Исследование проводниковых, полупроводниковых и магнитных материалов и приборов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

" Иркутский государственный университет путей сообщения"

ЗАБАЙКАЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА Материаловедение Чита 2013

Аннотация Контрольная работа 18 с, 3 рис, 5 табл., 6 источников.

Цель контрольной работы заключается в исследовании проводниковых, полупроводниковых и магнитных материалов и приборов.

В данной работе исследованы такие проводниковые материалы как: бериллиевая бронза, свинец, полупроводниковые материалы — кремний, и полупроводниковый прибор — вентильный разрядник; магнитно — мягкий материал — электротехническая сталь Э44, магнитно — твердый материал феррит 3БА

Нормативные ссылки В контрольной работе использованы ссылки на следующие стандарты (нормативные документы):

ГОСТ 2.102 — 68 ЕСКД. Виды и комплектность конструкторских документов;

ГОСТ 2.104 — 2006 ЕСКД. Основные надписи;

ГОСТ 2.105 — 95 ЕСКД. Общие требования к текстовым документам;

ГОСТ 2.106 — 96 ЕСКД. Текстовые документы;

ГОСТ 2.108 — 68 ЕСКД. Спецификации;

ГОСТ 2.111 — 68 ЕСКД. Нормоконтроль;

ГОСТ 2316 — 68 ЕСКД. Правила нанесения на чертежах надписей, технических требований и таблиц.

Задачи Задача № 1

К образцу прямоугольной формы из диэлектрического материала размерами ab и толщиной h приложено постоянное напряжение. Напряжение подводится к граням ab, покрытым слоями металла.

Известны: удельное сопротивление с, удельное поверхностное сопротивление с_s, диэлектрическая проницаемость ?, тангенс угла диэлектрических потерь tg д.

Требуется определить: ток утечки, мощность потери, удельные диэлектрические потери, удельные диэлектрические потери при включении образца на переменное напряжение с действующим значением U при частотах f₁, f₂, f₃.

Числовые значения заданных величин указаны в таб.1.

Задача № 2

В табл. 2 даны два различных проводниковых материала.

Требуется: дать определение проводника. Привести практическую классификацию проводниковых материалов. Назвать основные параметры проводников и кратко пояснить их физический смысл. Для заданных материалов привести числовые значения этих параметров. Кратко описать сами материалы, указать основные области их применения.

Задача № 3

В табл. 3 приведены полупроводниковый материал и полупроводниковый прибор.

Требуется: дать определение полупроводника. Привести классификацию полупроводниковых материалов. Указать, от каких факторов зависит электропроводимость полупроводников. Коротко описать заданный материал, указать области его использования. Указать назначение полупроводникового прибора, описать принцип его действия. Указать полупроводниковые материалы, используемые в данном приборе.

Задача № 4

В табл. 4 и 5даны два различных материала.

Требуется: дать определение магнитного материала. Привести классификацию магнитных материалов. Назвать основные параметры магнитных материалов и кратко пояснить их физический смысл. Кратко описать сами материалы, определить их место по приведенной классификации. Привести примерные числовые значения основных магнитных параметров заданных материалов. Назвать основные области использования заданных материалов.

Рассчитать и построить зависимости магнитной проницаемости м от напряженности магнитного поля Н (для магнитотвердого материала).

Числовые значения индукции В и напряженности Н приведены в табл. 4 и 5

ток диэлектрический полупроводниковый магнитный

Исходные данные Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4

Таблица 5

Задача 1

Дано:

a = 0,3 м;

b = 0,2 м;

h = 1,2*10^-3;

U = 0,7 кВ, U = 700 В;

f1 = 30 Гц;

f2 = 3 кГц, f2 = 3*10^-3 Гц;

f3 = 0,3 МГц, f3 = 0,3*10⁶ Гц;

? = 2,0

сv = 1*10¹⁶ Ом*м;

сs = 2*10¹⁶ Ом;

tgд = 2.2*10^-4

Решение

Iy=Iv+Is.,

Iy=Iv+Is=35*10^-13+292*10^-13=327*10^-13 А.,

R_v = с_v*h/ab = 1*10¹⁶*1,2*10^-3/(0,3*0,2) = 20*10¹³ Ом.,

I_v = U/R_v = 700/20*10¹³ = 35*10^-13.,

R_s = с_s*h/2*1/a+b = 2*10¹⁶*1,2*10^-3/2*1/(0,3+0,2) = 2,4*10¹³ Ом.,

I_s = U/R_s = 700/2,4*10¹³ = 327*10^-13 А.,

P_1,2,3 =U²*щ₁*C*tgд.,

С = ?₀*?*S/h.,

?₀ = 8,85*10^-12.,

С = 8,85*10^-12*2*0,06/1,2*10^-3 = 0,885*10^-9 Ф.,

щ = 2р*f_1,2,3.,

щ₁ = 2р*f₁ = 2*3.14*30 = 188,4.,

щ₂ = 2р*f₂ = 2*3.14*3*10³ = 18,84*10³.,

щ₃ = 2р*f₃=2*3.14*0,3*10⁶ = 1,884*10⁶.,

Р₁ =U²*щ₁*C*tgд = 49*10⁴*188,4*0,885*10^-9*2,2*10^-4 =18*10^-6 Вт/м³.,

Р₂ =U²*щ₂*C*tgд = 49*10⁴*18,84*10³*0,885*10^-9*2,2*10^-4 =18*10^-4 Вт/м³.,

Р₃ = U²*щ₃*C*tgд = 49*10⁴*1,884*10⁶*0,885*10^-9*2,2*10^-4 =18*10^-2 Вт/м³.,

Р_уд1= Р₁/U = 18*10^-6/700 = 25,7*10^-9 Вт.,

Р_уд2= Р₂/U = 18*10^-4/700 = 25,7*10^-7 Вт.,

Р_уд3= Р₃/U = 18*10^-2/700 = 25,7*10^-5 Вт.

Задача 2

Латунь Сплавы меди с цинком, называемые латунями, широко используются в электротехнике. Цинк растворяется в меди в пределах до 39%. В различных марках латуни содержание цинка может доходить до 43%. Латуни, содержащие до 39%, имеют однофазную структуру однородную структуру твёрдого раствора и называются б — латунями. Эти латуни обладают наибольшей пластичностью, поэтому из них изготавливают детали горячей или холодной прокаткой и волочением: листы, ленты, проволоку. Без нагрева из листовой латуни методом глубокой вытяжки и штамповкой можно изготавливать детали сложной конфигурации.

Латуни содержанием цинка более 39% называют б+в — латунями или двухфазными применяют главным образом для фасонных отливок.

Двух фазные латуни являются более твёрдыми и хрупкими и обрабатываются давлением только в горячем состоянии.

Присадка к латуням олова, никеля и марганца повышает механические свойства и антикоррозионную устойчивость, А добавки алюминия в композиции железом, никелем и марганцем сообщают латуням кроме улучшения механических свойств и коррозионной стойкости высокую твёрдость. Однако присутствие в латунях алюминия затрудняет пайку, а проведение пайки мягкими припоями становится практически невозможным.

Латунь — обладает достаточно высоким относительным удлинением перед разрывом при повышенном по сравнению с чистой медью пределе прочности при растяжении. Это даёт латуни технологические преимущества перед медью при обработки штамповкой глубокой вытяжкой и т. п. В соответствии с этим латунь применяют в электротехнике для изготовления всевозможных токопроводящих деталей.

Латуни марок Л68 и Л63 в следствии высокой пластичности хорошо штампуется и допускают гибку, легко паяются всеми видами припоя. В электромашиностроении широко применяются для различных токоведущих частей.

Латуни марок ЛС — 59 — 1 и ЛМЦ 58 — 2 применяются для изготовления роторных клеток электрических электродвигателей и токоведущих деталей, изготовленных резанием и штамповкой горячем состоянии; хорошо паяются различными припоями.

Латунь ЛА 67 — 2,5 применяются для литых токоведущих деталей с повышенной механической прочности и твёрдости, не требующих пайки мягкими припоями.

Латуни марок ЛК 80 — 3Л и ЛС 59 — 1Л широко применяются для литых токоведущих деталей электрической аппаратуры, для щёткодержателей и для заливки роторов асинхронных двигателей. Хорошо воспринимают пайку различными припоями.

Молибден — светло-серый материал с кубической объемно-центрированной решёткой типа б — Fe, пора магнитик, шкала Мооса определяет его твёрдость 4, 5 баллами. Механические свойства, как и у большинства металлов, определяются чистотой металла и предшествующей механической и термической обработкой (чем чище металл, тем он мягче). Обладает крайне низким коэффициентом теплового расширению. Молибден является тугоплавким металлом:

температурой плавления — 2620 °C;

температурой кипения — 3700 °C;

Плотность — 10−20 Мг/м³;

Удельная теплоёмкость — 142 Дж (кг*к);

Коэффициент теплопроводности — 54 Вт/(м*к);

ТК линейного расширения 6,5*10⁶, К^-1;

Удельное сопротивление — 0,135*10⁴, К^-1;

Работа выхода электронов — 4,1 эВ;

ТК удельного сопротивления — 38*10⁴, К^-1.

Молибден широко применяется в электровакуумной технике при менее высоких температурах, чем вольфрам; накаливаемые детали из молибдена должны работать в вакууме, в инертном газе или в восстановленной атмосфере.

Механическая прочность молибдена в очень большой степени зависит от механической обработке материала, виды изделия, диаметра стержней или проволоки и последующей термообработке. Придел прочности при растяжении молибдена — от 350 до 2500 МПа и относительное удлинение перед разрывом — от 2 до 55%. Плотность молибдена почти в два раза меньше, чем вольфрама. В электровакуумной технике наиболее распространённые марки молибдена МЧ (молибден чистый) и МК (молибден с кремниевой присадкой). Последний обладает повышенной механической прочностью при высоких температурах. Молибден применяется в качестве материала для электрических контактов. Молибденовая проволока служит для изготовления высокотемпературных печей, вводов электрического тока в лампочках.

Задача 3

Силен — элемент шестой группы таблицы Д. И. Менделеева. Его получают на заводах при электрической очистки меди. Силен существует в нескольких разновидностях — как аморфных, как и кристаллических, разных цветов. Физические свойства серого кристаллического силена гексагонального строения.

Свойства силена:

Плотность при 20 °C — 4,8 Мг/м³;

Средний температурный коэффициент линейного расширения (от 0 до 100°С) — 50*10^-6, К^-1;

Средняя удельная теплоёмкость (0 — 100°С) — 330 Дж/кг*К;

Коэффициент теплопроводности — 4 Вт/м*к;

Температура плавления — 217 — 220 °C;

Удельная теплота плавления — 64,2*10³ Дж/кг;

Коэффициент поверхностного натяжения (при температуре плавления) — 0,11 Н/м;

Ширина запрещенной зоны при 20 °C 1.70 — 1,90 эВ;

Подвижность дырок — 0.2*10⁴ м²/В*с;

Первый ионизационный потенциал — 9,75 В.

Удельное сопротивление силена изменяется в очень широких пределах 1−10¹¹ (Ом*м) и зависит от рода концентрации примесей, температуры, освещённости. Силен обычно является дырочным полупроводником. Примесей галогенов (хлор, бром, йод) уменьшают удельное сопротивление силена, если концентрация этих примесей меньше 5*10^-4 % по массе. Примеси теллура, ртути и рода других металлов. Из силена изготавливают фотоэлементы и выпрямители в настоящее время применение селена существенно сократилось.

Фоторезистор — называют полупроводниковые приборы, проводимость которых меняется под действием света.

Сегодня фоторезисторы широко применяются во многих отраслях науки и техники. Это объясняется их высокой чувствительностью, простой конструкцией, малыми габаритами и значительной допускаемой мощностью рассеяния. Значительный интерес представляет использование фоторезисторов в оптоэлектронике.

Фоторезистор (от фото и резистор), представляет собой полупроводниковый резистор, омическое сопротивление которого определяется степенью освещённости. В основе принципа действия фоторезисторов лежит явление фотопроводимости полупроводников. Фотопроводимость — увеличение электрической проводимости полупроводника под действием света. Причина фотопроводимости — увеличение концентрации носителя заряда — электронов в зоне проводимостей и дырок в валентной зоне. При облучении полупроводника светом, достаточным для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, проводимость фоторезисторов увеличивается.

В качестве материалов для фоторезисторов широко используются: сульфиды, селениды, тилуриды различных элементов, а также соединения типа А_IM В_V. В инфракрасной области могут быть использованы фоторезисторы на основе — Pb S, PbSe, PbTe, InSb, в области видимого света и ближнего спектра ультрафиолета — CdS.

Задача 4

Пермаллой 50НХС — железоникелевые сплавы, обладающие весьма большой начальной магнитной проницаемостью в области слабых полей, что связано с практическим отсутствием у них анизотропии и магнитострикции. Различают высоко никелевые низконикелевые пермаллои. Пермаллой 50НХС — относится к низко никелевому пермаллою, содержания никеля 50%.

Основная характеристика сплава — высокая магнитная проницаемость и повышенное удельное сопротивление.

50НХС расшифровывается — 50% никеля, Н — никель, Х — хром, С — кремний.

Пермаллой 50НХС изготавливается в виде холоднокатаных лент толщиной — от 0,1−0,35;

Начальная магнитная проницаемость не менее 2470−3180;

Максимальная магнитная проницаемость не менее 24 700−30 230;

Коэрцитивная сила 13−8 А/м;

Индукция технического насыщения не менее 1.

Из сплава 50НХС выполняют сердечники импульсных трансформаторов и аппаратуры связи звуковых и высоких частот в режиме без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием.

Сплав ЮНДК15 — является сплавом содержащим кобальт — 15%, применяется в тех случаях, когда требуется повышенные магнитные свойства и нужен изотропный магнитный материал. Изготавливают постоянные магниты, полученные которые получены методом литья и имеют высокие магнитные характеристики: Br= 0,5−1,4 Tл, Hc= (42−145)*10³ А/м.

Буквы в марке сплава обозначают: Ю — алюминий, Н — никель, Д — медь, К — кобальт. Цифры состоящие соответствующей буквой, показывают содержание данного компонента сплава в процентах (по массе).

Рассчитать и построить зависимость магнитной проницаемости м от напряженности магнитного поля Н (для магнитно-мягкого материала), магнитной индукции В от магнитной энергии W_L (для магнитно-твердого материала) См. рисунок 1,2,3.

Решение м = В/(м₀*Н).,

м₀ = 4р*10^-7.,

м = 0,2/(12,56*10^-7*0,01) = 16*10⁶.,

м = 0,65/(12,56*10^-7*0,03) = 17,3*10⁶.,

м = 0,75/(12,56*10^-7*0,05) = 12*10⁶.,

м = 1,05/(12,56*10^-7*0,1) = 8,4*10⁶.,

м=1,24/(12,56*10^-7*0,3) = 3,3*10⁶.,

м=1,28/(12,56*10^-7*0,5) = 2,04*10⁶.

W_L = (B*H)/2.,

W_L = (0,75*0)/2=0.,

W_L = (0,67*10)/2=3,35.,

W_L = (0,56*20)/2=5,6.,

W_L = (0,42*30)/2=6,3.,

W_L = (0,2*40)/2=4.,

W_L = (0*48)/2=0.

Рисунок 1

Рисунок 2

Рисунок 3

Список использованных источников

Богородицкий Н. П., Пасынков В. В., Тареев Б. М. Электротехнические материалы. 7 — е изд. Л.: Энергоатомиздат, 1985.

Богородицкий Н.П., Пасынков В. В. Материалы радиоэлектронной техники. М.: Высшая школа, 1969.

Казарновский Д.И., Яманов С. А. Рдиотехнические материалы. М.: Высшая школа, 1972.

Серебряков А. С. Электротехническое материаловедение. Проводниковые, полупроводниковые и магнитные материалы: учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта. М.: ГОУ «Учебно — методический центр по образованию на железнодорожном трпнспорте», 2008. 372 с.

Серебряков А. С. Электротехническое материаловедение. Электроизоляционные материалы: учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта. М.: Маршрут, 2005. 280 с.

Справочник по электротехническим материалам / под ред. Ю. В. Корицкого.

В 3 т. М.-л.: Энергия, т.1. 1974; т. 2, 1974; т. 3, 1985.