Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Лекции - Физические основы электроники (ФОЭ) - файл 1.doc


Лекции - Физические основы электроники (ФОЭ)
скачать (11333 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc11333kb.17.11.2011 00:16скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9
Реклама MarketGid:
Загрузка...
^

2.5 Активные диэлектрики



Называются диэлектрики, предназначенные для генерации, усиления, модуляции и преобразования электрических сигналов.

В обычных пассивных диэлектриках применяют электроизоляционные материалы, и используется явление поляризация, индуцируемая внешним полем.

В активных диэлектриках используется широкий круг свойств и взаимодействие (см. рисунок 2.4).Прямые взаимодействия между «внешними» свойствами диэлектрика (механическое напряжение τ, напряженности Е и Н, температуры) и его «внутренними» свойствами (поляризации Р, плотности тока, намагниченность, деформация, энтропия).

Важную роль играют связи между различными группами свойств – это пьезоэлектрические, пироэлектрические, сегнетомагнитные, магнитострикционные и др.

В активных часто используют нелинейность связей между поляризацией и Е, или другими величинами. Иногда важнейшими свойствами оказываются спонтанная поляризация, возникающая, при Е = 0 (сегнетоэлектрики), спонтанная деформация (сегнетоэластики), спонтанная намагниченность (ферромагнетики).

Широко используются в технике различные перекрестные взаимодействия, показанные на рисунке 2.4 пунктирными линиями. Так, управление величиной ε с помощью температуры, давления или магнитного поля может служить основой для создания датчиков соответствующих параметров.



Рисунок 2.4 – Виды взаимодействий в активных диэлектриках


Воздействие электрического поля на упругие константы применяют в электрически управляемых фильтрах и линиях задержки, в параметрических усилителях акустических сигналов. Если в обычных диэлектриках наличие активной составляющей тока нежелательно, то в некоторых активных диэлектриках используется именно переход («переключение») из непроводящего состояния в проводящее и обратно (позисторы, варисторы, полупроводниковые стекла). В сегнетоэлектриках-полупроводниках удельное сопротивление ρ зависит от поляризованности Р, а в пьезополупроводниках - от деформации х, что может служить основой для создания новых приборов радиоэлектроники (запоминающие устройства, акустические усилители).

Рассмотрение активных диэлектриков начнем с сегнетоэлектриков, у которых указанные на рисунке 2.4 взаимодействия выражены наиболее сильно.

Вывод. При отсутствии внешнего поля сегентодиэлектрики представляет собой как бы мозаику из доменов – областей с различными направлениями поляризованности.




Рисунок 2.5 – Титанат бария, где знаки , и стрелки указывают направление вектора Р


Так как в смежных доменах направления различны, то в целом дипольный момент равен нулю. При внешнем электрическом поле происходит переориентация дипольных моментов доменов по полю, а возникающее при этом суммарное электрическое поле доменов будет поддерживать их некоторую ориентацию и после прекращения действия внешнего электрического поля.

Электрические свойства сильно зависят от t0. Для каждого сегмента определенная температура выше которой его необычные свойства исчезают. Это температура называется точкой Кюри. Как правило, они имеют одну точку, исключение составляют: сегнетовая соль и аморфные с нею соединения. Превращение в обычный диэлектрик происходит в точке Кюри, сопровождающий фазовым переходом второго рода (скачкообразным изменением теплоемкости).

В сегнетоэлектриках наблюдается явление диэлектрического гистерезиса (запаздывания). С увеличением Е растет Р, достигая насыщения. С уменьшением Е уменьшает Р, но по другой кривой, и при Е=0 сохраняется остаточная поляризованность Р0, т.е. он остается поляризованным при Е=0.

Широко применяют в:

1) электретах – сохраняющие достаточно длительное время поляризованность после Е = 0 (это аналог постоянного магнита);

2) варикапах;

3) позисторах;

4) в запоминающих устройствах;

5) генераторах и приемников СВЧ.


^ 2.6 Электропроводность газообразных диэлектриков


К ним относятся: воздух, азот, кислород, водород, элегаз (SFu), метан, аргон, неон, и др.

Достоинства изоляции:

-высокое удельное сопротивление;

-близкую к единице (малую) диэлектрическую проницаемость;

-малый тангенс угла потерь.

Недостаток – низкая электрическая прочность, которая зависит от: давления, температуры, формы электродов, расстояния между ними, материала электродов, приложенного U,плотности газа, рода газа.

Газ при обычных условиях состоит из нейтральных атомов и молекул и не содержит свободных электронов и ионов.

Газ становится проводником электричества, когда некоторая часть его молекул ионизируется, т.е. произойдет расщепление нейтральных атомов и молекул на ионы и электроны. Под воздействием какого-либо ионизатора происходит вырывание из атома или молекулы одного или нескольких электронов, что приводит к образованию свободных электронов и положительных ионов.

Электроны могут присоединяться к нейтральным молекулам и атомам, превращая их в отрицательные ионы.

Следовательно, в ионизированном газе имеются положительные и отрицательные ионы и свободные электроны.

Ионизирующие факторы: сильный нагрев, короткие электромагнитные излучения (ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение), корпускулярное излучение (потоки электронов, протонов, альфа-частиц).

Для того, чтобы выбить электрон, необходимо затратить энергию, равную энергии ионизации = 4-25эВ.

Одновременно с процессом ионизации газа идет обратный процесс – рекомбинации.



Рисунок 2.6 – Зависимость тока от напряжения


На участке ОА ток возрастает пропорционально напряжению. На участке АВ рост тока замедляется и затем прекращается (участок ВС).

Это происходит в том случае, когда ионы и электроны, создаваемые внешним ионизатором за единицу времени, за это же время достигают электродов. Получается ток насыщения. Если прекратится действие ионизатора, то ток исчезнет.

На участке CD ток начинает увеличиваться с увеличением U, а затем резко возрастает из-за ударной ионизации.

При больших Uпробоя сильно ускоренные электроны, сталкиваясь с нейтральными молекулами, ионизируют их, образуются вторичные электроны и положительные ионы которые движутся: ионы к катоду, а электроны – к аноду. Вторичные электроны вновь ионизируют молекулы газа, и, следовательно, общее количество носителей возрастает лавинообразно – это ударная ионизация.

Но этого не достаточно для поддержания разряда при удалении внешнего (DE) фактора. Необходимо для поддержания лавины «воспроизводить» электроны. Для этого необходимо:

-чтобы ускоренные положительные ионы ударяясь о катод, выбивали бы из него электроны;

-положительные ионы, сталкиваясь с молекулами газа, переводили бы их в возбужденное состояние, а переход сопровождался испусканием фотона;

-фотон, поглощается нейтральной молекулой, ионизирует ее, т.е. происходит процесс фотонной ионизации молекул;

-электроны, ударяясь о анод, должны выбивать электроны;

-при повышении U наступает момент, когда положительные ионы приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа и к катоду устремляются ионные лавины. Происходит увеличение тока почти без увеличения U, наступает самостоятельный разряд, а напряжение в этот момент называется напряжением пробоя.

^ 4 вида самостоятельного разряда:

Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Применяется: в газосветных лампах, лампах дневного света, для катодного напыления металлов. Катод, сильно нагреваясь, за счет попадания положительных ионов, переходит в парообразное состояние. Помещая вблизи катода различные предметы, их покрывают равномерным слоем металла.

^ Искровой разряд возникает при больших напряженностях электрического поля ~ 3*106 В/м в газе и давлении ~ атмосферному.

Используется: в двигателях внутреннего сгорания для воспламенения горючей смеси, искровых разрядников, для электроискровой точной обработки металлов (резанья, сверления), в спектральном анализе для регистрации заряженных частиц.

^ Дуговой разряд. Применяется: для сварки и резки металлов, получения высококачественных сталей, освещения, в выпрямителях.

Коронный разряд возникает вблизи острия при Е=30кВ/см, появляется свечение, имеющее вид короны.

Различают отрицательную и положительную короны, создают радиопомехи.

Применяют: в электрофильтрах для очистки промышленных газов от примесей, для нанесения порошковых и лакокрасочных покрытий.

Закон Пашека. Пробивное напряжение воздуха и других газов в электрическом поле является функцией произведения давления газа на расстояние между электродами:


Uпр=f (ph)



1 – воздух; 2 – азот; 3 – неон; 4 – элегаз


Рисунок 2.7 – Кривые Пашика для газов


С увеличением давления электрическая прочность газов увеличивается. При больших давлениях длина свободного пробега электронов мала, так как повышается концентрация молекул газа. Вследствие этого кинетическая энергия электронов недостаточна для ионизации молекул.

Возрастание электронной прочности ниже атмосферного, объясняется уменьшением числа молекул газа в единице объема и энергии электрона не хватает для ионизации.

^ Плазма и ее свойства. Плазмой называется сильно ионизированный газ, в котором концентрация положительных и отрицательных зарядов практически одинакова.

Плазму различают:

- высокотемпературную – возникает при высоких температурах;

- газоразрядную – возникающую в газе.

Свойства плазмы:

-высокой степенью ионизацией;

-большой электропроводностью и в основном ток создается электронами (наиболее подвижными частицами);

-свечением;

-сильным взаимодействием с электрическим и магнитным полями;

-колебаниями электронов в плазме с частотой ~ 108Гц, вызывающими общее вибрационное состояние плазмы.

Эти свойства позволяют считать плазму как четвертое состояние вещества.

Применение. Низкотемпературная (<105К) применяется в газовых лазерах, термоэлектронных преобразователях и магнитогидродинамических генераторах (тепло в эл. энергии), в плазменных ракетных двигателях, для резки и сварки металла.



^ 2.7 Электролюминесценция, катодолюминесценция


Электролюминесценция – это излучения света под действием электрического поля или протекающего тока. При воздействии электрического поля на полупроводник (называемый люминофором) возникает ударная ионизация атомов электронами, за счет электрического поля, а также эмиссия электронов из центра захвата. Вследствие этого концентрация свободных носителей превысит равновесную и полупроводник окажется в возбужденном состоянии, т.е. в состоянии при котором его внутренняя энергия превышает равновесную при данной температуре.

Устройство электролюминесцентного излучателя (конденсатора): на металлическое основание напыляется тонкий слой (до 20 мкм) полупроводника (сульфида цинка), поверх него наносится тончайший, прозрачный для видимого света, слой металла. При подключении к металлическим слоям источника (постоянного или переменного) возникает зеленовато-голубое свечение, яркость которого пропорциональна значению U источника. Если в состав люминофора входит селенид цинка, то можно получить белое, желтое или оранжевое свечение.

Недостатки:

  • низкое быстродействие;

  • нестабильный параметр;

  • невысокая яркость свечения;

  • малый ресурс.

Электролюминесценция наблюдается и в полупроводниковых диодах, при протекании через диод тока, при прямом включении. При этом электроны переходят из n-области в p-область и там рекомбинируют с дырками. В зависимости от ширины запрещенной зоны фотоны имеют частоты в видимой или невидимой человеком части светового спектра, сделанных из кремния, излучают невидимый инфракрасный свет.

Для светодиодов используется материалы с шириной запрещенной зоны от 1,6 эВ до 3,1 эВ (это красный и фиолетовый цвет), а поэтому широко используется для создания цифровых индикаторов, оптронов, лазеров.

Преимущество:

  • технологичность;

  • высокое быстродействие;

  • большой срок службы;

  • надежность;

  • микро миниатюрность;

  • высокая монохроматичность излучения.

По конструкции светодиоды различают: инжекционные, полупроводниковые лазеры, суперлюминесцентные (занимающие промежуточные значения и применяют в ВОЛС), с управляемым цветом свечения.

ЗСИ – знакосинтезирующие индикаторы, – в которых изображение получают с помощью мозаики на независимо управляемых преобразователях «электрический сигнал-свет».

В ЗСИ используется свечение, возникающее в люминофорах помещенных в сильное электрическое поле. Конструктивно они представляют собой группу конденсаторов, у которых одна из обкладок выполнена прозрачной, а другая не прозрачной.

При подключении источника к обкладкам люминофор начинает светиться.

Если прозрачный электрод сделать той или иной формы, то зона свечения повторит форму. Цвет сечения зависит от состава люминофора. Используются в дисплеях.

Яркость свечения зависит от значения U и частоты: U=160-250В, f=300-4000Гц.

Потребляемая мощность сотые-десятые доли ватт, яркость 20-65кд/м2.

Катодолюминесценция. При удалении из колбы газа (при давлении ≈ 1,3 Па) свечение газа ослабевают и начинают светиться стенки колбы. Почему? Электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, при таком разряжении редко сталкиваются с молекулами газа и поэтому, ускоренные полем, ударяясь о стекло, вызывает его свечение, так называемую катодолюминесценцию, а поток электронов, получил название катодных лучей.

^ Низковольтная вакуумная люминесценция. По механизму действия не отличается то высоковольтной и носит рекомендательный характер.

Сущность – люминофор бомбардируется электронами, которые возбуждают люминофор и приводят к нарушению термодинамического равновесия. Появляются электроны, энергия которых больше энергии для зоны проводимости, и дырки, имеющие энергию, меньшую потолка валентной зоны. В связи с неустойчивостью неравновесного состояния начинается процесс рекомбинации с излучением фотонов катодами, что сопровождается излучением.

Если рекомбинация будет осуществляться через ловушку, то через некоторое время носители могут вернуться на свои места, что увеличивает послесвечение.

Низковольтная люминесценция характеризуется:

  • типом люминофора;

  • глубиной проникновения в кристалле бомбардирующих электронов;

  • используется низковольтное напряжение (единицы-десятки вольт);

  • используются в вакуумных ЗСИ;

  • напряжение накала = 5В;

  • Uа = (20-70)В;

  • Ток анода сегмент (1-3)мА.

Преимущества вакуумных ЗСИ:

  • высокая яркость свечения;

  • многоцветность;

  • минимум потребления энергии;

  • большое быстродействие.

Недостатки: необходимо иметь три источника питания, хрупкость конструкции.


Контрольные вопросы к теме 2:

1 Понятие поляризации.

2 Виды поляризации.

3 Чем определяется электропроводность диэлектрика?

4 Указать виды электрического пробоя.

5 Указать особенности сегнетоэлектриков.

6 Пьезоэффект и его применение.

7 Указать виды газового разряд и их особенности.

8 Особенности электролюминесценции и катодолюминесценции.

^ ТЕМА 3 ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ПРОВОДНИКАХ


3.1 Классификация проводников


Особенности проводимости металлов, тепловое и дрейфовое движение электропроводимости.

В электронной промышленности широко применяются металлы и их сплавы, из которых делают проводники.

Классифицируются по агрегатному состоянию: газообразные, жидкие, твёрдые.

Газообразные – пары веществ и газы при напряжённости электрического поля, которое обеспечивает ионизацию молекул. В них электрический ток создаётся как электронами, так и ионами. Используются в газоразрядных приборах.

Жидкие – растворы различных солей, кислот, щелочей, а также их расплавы (электролиты). Ток связан с переносом ионов, при этом состав электролита изменяется, а на электродах, погружённых в электролит, происходит выделение вещества из раствора.

Твёрдые – это металлы, которые занимают в таблице Менделеева более 75%. Ток в них создаётся только электронами, а поэтому нет переноса вещества от одного электрода к другому.

^ По применению металлические материалы подразделяются:

  • металлы высокой проводимости;

  • сплавы высокого сопротивления.

Металлы высокой проводимости: серебро, медь, алюминий, железо, золото.

Сверхпроводники (при низких t0 C): алюминий, ртуть, свинец, ниобий, соединения с оловом, титаном, цирконием.

^ Сплавы высокого сопротивления:

- медно-марганцовые (манганин);

- медно-никелевые (константаны);

- железа, никеля и хрома (нихромы).

Электронная проводимость металлов

Элементы первой группы таблицы Менделеева одновалентны. Валентный электрон слабо связан со своим ядром и при любых внешних воздействиях разрывает связь с ядром и становится свободным. Поэтому в узлах кристаллической решётки находятся положительно заряженные атомы (ионы), а между ними перемещаются свободные электроны.

Ионы и электроны находятся в беспорядочном движении. Энергия этого движения представляет внутреннюю энергию тока.

Движение ионов, образующих решётку, состоит лишь в колебаниях около своих положений равновесия. Свободные электроны могут перемещаться по всему объёму металла. При отсутствии внутри металла электрического поля, движение электронов хаотично, в каждый момент скорости различных электронов различны и имеют всевозможные направления. Электроны подобны газу, поэтому их часто называют электронным газом.

Тепловое движение не вызывает никакого тока, так как вследствие полной хаотичности в каждом направлении будет двигаться столько же электронов, сколько в противоположном, и поэтому суммарный заряд, переносимый через любую площадку внутри, будет равен нулю.

Если на концах проводника создать разность потенциалов, т.е. создать внутри электрическое поле, то на каждый электрон будет действовать сила, каждый электрон получит дополнительные скорости, направленные в одну сторону. Движение станет направленным, т.е. будет электрический ток.

Вывод:

Хаотическое движение обусловлено воздействием внешних факторов (тепла). Направленное движение за счёт разности потенциалов называется дрейфовым.

Проводимость разных металлов различная, так как обусловлена:

  • различным количеством свободных электронов в единице объёма;

  • условиями движения электронов, связанных с различной длинной свободного пробега, т.е. пути, проходимого в среднем электроном между двумя соударениями с ионами.

На практике используют понятия: удельная проводимость и удельное сопротивление:

 - удельная проводимость, МСu/м

 - удельное сопротивление, Ом*мм2 / м

= 1/ = 1/еn = 2mт2n lср,

где е – заряд электрона = 1,6 * 10-19;

n – количество свободных электронов;

 - подвижность электрона, обусловленная электрическим полем;

m – масса электрона = 9,1 * 10-31 кг;

lср- средняя длина свободного пробега;

тсредняя скорость теплового движения.

Значения т , n, в различных проводниках примерно одинаковы, например:

nмеди= 8,5*1028м-3, nалюм= 8,3*1028м-3, значение скорости теплового движения приблизительно т = 105 м/с.

Для каждого металла существует определённый температурный коэффициент сопротивления при изменении Т0 на 10 С, отнесённый к 10м начального сопротивления ():

= R2-R1/ R1(T2-T1) [1/0C] ,

где R1 – сопротивление при T1

R2 – сопротивление при T2

отсюда R2 = R1 [1+ (T2-T1)]

Это соотношение справедливо для температур 100-1500С.


^ 3.2 Полукристаллические и аморфные металлы и сплавы. Особенности металлов в тонкопленочном состоянии


Поликристаллы состоят из мелких монокристаллов: медь, серебро, алюминий, натрий.


3.2.1 Медь

Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:

  1. малое удельное сопротивление (из всех металлов только серебро имеет ρ несколько меньшее, чем медь);

  2. достаточно высокая механическая прочность;

  3. удовлетворительная коррозионная стойкость; медь окисляется на воздухе даже в условиях высокой влажности значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах (рисунок 3.3);

  4. хорошая обрабатываемость; медь прокатывается в листы и ленты и протягивается в проволоку;

  5. относительная легкость пайки и сварки.

Медь получают чаще всего путем переработки сульфидных руд. Медь, предназначенная для электротехнических целей, обязательно подвергается электролитической очистке, Полученные в результате электролиза катодные пластины меди переплавляют в болванки массой 80-90 кг, которые прокатывают и протягивают, создавая изделия требующегося поперечного сечения.

При изготовлении проволоки болванки сначала подвергают горячей прокатке в катанку диаметром 6,5-7,2 мм, которую затем протягивают без подогрева, получая проволоку нужных диаметров.

В качестве проводникового материала используют медь марок Ml и МО. Медь марки Ml содержит 99,9% Сu, а в общем количестве примесей (0,1%) кислорода должно быть не более 0,08%. Наличие в меди кислорода ухудшает ее механические свойства. Лучшими механическими свойствами обладает медь марки МО, в которой содержится не более 0,05% примесей, в том числе не свыше 0,02% кислорода. Из меди марки АЛО может быть изготовлена особо тонкая проволока (до диаметра 0,01 мм).




а - удельное сопротивление, мкОм*м; б – предел прочности при растяжении; в – относительное удлинение при разрыве


Рисунок 3.1 – Зависимости параметров меди от температуры отжига (при продолжительности отжига 1ч)


При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая благодаря наклепу имеет высокий предел прочности при растяжении, если удлинение мало, а также твердость и упругость; при изгибе проволока из твердой меди несколько пружинит.

Если же медь подвергнуть отжигу, т. е. нагреву до нескольких сотен градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая (отожженная) медь (ММ), которая сравнительно пластична, имеет пониженную твердость и небольшую прочность, но весьма большое удлинение при разрыве и (в соответствии с рассмотренными общими закономерностями) более высокую удельную проводимость.

Влияние отжига на свойства меди показано на рисунке 3.1. Изменение механических свойств - σ р и Δl/l при отжиге выражено сильнее, чем изменение ρ.

Электропроводность меди весьма чувствительна к наличию примесей (рисунок 3.2).

Твердую медь употребляют там, где надо обеспечить высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию: для контактных проводов, для шин распределительных устройств, для коллекторных пластин электрических машин и пр.

Мягкую медь в виде проволок круглого и прямоугольного сечения применяют главным образом в виде токопроводящих жил кабелей и обмоточных проводов, где важна гибкость и пластичность (отсутствие «пружинения» при изгибе), а прочность не имеет существенного значения.

Медь - сравнительно дорогой и дефицитный материал. Поэтому она должна расходоваться весьма экономно. Отходы меди на электротехнических предприятиях необходимо собирать; и важно не смешивать их с другими металлами, а также с менее чистой (не электротехнической) медью, чтобы можно было их переплавить и вновь использовать в этом качестве. Медь как проводниковый материал в ряде случаев заменяют другими металлами, чаще всего алюминием.

В отдельных случаях помимо чистой меди в качестве проводникового материала применяют ее сплавы с небольшим содержанием легирующих примесей: Sn, Si, P, Be, Cr, Mg, Ca и др. Такие сплавы, называемые бронзами, при правильно подобранном составе имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь.



Рисунок 3.2 – Влияние различных примесей на удельную проводимость γ меди


σр бронз может доходить до 800 - 1200 МПа и более. Бронзы широко применяют для изготовления токопроводящих пружин и т. п.

Введение в медь кадмия при сравнительно малом снижении удельной проводимости у дает существенное повышение механической прочности и твердости. Кадмиевую бронзу применяют для контактных проводов и коллекторных пластин особо ответственного назначения. Еще большей механической прочностью обладает бериллиевая бронза (σр до 1350 МПа).

Латунь (сплав меди с цинком) обладает достаточно высоким относительным удлинением при повышенном пределе прочности на растяжение по сравнению с чистой медью. Это дает латуни технологические преимущества при обработке штамповкой, глубокой вытяжкой и т.п.

Латунь применяют в электротехнике для изготовления различных токопроводящих деталей.


3.2.2 Алюминий

Алюминий - важнейший представитель так называемых легких металлов, т. е. металлов с плотностью менее 5000 кг/м3: плотность литого алюминия около 2600, прокатанного - 2700 кг/м3. Таким образом, алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди.

Удельное сопротивление ρ алюминия примерно в 1,63 раза больше ρ меди. Поэтому замена меди алюминием не всегда возможна, особенно в радиоэлектронике. Однако если сравнить по массе два отрезка алюминиевого и медного проводов одной и той же длины и одного и того же сопротивления, то окажется, что алюминиевый провод хотя и толще медного, но легче его приблизительно в 2 раза, Поэтому для изготовления проводов одной и той же проводимости на единицу длины алюминий выгоднее меди в том случае, если тонна алюминия дороже тонны меди не более чем в два раза. Важно и то, что алюминий менее дефицитен, чем медь.

Для электротехнических целей используют алюминий марки А1, содержащий не более 0,5% примесей. Еще более чистый алюминий марки AB00 (не более 0,03% примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты AB0000 содержит не более 0,004% примесей.

Прокатка, протяжка и отжиг алюминия аналогичны соответствующим операциям для меди. Из алюминия может прокатываться тонкая (до 6 - 7 мкм) фольга, применяемая в качестве обкладок в бумажных и пленочных конденсаторах.

Алюминий на воздухе активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов и сильно затрудняет пайку алюминия обычными способами. Для пайки алюминия применяют специальные пасты - припои пли используют ультразвуковые паяльники.


3.2.3 Железо

Сталь (железо) как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий высокой механической прочностью, в ряде случаев используют в качестве проводникового материала. Даже чистое железо имеет более высокое по сравнению с медью и алюминием удельное сопротивление ρ (порядка 0,1 мкОм*м); значение ρ стали, т. е. железа с примесью углерода и других элементов, еще выше.

При переменном токе в стали, как магнитном материале, сильно сказывается поверхностный эффект, поэтому активное сопротивление стальных проводников для переменного тока выше, чем для постоянного. Кроме того, при переменном токе в стальных проводниках появляются потери мощности на гистерезис.

Обычная сталь обладает малой коррозионной стойкостью: даже при нормальной температуре, особенно в условиях повышенной влажности, она быстро ржавеет; при повышении температуры скорость коррозии резко возрастает. Поэтому поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более стойкого материала, например цинка.

Железо имеет высокий температурный коэффициент удельного сопротивления ТК ρ. Поэтому тонкую железную проволоку, помещенную для защиты от окисления в баллон, заполненный водородом, можно применять в барретерах, т. е. в приборах, в которых используется зависимость сопротивления от силы тока, нагревающего помещенную в них проволоку. Этот прибор сохраняет постоянную силу тока при колебаниях напряжения.


3.2.4 Натрий

Интересным и перспективным проводниковым материалом является металлический натрий. Натрий может быть получен путем электролиза расплавленного хлористого натрия NaCl в практически неограниченных количествах. Удельное сопротивление натрия в 2,8 раза больше ρ меди и в 1,7 раз больше ρ алюминия. Но благодаря очень малой плотности натрия (он легче воды; плотность его примерно в 9 раз меньше плотности меди) провод из натрия при данной проводимости на единицу длины (при нормальной температуре) должен быть значительно легче, чем провод из любого другого металла.

Однако натрий весьма активен химически - он интенсивно окисляется на воздухе и бурно реагирует с водой, кроме того, натрий весьма мягок и имеет малый предел прочности при растяжении и других деформациях. Поэтому натриевый провод должен быть защищен герметизирующей оболочкой, которая должна также придавать проводу необходимую механическую прочность. Натриевые провода и кабели изготовляют в пластмассовых (полиэтиленовых) оболочках, что помимо герметизации и повышения механической прочности провода или кабеля создает его электрическую изоляцию.


3.2.5 Вольфрам

Это чрезвычайно тяжелый твердый металл серого цвета. Среди металлов он обладает наиболее высокой температурой плавления. Получают из руд раличного состава; промежуточным продуктом является вольфрамовая кислота H2WO4, из которой путем восстановления водородом при нагреве до 900°С, получают металлический вольфрам в виде мелкого порошка. Из этого порошка прессуют стержни, которые подвергают сложной термической обработке в атмосфере водорода, ковке и волочению в проволоку (диаметром до 0,01 мм), прокатке в листы и т. п.

Для вольфрама характерна слабая связь между отдельными кристаллами, поэтому сравнительно толстые вольфрамовые изделия хрупки. При механической обработке ковкой и волочением вольфрам приобретает волокнистую структуру.



Рисунок 3.3 – Зависимость скорости окисления металла (количество окисляющегося металла за час с квадратного метра поверхности металла, соприкасающейся с воздухом) от температуры


этим объясняется гибкость тонких вольфрамовых нитей. При уменьшении толщины вольфрамовой проволоки возрастает и ее предел прочности при растяжении σр (примерно от 500-600 МПа для стержней диаметром 5 мм до 3000-4000 МПа для тонких нитей; удлинение при разрыве Δl/l таких нитей - около 4%).

Вольфрам является одним из важнейших металлических материалов электровакуумной техники. Применение вольфрама для изготовления нитей ламп накаливания было впервые предложено русским изобретателем А. Н. Лодыгиным в 1890 г.

Вследствие тугоплавкости и большой механической прочности при повышенных температурах вольфрам можно использовать при температуре выше 2000°С, но лишь в высоком вакууме или в атмосфере инертного газа (азот, аргон и т. п.), так как уже при нагреве до температуры в несколько сот градусов Цельсия в присутствии кислорода он сильно окисляется (рисунок 3.3).

Вольфрам применяют также для изготовления контактов.

К преимуществам вольфрамовых контактов можно отнести:

а) устойчивость в работе;

б) малый механический износ ввиду высокой твердости материала;

в) способность противостоять действию электрической дуги и отсутствие привариваемости вследствие большой тугоплавкости;

г) малую подверженность электрической эрозии (т. е. износу с образованием кратеров и наростов в результате местных перегревов и плавления металла).

Недостатками вольфрама как контактного материала являются: а) трудная обрабатываемость; б) образование в атмосферных условиях оксидных пленок; в) необходимость в больших давлениях для обеспе­чения малых значений электрического сопротивления контакта.

Для контактов с большими значениями разрываемой мощности используют металлокерамические материалы. Заготовку прессуют из порошка вольфрама под большим давлением, спекают в атмосфере водорода, получая достаточно прочную, но пористую основу, которую затем пропитывают расплавленным серебром или медью для увеличения проводимости.


3.2.6 Молибден

Молибден широко применяют в электровакуумной технике при менее высоких температурах, чем вольфрам. Но накаливаемые детали из молибдена также должны работать в вакууме, в инертном газе или в восстановительной атмосфере.

Механическая прочность молибдена в очень большой степени зависит от механической обработки материала, вида изделия, диаметра стержней или проволоки и последующей термообработки. Предел прочности при растяжении σр молибдена - от 350 до 2500 МПа, а относительное удлинение при разрыве Δl/l - от 2 до 55%. Плотность молибдена почти в два раза меньше, чем вольфрама.

В электровакуумной технике наиболее распространены марки молибдена МЧ (молибден чистый) и МК (молибден с кремнещелочной присадкой). Последний обладает повышенной механической прочностью при высоких температурах.

Молибден применяют также в качестве материала для электрических контактов.


^ 3.2.7 Благородные металлы

Золото - металл желтого цвета, обладающий высокой пластичностью (относительное удлинение при разрыве 40°С). В электротехнике золото используют как контактный материал для коррозионно устойчивых покрытий, для электродов фотоэлементов, для вакуумного напыления пленочных микросхем и т. п.

Серебро - белый, блестящий металл, стойкий против окисления при нормальной температуре. Серебро имеет самое малое удельное сопротивление ρ (при нормальной температуре). Механические свойства серебряной проволоки: σр около 200 МПа, Δl/l порядка 50%. Такую проволоку используют для изготовления контактов, рассчитанных на небольшие токи.

Серебро применяют также для не посредственного нанесения на диэлектрики, в качестве обкладок в производстве керамических и слюдяных конденсаторов. Для этой цели используют метод вжигания или испарения в вакууме.

Недостатком серебра является склонность к миграции по поверхности и внутрь диэлектрика, на который его наносят, в условиях высокой влажности, а также при высоких температурах. Химическая стойкость у серебра ниже, чем у других благородных металлов.

Платина - металл, практически не соединяющийся с кислородом и весьма стойкий к самым разнообразным химическим реагентам. Платина прекрасно поддается механической обработке, вытягивается в очень тонкие нити и ленты. Предел прочности при растяжении σр платины после отжига - порядка 150 МПа, а Δl/l составляет 30 - 35%.

Платину применяют, в частности, при изготовлении термопар, для измерения высоких температур - до 16000C (в паре со сплавом платинородий), а также при изготовлении пасты, используемой для вжигания электродов на монолитные керамические конденсаторы.

Особо тонкие нити из платины (диаметром около 1 мкм) для подвесок подвижных систем в электрометрах и других чувствительных приборах получают многократным волочением биметаллической проволоки платина - серебро с последующим растворением наружного слоя серебра в азотной кислоте (на платину азотная кислота не действует). Вследствие малой твердости платина редко применяется для контактов в чистом виде, но служит основой для ряда контактных сплавов. Сплавы платины с иридием стойки к окислению и к износу, имеют высокую твердость и допускают большую частоту выключений, однако дороги и применяются только для особо ответственных деталей.

Палладий по многим свойствам близок к платине и в ряде случаев служит ее заменителем; его используют в электровакуумной технике для поглощения водорода. Палладий и его сплавы с серебром и медью применяют в качестве контактных материалов. Палладиевую пасту, как и платиновую, используют для нанесения электродов на керамические конденсаторы.

Палладий в отожженном состоянии имеет предел прочности при растяжении σр порядка 200 .МПа при относительном удлинении при разрыве Δl/l до 40%.


^ 3.2.8 Никель и кобальт

Никель - серебристо-белый металл, широко применяемый в электровакуумной технике; его достаточно легко получить в очень чистом виде (99,99% Ni); иногда в него вводят специальные легирующие присадки (кремний, марганец и др.).

Получаемый из руд никель подвергают электролитическому рафинированию. Очень чистый порошкообразный никель можно получить путем термического разложения пентакарбонила никеля Ni (CO)5 при температуре порядка 220° С.

Никель выпускают различных марок (в зависимости от чистоты) в виде полос, пластин, лент, трубок, стержней и проволоки. К положительным свойствам никеля следует отнести достаточную механическую прочность после отжига (σр = 400-600 МПа при Δl/l - 35—50%).

Никель легко поддается даже в холодном состоянии механической обработке: ковке, прессовке, прокатке, штамповке, волочению и т.п. Из никеля могут быть изготовлены различные по размерам, сложные по конфигурации изделия с жестко выдержанными допусками. Стойкость никеля к окислению наглядно видна из рисунка 3.3.

Помимо применения в электровакуумной технике никель используют в качестве компонента ряда магнитных и проводниковых сплавов, а также для защитных и декоративных покрытий и т. п.

Кобальт получают металлургическим путем с последующей очисткой или восстановлением окислов кобальта водородом.

В отожженном состоянии кобальт имеет σр порядка 500 МПа при Δl/l более 50%.

Кобальт мало активен химически. Он находит применение в качестве составной части многих магнитных и жаростойких сплавов, а также сплавов с небольшим температурным коэффициентом длины.


3.2.9 Свинец

Свинец — металл сероватого цвета; имеет на свежем срезе сильный металлический блеск, но затем быстро тускнеет вследствие поверхностного окисления. Он обладает крупнокристаллическим строением; если протравить свинец азотной кислотой, его кристаллы становятся видны даже невооруженным глазом.

Свинец представляет собой мягкий, пластичный, малопрочный металл; предел прочности при растяжении σр всего лишь около 15 МПа при относительном удлинении Δl/l более 55%. Он имеет высокое ρ. Свинец обладает довольно высокой коррозионной стойкостью, поэтому его в больших количествах применяют для изготовления кабельных оболочек, защищающих кабель от влаги; часто свинец для этой цели заменяют весьма чистым (особо пластичным) алюминием, а также пластмассами. Свинец используют также для изготовления плавких предохранителей, пластин свинцовых аккумуляторов и т. д. Его употребляют и как материал, поглощающий рентгеновские лучи. Рентгеновские установки с напряжением 200 и 300 кВ по нормам безопасности должны иметь свинцовую защиту толщиной соответственно 4 и 9 мм.

Свинец и его соединения ядовиты.


3.2.10 Олово

Олово — серебристо-белый металл, обладающий ярко выраженным крупнокристаллическим строением. При изгибе палочки олова слышен треск, вызываемый трением кристаллов друг о друга. Олово является мягким, тягучим металлом, из которого получают путем прокатки тонкую фольгу. Предел прочности при растяжении белого олова колеблется от 16 до 38 МПа.

Кроме обыкновенного (устойчивого при температуре выше 13,2° С) белого олова, кристаллизующегося в тетрагональной системе, существует серое порошкообразное олово (плотность 5,6 Mг/м3). При низких температурах на белом олове появляются серые пятна (выделение серого олова), получившие название «оловянной чумы». При нагреве серое олово снова переходит в белое. Если нагреть олово выше 160° С, то оно переходит в третью (ромбическую) модификацию и становится хрупким.

При нормальной температуре олово на воздухе не окисляется, вода на него не влияет, а разведенные кислоты действуют очень медленно.

Олово используют в качестве защитных покрытий металлов (лужение); оно входит в состав бронз и припоев. Тонкая оловянная фольга (6—8 мкм), применяемая в производстве некоторых типов конденсаторов, обычно содержит присадки: до 15% свинца и до 1% сурьмы для облегчения прокатки и улучшения механической прочности. Оловянно-свинцовую фольгу толщиной 20—40 мкм применяют в качестве обкладок в слюдяных конденсаторах.


^ 3.2.11 Цинк и кадмий

Цинк — светлый металл, получаемый металлургическими методами и очищаемый электролитически. Цинк марки ЦВ (высокоочищенный) содержит не менее 99,99% Zn.

Цинк применяют для защитных покрытий, в качестве составной части латуней и как материал для электродов гальванических элементов. Кроме того, его используют в фотоэлементах и для металлизации бумаги в металлобумажных конденсаторах. Нанесение металлического слоя на бумагу производят путем испарения цинка в вакууме при температуре порядка 600° С.

Кадмий — серебристо-белый металл, являющийся постоянным спутником цинка в его рудах и добываемый как побочный продукт при металлургии цинка; подвергается электролитической очистке.

Кадмий выпускают нескольких марок в зависимости от чистоты (наиболее высокая степень чистоты — 99,997%).

Кадмий применяют для изготовления фотоэлементов и покрытий СВЧ-волноводов вместо серебра. Он входит в состав ряда припоев и бронз, используется в производстве гальванических элементов, а также в атомных реакторах — в качестве замедлителя.


^ 3.2.12 Индий и галлий

Индий — металл с низкой температурой плавления, использующийся в качестве акцепторной примеси и контактного материала в производстве транзисторов и полупроводниковых диодов.

Галлий интересен тем, что он плавится почти при комнатной температуре. Как и индий, его применяют в полупроводниковой технике в качестве легирующей примеси для германия.

Сплавы индия с галлием, имеющие температуру плавления ниже нормальной, используют как жидкие проводниковые материалы для нанесения электродов на различные диэлектрические и полупроводниковые материалы.


3.2.13 Ртуть

Ртуть — единственный чистый металл, при нормальной температуре находящийся в жидком состоянии. Получаемую металлургическим путем ртуть подвергают многократной очистке, заканчивающейся вакуумной перегонкой при температуре порядка 200° С. Ртуть легко испаряется даже при комнатной температуре. Пары ртути отличаются более низким потенциалом ионизации по сравнению с обычными и инертными газами, что и обусловливает применение ртути в газоразрядных приборах.

Ртуть и ее соединения весьма ядовиты; очень вредны пары ртути.

Щелочные и щелочноземельные металлы, магний, алюминий, цинк, олово, свинец, кадмий, платина, золото и серебро растворяются в ртути, образуя амальгамы. Слабо растворяются в ртути медь и никель. Приборы, содержащие ртуть, должны иметь металлическую арматуру из вольфрама, железа или тантала, так как эти металлы не растворимы в ртути.

Ртуть применяют в качестве жидкого катода в ртутных выпрямителях, в ртутных лампах и газоразрядных приборах, в лампах дневного света, а также для ртутных контактов в реле и др.


^ 3.3 Особенности металлов в тонко пленочном состоянии


Применяются для изготовления постоянных и отчасти переменных резисторов.

От состава пленки можно разделить:

- материалы на основе металлов и их соединений (оксидов, силицидов, карбидов);

- неметаллические (углеродистые) материалы.

^ Пленочные на основе металлов и их соединений. Используются в микроэлектронике при изготовлении: резисторов и резистивных элементов. Пленки, содержащие кремний, тантал, хром и нихром обладают повышенным значением удельного поверхностного сопротивления и низким значением температурного коэффициента. Наносят пленки на основание (подложку) из ситалла, стекла или другом диэлектрике, пленки и двуокиси олова. Как наносят – путем термического разложения хлористого олова. Как наносят – путем термического разложения хлористого олова.

^ Термоэлектронная эмиссия. Вторичная эмиссия. Внутри металла свободные электроны находятся в непрерывном тепловом движении, но из металла они не вылетают, так как есть какие-то силы, препятствующие их вылету из металла.



Рисунок 3.4 – Разность потенциалов на границе металл-вакуум


Металлическая пластина – электрически нейтральная. Если электроны покинут поверхность металла, то металл заряжается положительно, а около границы раздела металл-вакуум, образуется скопление электронов. Между этими электронами и положительными ионами (находящимися внутри металла) образуется электрическое поле. Для последующих электронов, стремящихся покинуть металл, поле будет тормозящим, а для электронов покинувших металл – ускоряющим и будет притягивать их обратно в металл.

Чтобы покинуть металл электрон должен совершить определенную работу по преодолению сил обратного притяжения к металлу. Эта работа носит название работы выхода.

Процесс выхода электрона из металла в окружающую среду получил название электронной эмиссии.

Эмиссия возможна только тогда, когда кинетическая энергия электрона (находящегося в металле) больше или равна работе выхода



где е – заряд электрона, Кл;

φ – разность потенциалов, В

Значение работы выхода у разных металлов разные:

цезий – 1,81 эВ

барий – 2-2,52 эВ

торий – 3,4 эВ

ртуть – 4,4 эВ

вольфрам – 4,52

^ Виды эмиссии. Чтобы электроны могли выйти из металла, необходимо сообщить им из вне необходимую дополнительную энергию, достаточную для преодоления противодействующих сил. В зависимости от способа сообщения дополнительной энергии различают виды эмиссии:

-термоэлектронную – за счет нагрева катода;

-фотоэлектронную – за счет энергии света;

-электростатическую (автоэлектронную), при которой сильное электрическое поле у поверхности катода создает силы, способствующие выходу электронов из металла;

-вторичную – результат бомбардировки катода потоком первичных электронов и ионов.

Катодом называется тело излучающие электроны.

^ Особенности термоэлектронной эмиссии. При комнатной температуре число электронов, энергия которых превышает работу выхода, ничтожно мала. Если нагреть катод до определенной температуры, то произойдет эмиссия. Рассмотрим зависимость тока эмиссии от температуры (формула Дэшмана)

,

где S – площадь поверхности катода, излучающего электроны, см²;

А – постоянная для данного катода;

Т – абсолютная температура катода;

е – (2,72) основание натурального логарифма

e φ – работа выхода, эВ

К – постоянная Больцмана = 8,62 * 10эВ/градус



Рисунок 3.5 – Эмиссия вольфрамого катода


Эмиссия начинается лишь при температуре 2200°, и при дальнейшем увеличении Т° растет очень быстро.

У разных катодов разная работа выхода, а поэтому ток эмиссии начинается при других температурах больших или меньших.

^ Параметры катодов. Типы катодов. Максимальная плотность тока эмиссии, эффективность, рабочая температура, долговечность.

Эффективность – ток эмиссии на один ватт мощности, затраченной на нагрев катода.

Н = Ie/Pнагрева [мА/Вт]

Чем ниже рабочая Т°, тем меньше мощности необходимо для нагрева катода, поэтому необходимо уменьшать работу выхода.

Долговечность – это время, в течение которого катод может непрерывно работать сохраняя свои важнейшие параметры.

Типы катодов. У вольфрамовых катодов большая работа выхода, высокая рабочая температура, малая эффективность.
^

Вольфрамобариевые катоды


Вольфрам покрывают пленкой бария, атомы бария диффузируют через поры вольфрама внутрь его.

Работа выхода бария меньше вольфрама, а поэтому электроны бария, проникнув в вольфрам заряжают его поверхность отрицательно, а атомы бария заряжаются положительно. Теперь электрическое поле для электронов вольфрама становится ускоряющим, что уменьшает работу выхода. Такие катоды называют активированными, рабочая Т° резко уменьшается и приблизительно около 710°C, что повышает экономичность, так как повышается эффективность, увеличивается долговечность.

Недостаток: разрушается активизирующий слой под действием ионов, поэтому в требуется высокий вакуум.

Нельзя перекаливать катоды, так как разрушается активизирующий слой.

^ Оксидный катод (полупроводниковый)

На никель или вольфрам наносится слой смеси оксидов щелочноземельных металлов – бария, кальция, стронция.

Рабочая температура Т°=700-800°С, эффективность до 100 мА/Вт, срок службы до 10-15 тыс. часов, работа выхода составляет до 1,2 эВ.

Эмиссия зависит от действия внешнего электрического поля (эффект Шоттки). Электрическое поле проникает вглубь оксидного слоя и уменьшает работу выхода, что увеличивает термоэмиссию при Т° = const.

Недостаток оксидных катодов: недокал и перекал приводят к перегреву оксида и его разрушению.
^

Вторичная эмиссия


Она может осуществляться как с нагретых так и с холодных катодов.




Рисунок 3.6 – Получение вторичных электронов


Если создать n1 первичных электронов с первичного катода с помощью термоэмиссии, то за счет ускоряющего электрического поля между катодами (φк2>φ к1), первичные электроны с ускорением будут двигаться в сторону вторичного и его бомбардировать. Так как электроны получают дополнительную энергию, то они выбивают из второго катода вторичные электроны.

Важный показатель – коэффициент вторичной эмиссии σ = n2/n1, который показывает сколько электронов выбивает первичный электрон из второго катода. σ ≈ 1-10 раз и более

Этот эффект находит широкое применение в различных электронных приборах.


^ 3.4 Сверхпроводящие проводники. Статический эффект Джозефсона. Применение сверхпроводимости

Сопротивление веществ зависит от состояния кристаллической решетки. При высокой Т° правильность решетки нарушается тепловым движением атомов с понижением Т° эта правильность решетки восстанавливается и способствует уменьшению сопротивления. При очень низких Т° сопротивление достигает остаточного значения, которое почти не зависит от Т° и обусловлено наличием примесей и дефектами кристаллической решетки. При Т° 4,12°К (-268,88) у ртути внезапно исчезает электрическое сопротивление. Это явление назвали сверхпроводимостью.

Сейчас обнаружена сверхпроводимость у более 26 элементов (олово, цинк, свинец…)

Сверхпроводимость обнаружена и в некоторых сплавах, составные части которых сами по себе не обладают такими свойствами. Например, сплавы висмута с натрием, калием. Сейчас сверхпроводимость обнаружена у 500 сплавов и соединений.

Кристаллическая Т° перехода образует почти в два десятка кельвинов: 18К – для химического соединения Nb3Sn и 0,14 – для иридия, 23,2К –германид ниобия.

Пленки сверхпроводящих материалов обладают особыми свойствами, у них критическая температура превышает Т° объемных материалов.

Основная задача увеличить Т°кр, хотя бы до 77,4К, что позволит применять для охлаждения сжиженный азот (77,4К), а это удешевить и упростить устройства.

Применение


На основе пленочных материалов созданы запоминающие устройства, накопителей энергии, волноводов с малым затуханием, малогабаритные электрические машины, трансформаторы с высоким КПД.

Созданы сверхпроводящие соленоиды, создающие магнитные поля 8*10А/м.

Возможно создать линии электропередач без потерь на нагрев.

Электромагнит (постоянный) – электрический ток, однажды наведенный в сверхпроводящем контуре, будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы и притом без всякого подвода энергии извне (расходы на охлаждение надо учесть).

Это идеальные диамагнетики, т.е. их магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело, а если переход в сверхпроводящее состояние произошел в магнитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника.

^ Физическая природа сверхпроводимости была понята в 1957 на основе теоии (Ландау) сверхтекучести гелия.

Сверхпроводимость это макроскопический эффект. Между электронами металла помимо кулоновского отталкивания, в достаточной степени ослаблено экранирующим действием положительных ионов решетки, в результате электрон-фотонного взаимодействия (взаимодействия электронов с колебаниями решетки) возникает слабое взаимное притяжение и при определенных условиях может преобладать над отталкиванием. В результате электроны проводимости, притягиваясь, образуют своеобразное связанное состояние, называемое куперовской парой. «Размеры» пары много больше (примерно на четыре порядка) среднего межатомного расстояния, т.е. между электронами, «связанными» в пару, находится много «обычных» электронов.

Чтобы разрушить эту пару (оторвать одни из ее электронов) надо затратить энергию, которая пойдет на преодоление сил притяжения электронной пары. Такая энергия может быть в принципе получена в результате взаимодействия с фотонами. Однако пары сопротивляются своему разрушению. Это объясняется тем, что существует не одна пара, а целый ансамбль взаимодействующих друг с другом куперовских пар.

Электроны, входящие в куперовскую пару, имеют противоположные спины., поэтому спин такой пары равен нулю и она представляет собой Бозон.

К бозонам принцип Паули неприменим, и число бозе-частиц, находящихся в одном состоянии, не ограничено.

Поэтому при сверхнизких Т° бозоны скапливаются в основном состоянии, из которого их довольно трудно перевести в возбужденное.

Система бозе-частиц кулоновских пар, обладая устойчивостью относительно возможности отрыва электрона, может действием внешнего электрического поля двигаться без сопротивления со стороны проводника, что и приводит к сверхпроводимости.

^ Сверхпроводящие кабели. Сигналы электросвязи, распределяющиеся по кабелям связи, сильно ослабляются по амплитуде (затухают), за счет потери энергии в токоведущих проводах и диэлектрике.

Для уменьшения потерь были созданы сверхпроводящие кабели за счет явления сверхпроводимости. При температуре -273°С (если охладить кабель), то его сопротивление будет ничтожно мало, а значит будет минимум потерь. Используют материалы (алюминий, олово, ниобий, свинец, тантал). У меди – сверхпроводимости не наблюдается.

На низких частотах сопротивление мало, но с повышением частоты (до 1 ГГц) сопротивление сверхпроводников возрастает.

По конструкции сверхпроводящие кабели выполняют коаксиальными. Внутренний проводник делают из ниобия, внешний из свинца, а изоляция – из фторопласта. Кабель помещают в трубопровод из нержавеющей стали с теплоизолирующим покрытием. По трубопроводу прокачивают хладоагент – жидкий и газообразный азот, водород или гелий, создающий нужную низкую температуру. Для обеспечения прокачки хладоагента и низкой температуры через каждые 10 – 20 км сверхпроводящего кабеля устанавливаются криогенные станции. Создаются комбинированные кабели для передачи электропередачи и электросвязи.

Достоинства сверхпроводящих кабелей:

  • через кабель не проникают электромагнитыне поля, что очень важно с точки зрения защиты линии от внешних помех;

  • затухание меньше в 103 раз по сравнению с обычным кабелем начастоте 1 кГц и в 106 раз при 1 МГц и в 104 раз при 1 ГГц, что позволяет организовать связь на большие расстояния без промежуточного усиления.

Недостатки:

- через 10 –20 км необходимо размещать криогенные станции, стоимость их высокая.

^ Эффект Джозефсона (англичанин ,1963). Предсказал эффект протекания сверхпроводящего тока сквозь тонкий слой диэлектрика (пленка оксида металла толщиной ≈1нм) разделяющий два сверхпроводника (контакт Джозефсона). Если ток через этот контакт не превышает некоторое критическое значение, то падения напряжения на нем нет (стационарный эффект), если превышает – возникает падение напряжения и контакт излучает электромагнитные волны (нестационарный эффект). Частота излучения связанна с U на контакте φ = 2еU/h.

Возникновение излучения объясняется тем, что куперовские пары, проходя сквозь контакт, приобретают относительно основного состояния сверхпроводника избыточную энергию.

Возвращаясь в основное состояние, они излучают квант электромагнитной энергии hφ=2eU.

Эффект используется для точного измерения очень слабых магнитных полей (до 10Тл), токов (до 10А) и напряжений (до 10В), а также для создания быстродействующих элементов логических устройств ЭВМ и усилителей.


^ 3.5 Контактная разность потенциалов, термо - эдс, эффекты.


Если два различных металла привести в соприкосновение, то между ними возникает разность потенциалов, называемая контактной.

Это обнаружил Вольт (итальянец). Например, если металлы Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Pt, Pd привести в контакт в указанный последовательности, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из последующих заряжается положительно. Это ряд Вольта. Uконт ≈ от десятых долей до целых вольт.
^

Два закона:


1) Uконт зависит от химического состава и температуры соприкасающихся металлов

2) Uконт последовательно соединенных различных проводников, находящихся под одинаковой Т°, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна Uконт, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников.
^

Механизм возникновения


Соединяют два металла с разной работой выхода А1 и А2, причем А2>А1 (т.е. с различными положениями уровня Ферми, верхнего заполненного электронами энергетического уровня)



Рисунок 3.7 – Образование контактной разности потенциалов


При контакте металлов электроны с более высоких уровней металла 1 будут переходить на более низкие уровни металла 2, поэтому металл 1 заряжается положительно, а металл 2 – отрицательно. Одновременно происходит смещение энергетических уровней: в металле 1 все уровни смещены вниз, а в металле 2 – вверх. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока между соприкасающимися металлами не установится равновесие, т.е. произойдет совпадение уровней Ферми (рисунок 3.7 в), но работы выхода не изменятся, а вот потенциальная энергия изменится в точках ВГ (рисунок 3.7 г), т.е. возникает разность потенциалов равная ∆φ’=(А2-А1)/е , которую называют внешней.

Если уровни Ферми неодинаковые, то между внутренними точками металла возникает внутренняя разность потенциалов ∆φ’’=(ЕF1-EF2)/e, это объясняется различной концентрацией электронов в металлах. ∆φ’’ зависит от Т° контактов металлов. Как правило ∆φ’>>∆φ’’. ∆φ’’ – образуется в контактном слое, толщиной ≈ м.

^ Эффект Зеебека (1821, немец). Согласно второму закону Вольта, в замкнутой цепи, состоящей из нескольких металлов, с разной Т° в месте контакта, то в цепи возникает электрический ток, называемый термоэлектрическим. Это явление наблюдал Зеебек.

Он создал электрические цепи из металлов Сu-Bi (медь-висмут), Ag-Cu, Au-Cu, при этом контакты имели разную температуру, контакт А имел Т1, контакт В имел Т2, где Т1>T2. Между контактами возникла термоэлектродвижущая сила и стал протекать ток от точки А.



Рисунок 3.8 - Возникновение термо-эдс


Для пары металлов медь-константан, при Т=100К эдс≈4,25 мВ.

Для поддержания постоянного тока необходимо постоянство температур контактов: к более нагретому непрерывно подводить тепло, а от холодного-отводить. Это явление используется в измерении температур (термопарах).

Чувствительность их повышается если термопары соединяются последовательно.

Тепловые преобразователи делятся:

- термоэлектрические (термопары);

- терморезисторы (термометры сопротивления);

- термомеханические;

- монометрические.

Термопара – это разновидность термоэлектрических преобразователей генераторного типа.

Принцип действия основан на возникновении термоэдс на концах двух разнородных материалов, находящихся в разных температурных режимах.

Конструктивно состоит из двух разнородных, специально подобранных проводников, одни концы которых сварены между собой, а другие подсоединены к прибору.

Рабочий (горячий) слой помещают в защитный кожух и устанвливают в месте контроля температуры.

Если Т° свободных холодных слоев термопары отличается от Т° горячего слоя, то вследствии термоэлектрического эффекта на электродах возникает термо-эдс, пропорциальная разности температур.

Термопара ТПП – обладает высокой точностью и стабильностью. Изготавливается из проволоки диаметром 0,3 – 0,5 мм (чистая платина и сплав платины 90% и родия 10%). Работает если T0накала = 100°С, а свободного 0°С, тогда термо-эдс ≈ 0,64 ± 0,03 В.

Для измерения низких температур в диапазоне от 200 до 350°С делают хромедь-алюминевую пару (ТХА), эдс≈40 мкВ/°С

^ Эффект Пельтье (1834, француз). Он обнаружил, что при прохождении через контакт двух различных проводников электрического тока в зависимости от его направления помимо джоулевой теплоты выделяется или поглощается дополнительная теплота, т.е. это эффект обратный эффекту Зеебека.

В отличие от джоулевой теплоты, которая пропорциональна квадрату тока, теплота Пельтье пропорциональна первой степени тока и меняет знак при изменении направления тока.



Рисунок 3.9 – Электрическая цепь из двух разнородных материалов


Если создать электрическую цепь из двух разнородных материалов, через которое пропустить ток I (его направление выбрано согласно термотока на рисунке 3.9) при условии Т1>T2, то слой А, который имел большую температуру при эффекте Зеебека, будет охлаждаться, а слой В – нагреваться. При изменении направления I’ слой А будет нагреваться, а слой В – охлаждаться.

Так как электроны по разную сторону слоя обладают разной средней энергией (полной кинетической плюс потенциальной). Если электроны пройдут через слой В и попадут в область с меньшей энергией, то избыток своей энергии они отдадут кристаллической решетке и слой будет нагреваться. В слое А электроны переходят в область с большей энергией, забирая теперь недостающую энергию у кристаллической решетки, и слой будет охлаждаться. Это явление используется в термоэлектрических холодильниках (созданы в 1954 Иоффе), в электронных приборах.

^ Эффект Томсона (1856, Кельвин). Исследуя термоэлектрические эффекты, пришел к заключению, что при прохождении тока по неравномерно нагретому проводнику должно происходить дополнительное выделение (поглощение) теплоты аналогичной теплоте Пельтье.

Т.е. он подтвердил теорию Томсона и дал практическое объяснение – так как в более нагретой части проводника электроны имеют большую среднюю энергию, чем в менее нагретой, то, двигаясь в направлении убывания Т°, они отдают часть своей энергии решетке, в результате чего происходит выделение теплоты Томсона.


^ Контрольные вопросы к теме 3:

1 Пояснить зависимость сопротивления металлов от температуры.

2 Дать понятие сверхпроводимости металла и пояснить от чего и как они зависят?

3 Указать виды электронной эмиссии и особенности термоэлектронной эмиссии.

4 Сущность эффекта Джозефсона.

5 Пояснить сущность эффекта Зеебека, Пельтье.

^ ТЕМА 4 ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛАХ


4.1 Магнитная структура доменов в кристаллах. Процесс намагничивания. Магнитный гистерезис, магнитная анизотропия

Физические процессы в магнитных материалах. Все вещества в природе являются магнитными, т. е. они взаимодействуют с внешним магнитным полем и обладают определенными магнитными свойствами, которые обусловлены внутренними скрытыми формами движения электрических зарядов. Если это движение круговое, возникает элементарный круговой ток и соответствующий ему магнитный момент, направление которого определяется правилом буравчика. В каждом веществе такими элементарными круговыми токами являются орбитальное вращение электронов вокруг атомов и вращение электронов вокруг собственных осей (спиновое вращение), что приводит к появлению орбитального и спинового магнитных моментов электрона. Магнитный момент электронной оболочки и определяет магнитные свойства атома, поскольку он приблизительно в тысячу раз больше магнитного момента атомного ядра. Различный характер электронной структуры атомов приводит к различию магнитных свойств веществ.


По силе взаимодействия с магнитным полем все вещества можно разделить на слабомагнитные и сильномагнитные. Сила взаимодействия вещества с магнитными полем оценивается безразмерной величиной: магнитной восприимчивостью kM:

kМ=M/H, (4.1)

где М - намагниченность вещества под действием магнитного поля, А*м-1;

Н - напряженность этого поля, А*м-1.

Слабомагнитные вещества характеризуются величиной kМ << 1, т. е. изменение намагниченности вещества под действием внешнего поля очень незначительно. К ним относят диамагнетики и парамагнетики.

Парамагнетики отличаются тем, что при помещении этих веществ в магнитное поле они усиливают его внутри себя (kM>0). Это происходит из-за совпадения направления намагниченности парамагнетиков с направлением внешнего поля. К парамагнетикам относят алюминий, платину и др.

Диамагнетики характеризуются тем, что ослабляют внутри себя то магнитное поле, которое действует извне. Это происходит вследствие того, что их намагниченность направлена против внешнего поля (kM<0). К этим веществам относят большинство органических соединений и ряд металлов: медь, серебро, золото, свинец и др.

Наибольший интерес с точки зрения технического применения представляют сильномагнитные вещества (kM >> 1), к которым относят ферромагнетики и ферримагнетики.

Ферромагнетики характеризуются, во-первых, способностью сильно намагничиваться даже в слабых полях (kM=103-105). Вторая их особенность состоит в том, что выше определенной температуры, называемой температурой Кюри Тк, ферромагнитное состояние вещества переходит в парамагнитное, т. е. магнитная восприимчивость снижается на три-четыре порядка. К ферромагнетикам относят железо, никель, кобальт и их сплавы, сплавы хрома и марганца и др.

Ферримагнетики - это вещества, получившие название от сложных оксидных материалов - ферритов. Они имеют свойства, во многом подобные свойствам ферромагнетиков, но значительно уступают им по величине предельной намагниченности. Под ферритами понимают соединения оксида железа Fe2O3 с оксидом металла МеО типа MeO-Fe2O3. Магнитные свойства ферримагнетиков тесно связаны с взаимным расположением в кристаллической решетке ионов железа и металла.

По данным современной теории в ферромагнитном веществе в отсутствие внешнего магнитного поля существуют самопроизвольно намагниченные области, называемые магнитными доменами. В доменах магнитные моменты электронов ориентированы параллельно друг другу. В зависимости от кристаллической структуры вещества домены имеют различную форму. Линейные размеры доменов составляют от тысячных до десятых долей миллиметра. Направления намагниченности отдельных доменов располагаются неупорядоченно, из-за чего общая намагниченность материала равна нулю (рисунок 4.1).

Ферро- и ферримагнетики являются кристаллическими веществами. Намагничивание отдельных кристаллов (монокристаллов) ферромагнитных веществ имеет свои особенности: в кристаллах различают направления наилучшего (легкого) и наихудшего (трудного) намагничивания (магнитная анизотропия). На рисунке 4.2 показаны направления легкого и трудного намагничивания



а – при отсутствии поля; б – в слабом поле; в – в сильном поле; г – при насыщении


Рисунок 4.1 – Схема ориентирования векторов намагниченности в доменах ферромагнетика



Рисунок 4.2 – Направления легкого и трудного намагничивания в монокристаллах железа(а), никеля(б), кобальта(в)


трех основных ферромагнитных элементов: железа, никеля и кобальта. Железо и его сплавы Fe-Ni, Fe-Si кристаллизуются в кубической структуре и осями легкого намагничивания у них являются ребра куба, а самого трудного - пространственные диагонали. Для никеля, имеющего также кубическую структуру, распределение осей намагничивания противоположное. Направления легкого и трудного намагничивания кристалла кобальта, имеющего гексагональную структуру, показаны на рисунке 4.2, в.

В отдельных случаях и в поликристаллических материалах особыми технологическими приемами создается преимущественная ориентация отдельных кристаллов материала в заданном направлении. В этом случае говорят, что поликристаллический материал обладает магнитной текстурой (рисунок 4.3). Это выражается в получении повышенных магнитных характеристик материала в одном направлении. Возможность достижения заданной магнитной текстуры имеет большое значение и широко используется на практике.

Процесс намагничивания материала сопровождается изменением его доменной структуры. В размагниченном образце направления намагниченности доменов совпадают с осями легкого намагничивания кристалла и распределены одинаково во всех направлениях. При появлении внешнего магнитного поля самым, выгодным направлением намагниченности домена будет та ось легкого намагничивания, которая составляет наименьший угол с направлением внешнего поля, поскольку:

WН = -HMcosθ (4.2)

где WH - энергия взаимодействия вектора намагниченности домена М с внешним полем величины Н, выраженная в Дж; θ - угол между направлениями внешнего поля и вектора намагниченности.



Рисунок 4.3 – Схема расположения кристаллов относительно направления прокатки для материалов с кубической текстурой



Рисунок 4.4 – Основная кривая намагничивания и кривая магнитной проницаемости

ферромагнитного материала в области очень слабых полей(1), слабых полей(2), средних полей(3) и сильных полей(4).


Вид доменной структуры в точках а, б, в, г показан на рисунке 4.1.

Процесс намагничивания материала зависит от величины приложенного поля. В слабых полях происходит процесс роста объема тех магнитных доменов, намагниченность которых наиболее выгодно ориентирована по отношению к действующему полю. В первую очередь это будут домены, для которых значения угла θ минимальны. Этот процесс развивается за счет уменьшения объема тех доменов, для которых значения угла θ максимальны, например за счет доменов с противоположным полю направлением намагниченности. Если напряженность поля уменьшить до начального значения, то исходное распределение объемов доменов восстанавливается. Таким образом, на этой стадии процесс намагничивания обратим и его называют обратимым процессом смещения границ доменов. На рисунке 4.4 это соответствует первому участку кривой намагничивания, т. е. кривой, показывающей зависимость намагниченности, или индукции материала от величины внешнего поля Н. Внутренняя магнитная индукция материала Вi, измеряемая в Тл, связана с его намагниченностью формулой:

Вi = μ0M (4.3)

где μ0 - магнитная постоянная, равная 4π10-7 Гн/м.

При усилении поля картина намагничивания изменяется: векторы намагниченности всех доменов постепенно, по мере усиления поля, поворачиваются в направлении поля в энергетически более выгодное положение (рисунок 4.1). В этом процессе участвует преобладающая часть доменов, поэтому намагниченность образца изменяется значительнее и второй участок кривой намагничивания идет более круто по сравнению с первым (рисунок 4.4), При возвращении к начальному значению поля доменная структура уже не возвращается к исходному состоянию, и образец сохраняет какую-то намагниченность в направлении поля. Второй этап намагничивания происходит необратимо, и его называют необратимым процессом смещения границ доменов.

При дальнейшем росте напряженности поля (третий участок кривой на рисунке 4.4) происходит полный поворот векторов намагниченности доменов в направлении поля, называемый процессом вращения. Этот процесс заканчивается состоянием технического насыщения намагниченности материала, когда все векторы намагниченности доменов ориентированы вдоль направления поля.

В реальных магнитных материалах различные виды процессов намагничивания перекрывают друг друга. На процесс намагничивания оказывают влияние такие явления, как магнитострикция, механические напряжения, наличие немагнитных включений, неоднородностей и ряд других факторов.

Магнитострикцией называют явление изменения линейных размеров магнитного материала при его намагничивании. Количественной характеристикой величины магнитострикции материала является, например, константа λS называемая магнитострикционной деформацией насыщения:

(4.4)

где ΔlS - изменение длины образца l0 в направлении поля при увеличении его напряженности от нуля до величины HS, вызывающей техническое насыщение.

Это явление характерно для всех магнитных материалов. Константа λS может быть положительной и отрицательной. В случае ее нулевого значения на магнитные свойства не оказывают влияния внутренние механические напряжения в материале и внешние механические усилия, вызываемые сдавливающим действием обмоток, стяжкой сердечников крепежом и т. д.

^ Магнитострикционные фильтры. Материалы, никель, феррит и др. обладают свойствами изменять свою длину при изменении магнитного поля, в которых они находятся. Этот эффект назвали магнитострикционным. На базе этого эффекта делают фильтры, состоящих из жестко закрепленного никелевого или ферритового стержня длиной в несколько сантиметров. На стержне находятся катушка с индуктивностью несколько десятков мкГн и постоянный магнит. При протекании по катушки переменного тока магнитное поле изменяется, что приводит к изменению длины стержней и их резонансных частот. У таких фильтров высокая добротность порядка 2000-4000, их еще называют резонаторами.

^ Петля гистерезиса. При циклическом намагничивании кривая намагничивания образуют петлю гистерезиса, так как при размагничивании обнаруживается остаточный магнетизм, так как не все домены под влиянием температура теряют направленную ориентацию, обусловленную внешним полем.



Рисунок 4.5 – Петля гистерезиса


Остаточный магнетизм наблюдается, если образец поместить в неземное электрическое поле. При возрастании Н магнитной изменяется кривая ОА. При уменьшении Н магнитный поток будет изменяться по кривой АВ. Изменение магнитного потока отстает от изменений намагничивающего поля. Такое отставание называется магнитным гистерезисом. Это явление обусловлено инерцией изменений ориентации магнитных полей доменов материала.

При уменьшении Н до нуля в материале сохраняется некоторая остаточная магнитная индукция Во (отрезок ОВ). Чтобы полностью размагнитить материал необходимо создать внешнее магнитное поле обратного направления. Тогда при некотором значении Нс (отрезок ОГ), индукция в образца равна нулю – образец размагничен. Величину Нс называют задерживающей или коэрцитивной силой. Если продолжить намагничивать образец, то можно довести его до насыщения (точка Д), а при уменьшении Н вновь наблюдается гистерезис, и при Н=0 возникает отрицательная остаточная индукция (отрезок ОЕ), и для ее устранения необходимо создать Нс (отрезок ОЖ). Таким образом перемагничивание происходит по кривой АБГДЕЖА. Площадь и форма этой кривой различна для разных материалов. Магнитомягкие материалы перемагничиваются относительно в слабых полях Н до сотен А/м и характеризуются высокими значениями относительной магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой.

Магнитотвердые материалы перемагничиваются в сильных магнитных полях Н=кА/м и высокой остаточной магнитной индукцией.

Магнитодиэлектрики (ферромагнитные) характеризуются постоянством относительной магнитной проницаемостью и малыми потерями на перемагничивание. Их применяют на высоких частотах для изготовления магнитопроводов, сердечников катушек индуктивностей.


^ 4.2 Зависимость параметров от температуры. Свойства магнитных материалов в СВЧ полях


Ферромагнитные свойства ряда веществ теряют при нагревании, µ≈1. Эта температура, характерная для каждого ферромагнитного вещества носит название точка Кюри (имя фран. Пьер Кюри). Например: железо (707ºС), никель – 360ºС, кобальт – 1130ºС. У некоторых при 100ºС.

На СВЧ применяют материалы, имеющие малую электрическую проводимость – ферриты и магнитодиэлектрики.

Ферриты получают химическим соединением Fe2O3 с оксидами металлов, а также другими способами. Для радиочастот применяют никель – цинковые и марганеццинковые. Для них важные параметры:

-тангенс угла потерь tg δ;

-критическая частота fкр (резко возрастают потери);

-относительный температурный коэффициент начальной магнитной проницаемости αμ0:

-обратная магнитная проницаемость μобр (т.е. предел отношения изменения магнитной индукции к удвоенной амплитуде напряженности магнитного поля в данной точке кривой намагничивания, деленной на магнитную постоянную) при заданных условиях.

Магнитодиэлектрики


Представляют собой конгломерат из измельченного ферромагнетика, частицы которого разделены между собой в электрическом отношении изолирующими пленками из немагнитного материала, являющегося одновременно механической связкой.

Обладают более высокими удельным электрическим сопротивлением, более высокочастотны и более высокую стабильность свойств, проще технология.

Материалы: карбоксильное железо. Широко используется в волноводах для изменения структуры поля и скорости распространения волн – помещают внутрь волновода магнитодиэлектрик.

Эффект Холла (1879)

Возникновение в металле с током с определенной плотностью помещенном в магнитное поле, электрического поля в направлении, перпендикулярном магнитной проницаемости (В).



Рисунок 4.6 – Пояснение эффекта


Если поместить металлическую пластинку с током в магнитное поле В, перпендикулярно току, то электроны будут испытывать силу Лоренца, которая направлена вверх, поэтому у верхнего края пластины возникает повышенная концентрация электронов (верхняя часть заряжается отрицательно, а у нижнего – недостаток (заряжается положительно), возникает поперечное электрическое поле, направленно снизу вверх. Когда значение Епопер достигнет и будет уравновешивать силу Лоренца, то установится стационарное распределение зарядов в поперечном направлении, тогда

∆φ = VBa = R (IB/d) = IB/en d

где а – ширина пластины;

∆φ - разность потенциалов;

d – толщина пластины;

R – постоянная Холла, зависящая от частицы = 1/en

Применение:

-определить концентрацию носителей тока в проводнике;

-судить о природе проводимости полупроводников;

-для изучения электрического спектра носителей тока в металлах и полупроводниках;

-для умножения постоянных токов в аналоговых вычислительных машинах измерительной техники.

Свойства магнитных материалов в СВЧ полях. Они используются для работы в диапазоне частот от сотен до десятков тысяч МГц для передачи электромагнитной энергии такой частоты применяют волноводы – это полые металлические конструкции. Структуру поля и скорость распространения волн можно изменять, помещая внутрь волновода феррит. Ферриты используются в различных устройствах одновременом воздействии на них переменного магнитного поля Н СВЧ диапазона и постоянного магнитного поля Но. В этих условиях магнитная проницаемость µ является тензорной величиной. А это означает, что при совпадении частот возникает гиромагнитный резонанс, который используется при изготовлении различных СВЧ устройств.

Например, если используют ферритовый элемент, помещенный внутрь волновода, называют вкладышем. От его размера и конфигурации определяется назначение устройств СВЧ (вентиль, фазовращатель, циркулятор) и условия его работы (диапазон частот и температур, уровень мощности). Вкладыш помогает осуществить согласование сопротивлений волновода с нагрузкой.

Для каждого диапазона волн определяют определенную группу ферритов. Для длинноволновой части СВЧ-диапазона применяют магниевые и никелевые феррохромиты. В низкочастотной части диапазона СВЧ-иттриевые ферраты – гранаты.


^ Контрольные вопросы к теме 4:

1 Указать как разделяются вещества по силе взаимодействия с магнитным полем.

2 Пояснить понятие коэрцитивной силы и что зависит от значения этой силы?

3 Сущность эффекта Холла и его применение.
1   2   3   4   5   6   7   8   9



Скачать файл (11333 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru