Материалы электронной техники

J=gE,

здесь g - параметр проводникового материала, называемый его удельной

проводимостью. В соответствии с законом Ома у металлических проводников она слабо зависит от напряженности электрического поля Е при изменении последней в весьма широких пределах, т.е. является практически константой данного проводника, как и обратная величина r = 1/g, называемая удельным сопротивлением.

Температурный коэффициент  удельного сопротивления металлов положителен, а углеродсодержащих проводников - отрицателен. Это связано с тем, что:

- число носителей заряда в металлическом проводнике при повышении температуры остается практически неизменным;

- вследствие колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры растет плотность препятствий на пути направленного под действием электрического поля движения свободных электронов, т.е. уменьшается средняя длина свободного пробега электрона, уменьшается подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов, и увеличивается удельное сопротивление;

- в углеродсодержащих проводящих материалах концентрация свободных электронов растет с температурой в широких пределах.

При переходе из твердого состояния  в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного  сопротивления, сопровождаемое уменьшением плотности. Если у металла при плавлении плотность растет, то

ρ уменьшается.

Изменение удельного сопротивления проводников при растяжении или сжатии приближенно может оцениваться формулой

ρ = ρ₀ (1± σ ×·s) ,

где ρ - удельное сопротивление металла  при механическом напряжении σ, ρ₀ – удельное сопротивление металла, не подверженного механическому воздействию, s – коэффициент механического напряжения, характеризующий данный металл; знак плюс в формуле соответствует растяжению, минус – сжатию. Изменение ρ при упругих деформациях объясняется изменением амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки металла. При растяжении эти амплитуды увеличиваются, при сжатии – уменьшаются. Увеличение амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки приводит к уменьшению подвижности носителей зарядов и к возрастанию ρ. Пластическая деформация, как правило, повышает удельное сопротивление металлов вследствие искажения кристаллической решетки. При рекристаллизации путем отжига удельное сопротивление может быть вновь снижено до первоначального значения.

При образовании сплава значительное возрастание ρ наблюдается в том случае, если они образуют друг с другом твердый раствор, т.е. совместную кристаллизацию, и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого. ρ имеет максимум, соответствующий некоторому определенному соотношению между содержанием компонентов в сплаве.

На электрон при выходе из проводника действует задерживающее электрическое  поле. Его напряженность принято  характеризовать работой выхода, зависящей от химической природы металла, чистоты поверхности и типа покрытия. С различием в работе выхода связана контактная разность потенциалов, определяемая только температурой в месте контакта и химическим составом проводников. Температурная зависимость контактной разности приводит к термоэлектрическим явлениям:  Зеебека, термо-эдс прямо пропорциональна ;  Пельте – обратный явлению Зеебека эффект; Томсона – дополнительное выделение (поглощение) тепла при прохождении тока через неравномерно нагретый проводник.

 

 

Магнитные материалы

 

103. В чем различие между горячекатаной  и холоднокатаной сталями в области структуры, свойств и применения?

___________________________________________________________

Сложившиеся в настоящее время, в самых общих чертах, производство и передел листовой стали таковы:

 

1). Горячекатаная сталь. Для оптимизации свойств она, в значительной своей части, подвергается термообработке (нормализации и термическому улучшению). При нормализации измельчается структура стали, повышается ее однородность, увеличивается вязкость, однако существенного повышения прочности не происходит. Термическое улучшение (закалка в воде и высокотемпературный отпуск) позволяют получить стали высокой прочности, хорошо сопротивляющиеся хрупкому разрушению.

Горячекатаная сталь представляет собой поликристаллическую структуру, в которой кристаллы расположены хаотично, что приводит к практической изотропности электромагнитных свойств.

Несмотря на более низкие, по сравнению с холоднокатаной сталью, характеристики практически во всем диапазоне применений (в частности, магнитная индукция холоднокатаной трансформаторной стали на 
25-30% выше, а удельные потери в 1,5-2 раза ниже, чем у горячекатаной), около половины от общего количества выпускаемых листовых сталей – более дешевые горячекатаные.

Недорогая горячекатаная динамная сталь представляет конкуренцию холоднокатаной, т.к. решающее влияние на магнитные свойства динамной стали имеет содержание углерода. Поэтому наряду с мерами, принимаемыми в сталеплавильных цехах по снижению содержания углерода в слитках, высокие магнитные свойства динамной стали обеспечиваются специальной обезуглероживающей обработкой. Эта обработка может быть осуществлена при обезуглероживающем отжиге горячекатаных рулонов в непрерывных агрегатах, где отжиг производится в обезуглероживающей среде, подобной применяемым в производстве холоднокатаной трансформаторной стали.

2). Холоднокатаная анизотропная  сталь, т.н. "текстурованная". Поучается в процессе дополнительной прокатки при относительно низкой температуре вместе с комплексом термообработок. Она практически полностью заменила горячекатаную сталь в производстве трансформаторов, благодаря своим структурнообусловленным магнитным свойствам.

При производстве холоднокатаной текстурованной стали последовательно осуществляются последовательные горячая и одно - двукратная холодная прокатки с промежуточным отжигом.

После этого сталь несколько  раз отжигают для того, чтобы снять остаточную пластическую деформацию кристаллов (наклеп). Роль холодной прокатки заключается в том, что при отжиге и медленном охлаждении кристаллы растут в том направлении, в котором они были деформированы. Т.е. после нагрева холоднокатаной стали до 1100...1200°С, т. е. выше точки Кюри, в ней остаются затравки (зародыши фазы), способствующие диффузионному росту недеформированных кристаллов с ребрами, ориентированными в направлении прокатки. Как будет показано ниже, решающее влияние на качество холоднокатаной трансформаторной стали оказывает именно термическая обработка, - предварительный, промежуточный и окончательный высокотемпературный отжиги.

Полученная электротехническая сталь  с ребровой текстурой имеет большую  анизотропию магнитных свойств (до 95%): при намагничивании поперек прокатки магнитная проницаемость хуже, а  потери выше, чем при намагничивании вдоль прокатки. Поэтому при конструировании магнитопроводов из текстурованной холоднокатаной стали стремятся к тому, чтобы магнитный поток не замыкался поперек прокатки: делают косые стыки, витые из ленты стальные сердечники и т. п.

Подробнее о структуре этой стали. У поликристаллических материалов, кристаллы которых ориентированы случайно, магнитные свойства в различных направлениях практически одинаковы (например, в горячекатаной стали). В процессе производства листовой холоднокатаной трансформаторной стали в ней создается преимущественная ориентировка кристаллов - текстура стали, вызывающая анизотропию магнитных свойств. Текстура характеризуется совмещением диагональной плоскости куба с плоскостью прокатки и ориентацией ребра куба вдоль направления прокатки. Благодаря тому, что в решетке железа ребро куба является направлением легкого намагничивания вдоль направления прокатки, при такой текстуре магнитные свойства будут тем лучше, чем резче выражена текстура. Следовательно, лучшие магнитные характеристики холоднокатаной трансформаторной стали получаются в направлении прокатки, в частности резко уменьшаются потери на гистерезис. В направлении, перпендикулярном прокатке, т. е. под углом 90° к направлению прокатки, располагается диагональ грани куба, т. е. направление более трудного намагничивания, и в этом направлении сталь обладает значительно худшими магнитными свойствами. Чем более текстурована сталь, тем выше анизотропия магнитных свойств. Высокие магнитные свойства холоднокатаной трансформаторной стали объясняются также крупным зерном феррита, которое получается в результате высокотемпературного отжига, как было сказано выше.

Для снижения потерь на вихревые токи в трансформаторах из холоднокатаной стали начат выпуск стали меньшей  толщины.

Дополнительные улучшения магнитных характеристик трансформаторной холоднокатаной стали при термической обработке вызваны:

а) изменением формы углерода (лучшие свойства получаются, когда углерод  находится в виде графита);

б) выгоранием углерода и дегазацией металла;

в) увеличением размеров зерен;

г) рекристаллизацией наклепанной  стали (при которой происходит снятие внутренних напряжений, изменение величины зерен и их ориентации).

3). Холоднокатаная изотропная сталь  (малотекстурованная). Это холоднокатаная сталь с кубической текстурой. Магнитные свойства у сталей с такой текстурой одинаковы вдоль и поперек направления прокатки или мало зависят от направления прокатки. Это позволяет без значительных потерь изменять направление магнитного потока в трансформаторах и электрических машинах. В настоящее время налажено промышленное производство лент из такой стали.

В связи с этим происходит увеличение выпуска холоднокатаной динамной стали  и сокращение производства горячекатаной  динамной стали.

Изотропная холоднокатаная динамная сталь имеет следующие дополнительные преимущества по сравнению с горячекатаной сталью:

- меньший разброс толщины;

- более удобные транспортировка и технология обработки;

- меньшие отходы, так как холоднокатаная сталь поставляется в рулонах, а не в листах;

- более высокий коэффициент заполнения при изготовлении электромашин, обеспечивающий значительную экономию электроэнергии и возможность в ряде случаев увеличить мощность электромашин при сохранении их масс и габаритов;

- меньший разброс свойств по  партиям;

- в результате нескольких отжигов качество стали улучшается на 10...20% снижаются потери и немного возрастает максимальная индукция.

Кроме перечисленного выше, стоит отметить возможность получать холоднокатаный прокат с заданными физико-механическими свойствами для производства прецизионных сплавов, широко применяемых в приборостроении и т.д.

__________________________________________________________________

 

 

 

106. Какими процессами определяется  электропроводность ферритов?

________________________________________________________________

По характеру электропроводности ферриты относят к полупроводникам  или к диэлектрикам (удельное сопротивление различных марок ферритов находится в диапазоне от 0,001 Ом×м для марки 20000НМ до 10⁷ Ом×м для марки 9ВЧ и до 10⁹ Ом×м для ферригранатов).

Электропроводность ферритов определяется процессами обмена электронами между ионами металлов с переменной валентностью, обычно между двух – и трехвалентными катионами железа ("прыжковый" или "перескоковый" механизм проводимости). При этом количество носителей заряда почти не зависит от температуры, а интенсивность обмена растет. В итоге удельная электропроводность ферритов подчиняется зависимости Аррениуса, как у полупроводников:

,

где Е₀ – энергия активации электропроводности.

Электропроводность ферритов зависит  от многочисленных факторов, в частности, сложным образом зависит от состава. Например, увеличение концентрации двухвалентных  ионов железа вызывает рост проводимости за счет снижения энергии активации при сближении доноров электронов.

С этим же связано то, что чем выше температура обжига поликристаллического феррита или температура во время роста монокристалла, тем выше его последующая проводимость. Эта зависимость вызвана тем, что с ростом температуры синтеза материала увеличивается вероятность образования ионов двухвалентного железа. Следовательно, возрастает количество переходов электронов.

Аналогично объясняется рост эффективной  удельной электрической проводимости ферритов с частотой.

 

 

Список литературы

 

1. Богородицкий, Н.П. Электротехнические материалы / Н.П. Богородицкий, В.В. Пасынков, Б.М. Тареев. - Л.: Энергоатомиздат.,1985. – 304с.

2. Тареев, Б.М. Физика  диэлектрических материалов. / Б.М.  Тареев. - М.: Энергоатомиздат., 1982. –  235с.

3. Технология конструкционных материалов / А.М. Дальский, Т.М. Барсукова, Л.Н. Бухаркин и др.; под общ. ред. А.М. Дальского. - М.: Машиностроение, 2005. – 592с.

4. Пасынков, В.В. Материалы  электронной техники / В.В. Пасынков, В.С. Сорокин. - М.: Высшая школа, 1986. – 367с.

5. Справочник по электротехническим материалам. В 3 т. / Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. - М.: Энергоатомиздат, 1986, 1987.