенностей применения.

5. В чем отличие материалов высокого сопротивления от других групп проводниковых материалов? Приведите примеры материалов с указанием основных характеристик и области применения.

6. Поясните, чем отличаются магнитотвердые материалы от магнитомягких. Приведите примеры материалов с основными характеристиками и укажите области применения.

Вариант 9

1. Корона. Влияние степени неравномерности поля на разрядные процессы. Использование короны. Последствия возникновения короны. Борьба с ней.

2. Что такое r_v и r_s диэлектриков? Как они зависят от внешних факторов? Приведите способ измерения.

3. От каких внешних факторов может зависеть диэлектрическая проницаемость? Поясните зависимость от этих факторов для материалов с различными видами поляризации.

4. В чем отличие новолака от бакелита? Как это отличие сказывается на применении изоляции, выполненной из данных материалов?

5. Полупроводники. Укажите, с помощью каких факторов можно управлять их проводимостью. Приведите примеры полупроводников.

6. Что такое ферриты? Особенности строения материала, численное значение основных характеристик, применение.

Вариант 10

1. Описать импульсные разряды, их основные характеристики. Пояснить, почему вероятность пробоя промежутка при импульсном напряжении зависит не только от величины напряжения, но и от времени его приложения.

2. Объясните наличие особых свойств сегнетоэлектриков с точки зрения их строения. Приведите зависимость диэлектрической проницаемости от внешнего электрического поля.

3. Как оцениваются потери энергии в диэлектрике? Сравните потери на переменном и постоянном напряжении.

4. Влияние влажности на характеристики трансформаторного масла. Способы очистки его от загрязнений.

5. Что такое термопара? Поясните принцип, на котором основана работа термопары. Примеры материалов для термопар

6. Перечислите характеристики магнитных материалов. Приведите кривую намагничивания и петлю гистерезиса с указанием характерных точек. Поясните отличие статических характеристик от динамических.

5. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК:

Основной:

Колесов, С.Н. Материаловедение технология конструкционных материалов: Учеб. для вузов / С.Н. Колесов, И.С. Колесов. — М.: Высш. шк., 2004. — 519 с.: ил.
Богородицкий, Н.П., Пасынков, В.В., Тареев, В.М.. Электротехнические материалы. Изд.7. Л.: Энергоатомиздат, 1985. — 352 с.: ил.
Воинов, В.Н., Рудный, В.В. Руководство к лабораторным работам по курсу “Электротехнические материалы”. Екатеринбург, издание УПИ, 1998. Часть 1, 32 с.: ил.; часть 2, 32 с.: ил.
Штофа Ян Электротехнические материалы в вопросах и ответах. М.: Энергоатомиздат, 1984. 255 с.с ил.4. Электротехнический справочник. / Под ред. Ю.В.Корицкого и др. М.: Энергоатомиздат.1986. 584 с.с ил.
Техника высоких напряжений. / Под ред. Л.В. Разевига. М.: Госэнергоатом-издат.1976. 488 с.с ил.
Базуткин В. В., Ларионов В. П., Пинталь Ю. С. Техника высоких напряжений. Изоляция и перенапряжения в электрических системах. Учебник для вузов. / Под ред. В. П. Ларионова. – 3-е изд.; переработанное и дополненное. М.: Энергоатомиздат,1986. 368 с.с ил.
Техника высоких напряжений: теоретические и практические основы применения. / Пер.с нем.М. Бейер, В. Бек, К. Меллер, В. Цаенгель; Под ред. В. П. Ларионова. М.: Энергоатомиздат, 1989. 555 с.с ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Общие методические указания 3

2. Содержание учебного материала 4

3. Контрольные задания. Указания к выполнению 9

4. Варианты контрольных заданий 9

5. Библиографический список 13

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Методические указания составила:

Ст.преподаватель кафедры ТВН Светлана Равилевна Яковенко

АННОТАЦИЯ

Редактор

Подписано в печать Формат 60х84 1/16

Бумага типографская Плоская печать Усл. п. л.

Уч.-изд. л. Тираж Заказ Цена «С»___

Издательство УГТУ

620002, Екатеринбург, Мира, 19

Ротапринт УГТУ. 620002, Екатеринбург, Мира, 19