2. Металлы, диэлектрики, полупроводники

Образование
энергетических зон позволяет объяснить
с единой точки зрения существование
металлов, полупроводников и диэлектриков.

Разрешенная зона,
возникшая из того уровня, на котором
находятся валентные электроны в
невозбуждённом состоянии атомов,
называется валентной зоной.

При абсолютном
нуле валентные электроны, согласно
принципа Паули, заполняют попарно нижние
уровни валентной зоны. Более высокие
разрешённые зоны будут от электронов
свободны.

В зависимости от
степени заполнения валентной зоны
электронами и ширины запрещённой зоны
возможны три случая (рис.4).

Рис. 4. Энергетические
диаграммы (Т=0)

В – валентная
зона; З – запрещенная зона; С – свободная
зона

1
случай. На рис.4а электроны
заполняют валентную зону не полностью.
Так как энергетические расстояния между
уровнями в зоне мало, то электроны могут
быть легко переведены на более высокие
свободные уровни, как за счёт энергии
теплового движения, так и под действием
электрического поля. Электроны валентной
зоны такого кристалла будут участвовать
в проводимости. Кристалл с частично
заполненной электронами валентной зоны
будет представлять собойметалл.Частичное заполнение валентной зоны
наблюдается в тех случаях, когда зона
образовалась из уровней атома, на которых
находился только один электрон, т.е.
уровни были заполнены электронами
наполовину (рис.4а), либо, когда имело
место перекрытие зон (рис.4б). Например,
на рис.2 наблюдается перекрытие зон для
уровней 4 и 5.

2
случай. Уровни валентной
зоны полностью заняты электронами
(рис. 4в). Чтобы электрон участвовал в
проводимости, его следует перевести из
валентной зоны в свободную. Для этого
необходимо сообщить ему энергию не
меньшую, чем ширина запрещённой зоныЕ. Если
ширина запрещённой зоны не велика, то
энергии теплового движения будет
достаточно, чтобы перевести часть
электронов верхнего уровня валентной
зоны в свободную зону, которую называют
зоной проводимости. Одновременно в
валентной зоне образуются дырки. Вещество
с такими свойствами являетсяполупроводником.

3
случай. Уровни валентной
зоны полностью заняты электронами, но
ширина запрещённой зоны велика. В этом
случае тепловое движение не сможет
перебросить электроны в зону проводимости.
В таком кристалле отсутствуют свободные
носители заряда, кристалл не проводит
ток и являетсядиэлектриком.

С точки зрения
зонной теории разделение неметаллических
материалов на полупроводники и диэлектрики
достаточно условно: вся разница между
ними заключается в величине ширины
запрещенной зоны. Невозможно указать
точное граничное значение ширины
запрещенной зоны, которое отделяет
класс полупроводников от класса
диэлектриков: обычно к полупроводникам
относят кристаллы , ширина запрещенной
зоны которых не превышает 2 или 3
электрон-вольт.

К полупроводникам
относятся кремний (Si),
германий (Ge), селен (Se),
арсенид галлия (GaAs),фосфид
галлия (GaP), антимонид
индия (InSb)и другие материалы.

Заполнение уровней
электронами во всех кристаллах может
быть описано статистикой Ферми-Дирака:

(6)

где — вероятность заполнения уровня с
энергией;-
постоянная Больцмана;-
абсолютная температура;E_F
— уровень Ферми.

Уровнем Ферми
называется уровень, вероятность
заполнения которого равна ½.Уровень
Ферми располагается между заполненными
и свободными уровнями. На рисунке 4 он
показан пунктиром.

Металлы, диэлектрики и полупроводники по зонной теории — Студопедия

Зонная теория позволила с единой точки зрения истолковать существование металлов, диэлектриков и полупроводников, объясняя различие в их электрических свойствах, во-первых, неодинаковым заселением электронами разрешенных зон, и во-вторых, шириной запрещенных зон.

Рассматривая заполнение электронами разрешенных зон необходимо использовать два правила: 1) Электроны стремятся занять самые низкие энергетические уровни. 2) Принцип Паули: на одном энергетическом уровне не может быть более двух электронов. Эти электроны должны иметь разные спины.

Степень заполнения электронами энергетических уровней в зоне определяется заполнением соответствующего атомного уровня. Если уровень атома полностью заполнен, то и зона полностью заполнена. Из незанятых уровней образуются свободные зоны, из частично заполненных – частично заполненные зоны. В общем случае можно говорить о валентной зоне, которая полностью заполнена и образовалась из энергетических уровней внутренних электронов свободных атомов и о зоне проводимости (свободной зоне), которая либо частично заполнена, либо свободна и образована из энергетических уровней внешних коллективизированных электронов изолированных атомов (рис.2).

Это означает, что возможны только внутризонные переходы, так как междузонные переходы имеют много большую энергию. Необходимым условием электрической проводимости является наличие в разрешенной зоне свободных энергетических уровней на которые электрическое поле сторонних сил могло бы перевести электроны. В зависимости от степени заполнения зон электронами и ширины запрещенной зоны возможны три случая, изображенных на рис.3.

3а). Зона проводимости заполнена лишь частично., то есть в ней имеются вакантные уровни. В этом случае электроны, получив сколь угодно малую энергетическую добавку (от поля или теплового движения) переходят на более высокий энергетический уровень той же зоны, то есть они участвуют в проводимости. Такой переход возможен, так как 1 К = 10^-4 эВ, что много больше расстояния между уровнями равному 10^-22 эВ. Таким образом, если в твердом теле имеется зона, лишь частично заполненная электронами, то это тело всегда будет проводником электрического тока. Именно это свойственно металлам.

3б). Возможно также такое перераспределение электронов между зонами, возникающими из уровней различных атомов, которое привело к тому, что вместо двух частично заполненных зон кристалла окажется одна целиком заполненная (валентная) зона и одна свободная зона (зона проводимости). Твердые тела, у которых энергетический спектр электронных состояний состоит только из валентной зоны и зоны проводимости, являются диэлектриками или полупроводниками в зависимости от ширины запрещенной зоны. Если ширина запрещенной зоны кристалла порядка нескольких электрон –вольт, то тепловое движение не может перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости и кристалл является диэлектриком, оставаясь им при всех реальных температурах.

3в). Если запрещенная зона достаточно узка ( эВ), то переход электронов из валентной зоны в зону проводимости может быть осуществлен сравнительно легко путем теплового возбуждения, либо за счет внешнего источника, способного передать электронам энергию , и кристалл является полупроводником.

Различие между металлами и диэлектриками с точки зрения зонной теории состоит в том, что при 0 К в зоне проводимости металлов имеются электроны, а в зоне проводимости диэлектриков они отсутствуют. Различие же между диэлектриками и полупроводниками определяется шириной запрещенных зон: для диэлектриков она довольно широка (например для NaCl =6 эВ), а для полупроводников достаточно узка (для германия =0,72 эВ). При температурах близких к 0 К полупроводники ведут себя как диэлектрики, то есть переброс электронов в зону проводимости не происходит.

Сущность зонной теории проводимости заключается в следующем:

1). При объединении атомов в кристалл твердого тела возникают энергетические зоны.

2). Ширина запрещенных зон и характер заполнения электронами разрешенных зон обуславливают электрические свойства твердого тела – оно может быть или металлом, или полупроводником, или диэлектриком.

Лекция 16
Электропроводность полупроводников. Термоэлектрические явления.

Презентация на тему: ЛЕКЦИЯ 11
ПЛАН ЛЕКЦИИ
1. Зонная теория твердых тел.
2. Металлы, диэлектрики,

1

Первый слайд презентации

ЛЕКЦИЯ 11
ПЛАН ЛЕКЦИИ
1. Зонная теория твердых тел.
2. Металлы, диэлектрики, полупроводники с точки зрения зонной теории твердого тела.
3. Полупроводники. Общие свойства.
4. Собственные полупроводники. Электропроводность.
5. Примесные полупроводники. Электропроводность
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
Кафедра физики

Изображение слайда

2

Слайд 2

Будем рассматривать кристаллическое твердое тело как строго периодическую структуру, в которой ионы создают электрическое поле.
ЗОННАЯ ТЕОРИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
В этом поле находятся электроны.
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
Кафедра физики
В кристалле расстояния между атомами d ~ 10 -10 м (порядка диаметра).
Электрические поля атомов частично перекрываются.
Происходит понижение и сужение потенциального барьера для валентных электронов атомов.
Определение. Валентными называются электроны, расположенные на внешних оболочках атомов.

Изображение слайда

3

Слайд 3

3
ЗОННАЯ ТЕОРИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Атом 1
Атом 2
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
Кафедра физики
1. Расстояние между атомами большое ( d > 10 — 10 м).
2. Расстояние между атомами d ~ 10 -10 м.

Изображение слайда

4

Слайд 4

4
Электроны могут туннелировать в соседнюю потенциальную яму.
Это приводит к тому, что вместо одного, одинакового для всех атомов уровня энергии, возникает множество близких, но не совпадающих уровней.
Образуется квантовомеханическая система, в которой каждый электрон должен находиться на отдельном энергетическом уровне (принцип Паули).
ЗОННАЯ ТЕОРИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Атом 1
Атом 2
Образуются энергетические зоны разрешенных уровней.
Величина расщепления различна для каждого уровня.
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
Кафедра физики

Изображение слайда

5

Слайд 5

5
ЗОННАЯ ТЕОРИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
d
2 d
E
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
Кафедра физики

Изображение слайда

6

Слайд 6

6
Сильнее расщепляются валентные уровни.
Это запрещенные уровни ( запрещенные зоны ).
ЗОННАЯ ТЕОРИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Энергетические зоны разрешенных энергий могут быть разделены интервалами, в которых нет разрешенных энергетических уровней.
Запрещенные зоны
Разрешенные зоны
E
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
Кафедра физики
Такой подход положен в основу зонной теории твердого тела. Теория объясняет существование металлов, диэлектриков и полупроводников.

Изображение слайда

7

Слайд 7

7
Металлы, диэлектрики, полупроводники с точки зрения зонной теории твердого тела
Электрические свойства материалов различны по следующим причинам: — неодинаковое заполнение электронами разрешенных зон; — различная ширина запрещенных зон.
При абсолютном нуле температуры все разрешенные зоны ниже валентной полностью заполнены электронами, выше валентной — полностью свободны.
Определение. Валентная зона — разрешенная зона, возникшая из того уровня, на котором находятся валентные электроны в атоме.
В зависимости от степени заполнения электронами валентной зоны и ширины расположенной над ней запрещенной зоны возможны три случая.

Изображение слайда

8

Слайд 8

8
Металлы, диэлектрики, полупроводники с точки зрения зонной теории твердого тела
E
E
Валентная зона
Запрещенная зона
Свободная ( разрешенная ) зона
Металл
Полупроводник или диэлектрик
Е F
Е F
Не заполнена полностью
Заполнена полностью
— ширина запрещенной зоны.
T = 0
— энергия Ферми.
Е F

Изображение слайда

9

Слайд 9

9
Металлы, диэлектрики, полупроводники с точки зрения зонной теории твердого тела
E
Е F
Случай 1. Электроны заполняют валентную зону не полностью. При наложении на кристалл электрического поля (даже слабого) электроны могут ускоряться (переходить на более высокие энергетические уровни).
Принцип Паули: такие переходы возможны, если выше уровня Ферми есть свободные уровни.
Таким образом, электроны этой валентной зоны могут переносить ток даже при T = 0 К.
Кристалл с такой схемой заполнения энергетических уровней — это
МЕТАЛЛ.
К металлам относятся также вещества, у которых ширина запрещенной зоны равна нулю.
Удельное сопротивление металлов 10 -6 — 10 -8 Ом · м.

Изображение слайда

10

Слайд 10

10
Металлы, диэлектрики, полупроводники с точки зрения зонной теории твердого тела
E
Е F
Случай 2. Все уровни валентной зоны при T = 0 К заполнены электронами.
Электрону для перехода на ближайший верхний уровень нужно сообщить энергию не меньшую, чем ширина запрещенной зоны.
Величина может составлять несколько эВ. Это большая энергия.
В этом случае при T = 0 К кристалл не проводит ток, т.е. является диэлектриком (удельное сопротивление ~ 10 8 — 10 13 Ом · м) или полупроводником (удельное сопротивление ~ 10 -5 — 10 8 Ом · м).
Деление на диэлектрики и полупроводники условно. Считается, что если эВ, то кристалл является полупроводником.

Изображение слайда

11

Слайд 11

11
Полупроводники компактно расположены в периодической системе элементов.
Слева и снизу от полупроводников — металлы.
S
СЕРА
16
2, 5
Si
КРЕМНИЙ
14
1,1
Р
ФОСФОР
15
1,5
S е
СЕЛЕН
34
1, 7
Ge
ГЕРМАНИЙ
32
0.72
As
МЫШЬЯК
33
1, 2
Te
ТЕЛЛУР
52
0,36
Sn
ОЛОВО
50
0,1
Sb
СУРЬМА
51
0,12
I
ЙОД
53
1,25
B
БОР
5
1,1
УГЛЕРОД
С
6
5,2
УГЛЕРОД
энергия активации проводимости в эВ
5,2
Справа и сверху – диэлектрики.
Типичные полупроводники — германий, кремний и теллур.
Полупроводники. Общие свойства.
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
Кафедра физики

Изображение слайда

12

Слайд 12

12
Германий — наиболее широко применяется.
На внешней оболочке германия 4 валентных электрона.
Электроны соседних атомов вступают в химические связи.
Полупроводники. Общие свойства.
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
При T = 0 K в чистом германии свободных электронов нет.
Поэтому (при T = 0 K ) германий хороший изолятор.
Германий рассеян в природе и дорого стоит.
Кремний – примерно такая же схема. Четыре электрона находятся на внешней оболочке.

Изображение слайда

13

Слайд 13

13
По типу электропроводности — собственные и примесные полупроводники.
Собственные полупроводники. Проводимость
Собственные — химически чистые полупроводники, их проводимость — собственная проводимость.
При T=0 К собственные полупроводники — диэлектрики.
При повышении температуры электроны из валентной зоны могут переходить в зону проводимости.
E
При наложении на кристалл электрического поля электроны проводимости создают электрический ток.
Проводимость за счет электронов — это электронная проводимость или проводимость n – типа.

Изображение слайда

14

Слайд 14

14
В результате тепловых переходов электронов в зону проводимости в валентной зоне возникают вакансии — « дырки ».
Во внешнем электрическом поле в «дырку» может переместиться электрон с соседнего уровня.
При этом дырка появится в том месте, откуда ушел электрон и т.д.
E
Дырка как бы перемещается в направлении, противоположном перемещению электрона так, как если бы дырка обладала положительным зарядом + e.
Проводимость собственных полупроводников, обусловленная квазичастицами – дырками – это дырочная проводимость или проводимость p – типа.
Собственные полупроводники. Электропроводность
Причина возникновения проводимости — действие внешних факторов: температуры, сильных электрических полей и т.д.

Изображение слайда

15

Слайд 15

15
Примесные полупроводники. Электропроводность
Введение в полупроводник примесей сильно влияет на его электрические свойства.
Появление в кристалле примесей приводит к тому, что возникают дополнительные энергетические уровни, расположенные в запрещенной зоне.
Примеси — атомы или ионы посторонних элементов и дефекты кристаллической решетки: пустые узлы, деформационные сдвиги кристалла, трещины и т.д.

Изображение слайда

16

Слайд 16

16
Пример 1. В германий (4-валентные атомы) внедряется небольшое количество 5-валентной примеси (фосфор). Четыре из пяти валентных электронов фосфора образуют связи с ближайшими атомами германия.
G e
Ge
Ge
Ge
Примесные полупроводники. Электропроводность
Механизм влияния примесей на электропроводность примесных полупроводников.
Примесные полупроводники создают специально (замещением некоторых атомов полупроводника атомами, валентность которых отличается от валентности атомов полупроводника.
Ge
P +
Пятый валентный электрон фосфора — лишний. Образуется свободный электрон.
При этом возникает положительно заряженный ион фосфора.

Изображение слайда

17

Слайд 17

17
Примесные полупроводники. Электропроводность
Атомы примеси, валентность которых на единицу больше валентности основных атомов, и которые отдают избыточные электроны в объем полупроводника, называются донорами.
Примеры донорных примесей в германий – фосфор, мышьяк, сурьма.
Положительный заряд (дырка) локализован на этом ионе и перемещаться по решетке не может.
При температуре около 300 К большинство атомов фосфора ионизировано. В полупроводнике появляются свободные электроны.
Эти электроны обеспечивают электронную проводимость ( проводимость n – типа ) в примесном полупроводнике.

Изображение слайда

18

Слайд 18

18
Примесные полупроводники. Электропроводность
Энергетические уровни примесных электронов ( донорские уровни ) располагаются вблизи дна зоны проводимости.
Для перевода примесных электронов в зону проводимости нужна небольшая энергия активации электронной проводимости Δ E ae.
E
Зона проводимости
Запрещенная зона
Валентная зона
Уровень
доноров
В таблице — ширина запрещенной зоны Δ E a и Δ E ae проводимости n – типа для некоторых полупроводников.
Полупро —
водник
Энергия, эВ
Δ E a
Δ E ae
P
As
Sb
кремний
германий
1.10
0.72
0.045
0.012
0.050
0.013
0.039
0.010

Изображение слайда

19

Слайд 19

19
Примесные полупроводники. Электропроводность
Атомы примеси, валентность которых на единицу меньше валентности основных атомов, называются акцепторами. В запрещенной зоне появляются акцепторные уровни, не занятые электронами.
Дырка заимствует электрон у соседа и т.д. Процесс последовательного заполнения свободной связи эквивалентен движению дырки.
Пример 2. Пусть в решетку германия (4-валентные атомы) внедряется 3-валентная примесь (бор, индий). Три валентных электрона примеси образуют связи с ближайшими атомами германия. Нет полного комплекта связей.
Перемещающиеся дырки обеспечивают дырочную проводимость ( проводимость p – типа ) в примесном полупроводнике.
Но: примесь может заимствовать один электрон у соседнего атома германия. Теперь этот атом будет «дыркой».

Изображение слайда

20

Последний слайд презентации: ЛЕКЦИЯ 11
ПЛАН ЛЕКЦИИ
1. Зонная теория твердых тел.
2. Металлы, диэлектрики,

20
Примесные полупроводники. Электропроводность
Акцепторные энергетические уровни располагаются несколько выше верхнего края валентной зоны основного кристалла.
Для перевода электронов с верхних уровней валентной зоны на акцепторные уровни нужна небольшая энергия активации дырочной проводимости Δ E ap.
E
Зона проводимости
Запрещенная зона
Валентная зона
Уровень
акцеторов
Полупро —
водник
Энергия, эВ
Δ E a
Δ E ap
B
Al
In
кремний
германий
1.10
0.72
0.045
0.010
0.060
0.010
0.070
0.011
В итоге вблизи потолка валентной зоны появляются свободные уровни, обеспечивающие электропроводность основного кристалла.
В таблице — ширина запрещенной зоны Δ E a и Δ E ap проводимости p – типа для некоторых полупроводников.

Изображение слайда

Минеральные диэлектрики | Электроматериаловедение | Архивы

Страница 54 из 59

§ 86. Минеральные диэлектрики

Из минеральных диэлектриков наибольшее применение получили кварц, мрамор, асбест и асбестоцемент.

Рис. 153. Кристалл кварца:

а — общий вид кристалла и его главные оси, б — поляризация кубика, вырезанною из кристалла кварца, В — сечение кристалла, перпендикулярное оси Z

Кварц представляет собой естественный минеральный диэлектрик, обладающий весьма высокими электроизоляционными свойствами. Различают кварц кристаллический и аморфный.

Кристалл кварца имеет структуру в виде шестигранных призм, заканчивающихся пирамидами. Он обладает различными диэлектрическими свойствами в зависимости от направления в кристалле (рис. 153). Величины диэлектрической проницаемости соответствуют указанным выше направлениям: ви = 4,58 и е,=4,41. Тангенс угла диэлектрических потерь кристаллического кварца tg6 = 3-10-4.

Кристаллический кварц  является пьезоэлектриком, т. е. при механических воздействиях — растяжении или сжатии — он приобретает па сторонах пластинки (определенным образом вырезанной из кристалла) электрические заряды противоположного знака, а по приложении переменного напряжения пластинка кварца начинает вибрировать.

На рис. 153, а изображен общий вид кристалла, а на рис. 153, б — его сечение, перпендикулярное оси Z с указанием направлений осей X и У. Если вырезать из кристалла кубик, ребра которого параллельны осям кристалла X, Y, Z и подвергнуть его растяжению по какой-либо оси, например, по оси У, то на перпендикулярных к этой оси гранях кубика появятся равные по величине, по противоположные по знаку, электрические заряды (рис. 153, В). Если же по этому направлению сжать кубик, то противоположные заряды поменяются местами, это явление называется прямым пьезоэффектом. Если кубик (или пластинку) кварца подвергнуть воздействию внешнего переменного электрического напряжения, то он будет сжиматься и растягиваться, т. е. в нем будут создаваться упругие деформации, в результате которых он будет вибрировать. Эго явление носит название обратного пьезоэффекта. Пьезоэлектрические свойства кристаллического кварца широко используются для создания ультразвуковых колебаний.

Применение же электроизоляционных изделий из плавленого кварца ограничивается из-за высокой температуры плавления кварца (1800—2000° С) и сложности обработки кварцевого стекла. Из кварцевого стекла изготовляют нити, пряжу и кварцевые стеклянные ткани, отличающиеся высокой нагревостойкостью.

Мрамор — минерал, состоящий в основном из углекислого кальция (СаСОз), кальцита и примеси углекислого магния или магнезита. Электроизоляционные свойства мрамора невысоки.

Мрамор гигроскопичен и поэтому для использования в качестве электроизоляционного материала его шлифуют и пропитывают органическими веществами — парафином или лаками.

Мрамор сравнительно легко поддается механической обработке, т. е. распиливается, сверлится, шлифуется, по хрупок и при обработке выкрашивается.

Положительным свойством мрамора является его негорючесть, но предельная температура использования мрамора составляет 110—120° С. При длительном воздействии на мрамор более высоких температур он становится хрупким.

Из мрамора изготовляют различного рода распределительные доски и основания для рубильников и щитков с предохранителями в установках на напряжение до 500 В.

Асбест (горный лен) представляет собой природный минерал, характерным свойством которого является его волокнистое строение. Волокна легко расщепляются на тонкие отдельные волоски диаметром в тысячные доли миллиметра и длиной до нескольких сантиметров.

Для изготовления различных электроизоляционных материалов (бумаги, пряжи, лент, картона) используется преимущественно хризотиловый асбест, представляющий собой силикат магния (3MgO-2SiO2-2h3O). Он содержит химически связанную воду и является гигроскопичным материалом. Волокна асбеста не впитывают воду, но покрываются водяной пленкой. В результате этой гигроскопичности и наличия в асбесте различных примесей электрические свойства асбестовых материалов (асбестовые бумаги и ткани) невысоки: (рг =109 ом-см2 Еир=1ч-2 кВ/мм). Основным достоинством асбеста является его высокая нагревостойкость и негорючесть. При температуре около 1150° С асбест плавится. Рабочая температура асбеста 450° С. При температуре выше 450° С из асбеста начинает удаляться химически связанная вода и волокна его теряют механическую прочность.

Основные характеристики асбеста: плотность 2,3ч-2,6 г/см3; <Тр=300-н400 кГ/см2.

Из асбестовых волокон изготовляется электроизоляционная бумага толщиной 0,2-=-0,5 мм. Для повышения механической прочности асбестовой бумаги в нее вводят небольшое количество хлопчатобумажного волокна. Кроме того, выпускают бумаги, состоящие из волокон одного асбеста, что обеспечивает им более высокую нагревостойкость.

Асбестовый картон выпускают в листах толщиной от 2 до 12 мм. Влагопоглощение асбестовых бумаг и картонов составляет 3—4% за  24 ч.

Из асбестовой пряжи изготовляют асбестовые ткани и ленты. Асбестовые ткани выпускают шириной 1040 мм и длиной не менее 25 м. Толщина асбестовых тканей 1,2—1,9 мм.

Асбестовые ленты полотняного переплетения изготовляют из пряжи, в которой содержится около 30% хлопчатобумажных волокон, введенных с целью повышения механической прочности.

Ленты выпускают толщиной 0,25—0,6 мм и шириной 13—38 мм. Они служат для изоляции в катушках полюсов и в секциях обмоток электрических машин высокого напряжения. Там же находят применение ленты из железистого асбеста, содержащие около 8% окислов железа. Поэтому удельное объемное сопротивление этих лент сильно понижено: р=10+5-10+6 ом-см. Эти ленты применяют для выравнивания электрического поля на частях обмоток, выходящих из пазов сердечника, статора, где наблюдается концентрация силовых линий электрического поля, что может вызвать пробой изоляции обмоток.

Все асбестовые материалы применяют в пропитанном (лаками и компаундами) виде. В результате пропитки устраняется гигроскопичность асбестовых бумаг и тканей и улучшаются их электрические характеристики.

Асбестоцемент изготовляется из асбестового волокна и портландского цемента. Этот материал представляет собой неорганическую пластмассу, в которой связующим веществом является портландцемент, а наполнителем — асбестовые волокна.

Процесс изготовления асбестоцемента состоит в смешивании распущенного асбеста с цементом и водой. Тщательно перемешанную смесь отливают в листы на особой асбестоцементной машине. Сырые пластины и доски прессуют под давлением до 200 кГ/см2, после чего листы высушивают.

Марки асбестоцемента (350, 400, 450 и 500) указывают на наименьшую прочность при статическом изгибе асбестоцементных образцов. Например, для асбестоцементных досок марки 350 предел прочности при статическом изгибе — не менее 350 кГ/см2, для досок марки 400 — не менее 400 кГ/см2 и т. д.

Размеры выпускаемых досок должны составлять по длине 1200 мм, по ширине 700 и 800 мм, по толщине 4, 8, 10, 12, 15, 20, 25, 30, 35 и 40 мм. Механическая прочность досок характеризуется величиной удельной ударной вязкости, которая должна быть не менее следующих значений:

при толщине 4—8 мм — 4,0 кГ- см/см2\

» » 10—12 мм — 4,5 кГ-см/см2\

» » 15 мм —6,0 кГ-см/см2;

» » 20 мм и выше — 8,0 кГ-см/см2.

Асбестоцементные доски выпускают с необработанной и обработанной лицевой поверхностью. Длина досок 1200 мм, ширина 700 и 800 мм, толщина от 4 до 40 мм.

Водопоглощение непропитанных асбестоцементных досок большое: 15—25%. Электрическая прочность высушенных досок E Пр=1,5—2,0 кВ/мм. Поэтому асбестоцементные доски используют в электрических устройствах низкого напряжения (основания контакторов, перегородки и искрогасительные камеры в электрических аппаратах) только в пропитанном виде. Пропитку досок и других изделий из асбестоцемента производят в расплавленном парафине или битуме. Пропитку асбестоцементных изделий производят только после их механической обработки (сверление, фрезерование и др.) для того, чтобы не осталось непропитанных мест.

Перед пропиткой доски и изделия сушат при 150° С в течение 1—2 ч на каждый миллиметр толщины и затем еще не остывшие листы и изделия погружают в пропитывающую жидкость. При использовании битумов пропитку ведут при 230—240° С также в течение 1—2 ч (на миллиметр толщины материала).

Асбопласт представляет собой неорганическую пластмассу холодного прессования на основе асбестоцемента. Состав асбопласта: портландцемент 65%, асбест хризотиловый (волокна) 20%; каолин или глина формовочная 15%. Так как в состав асбопласта входит глина, прессовочные свойства его значительно выше, чем асбестоцемента. Поэтому из асбопласта можно получать (прессованием в стальных пресс-формах) электроизоляционные детали сложного профиля. Прессование изделий из асбопласта производят при удельных давлениях 500—600 кГ/см2. Отпрессованные изделия выдерживают на воздухе 14—16 ч, а затем в кипящей воде 6—8ч. Объемная усадка у асбопласта небольшая.

Диэлектрики: полярные, неполярные, кристаллические; проводники. Поведение вещества(заряда) во внешнем элекрическом поле

Тестирование онлайн

• Проводники, диэлектрики. Основные понятия

• Диэлектрики, сферический проводник

Диэлектрики

Это такие вещества, в которых нет свободных зарядов. Заряженные частицы не могут двигаться по всему объему тела. Они способны только смещаться на небольшие расстояния относительно своих равновесных состояний. Не проводят электрический ток.

Диэлектрики бывают: полярными, неполярными, кристаллическими.

У полярных диэлектриков молекула такая, что ее ядро и электроны находятся друг от друга на некотором расстоянии, то есть сдвинуты положительный и отрицательный центры. Поэтому молекулу называют электрическим диполем. К полярным диэлектрикам относятся дистиллированная вода, спирт.

У неполярных диэлектриков молекула симметричная. Вещества: парафин, бензол, азот и др.

Диполь отсутствует.

К кристаллическим диэлектрикам относятся такие вещества, у которых кристаллическую решетку можно рассматривать как две подрешетки — с положительными и отрицательными ионами.

Проводники

Это вещества, в которых есть свободные заряженные частицы (электроны, положительные ионы и отрицательные ионы), способные перемещаться по всему объему вещества. Это металлы, растворы солей, кислот и щелочей и др. Эти вещества проводят электрический ток.

Вещества в электрическом поле

При помещении в электростатическое поле полярного диэлектрика, диполи переориентировываются таким образом, что вектор напряженности E’ внутреннего поля направлен в противоположную сторону относительно вектора напряженности внешнего поля E₀.

Поляризация приводит к ослаблению внешнего электрического поля в раз, где — диэлектрическая проницаемость

Аналогичным образом ведут себя кристаллические диэлектрики.

При помещении во внешнее поле неполярного диэлектрика у нейтральных молекул деформируются электронные облака, происходит электронная поляризация.

При помещении проводника все свободные заряды одного знака устремляются в одну сторону, заряды противоположного знака в противоположную сторону, это явление называется электростатической индукцией. Внутреннее поле, которое при этом образуется внутри проводника «гасит» внешнее поле.

Так как свободные заряды концентрируются по краям, а не во всем объеме вещества, как у диэлектриков, то внутри проводника отсутствует электростатическое поле. Напряженность внутри проводника равна нулю. Использование этого свойства называется электростатической защитой. Помещенные внутрь проводника тела не будут испытывать действие внешнего электростатического поля, проводник как бы ограждает.

Проводящая сфера

Рассмотрим проводник сферической формы.

Заряды на поверхности распределяются так, что их плотность больше в точках поверхности, обладающей большей кривизной. По поверхности сферы заряд распределяется равномерно.

А что произойдет, если внутрь сферической оболочки поместить заряд? Индукционные заряды возникнут на ее внутренней поверхности. В этом случае внутри сферы поле будет.

Для равномерно заряженной сферой радиусом R и зарядом q на расстоянии r от центра сферы, справедливы формулы:

Заземление

Благодаря своим огромным размерам Земля действует как резервуар зарядов, принимая и отдавая электроны. Когда мы поднесем к заземленному металлическому предмету отрицательно заряженный стержень, свободные электроны в металле будут отталкиваться и уходить в Землю. Если отсоединить стержень от этого предмета, на металле останется избыточный положительный заряд. Так мы зарядим тело положительным зарядом.

Различные стадии зарядки тела: а) приближая к шарику электроскопа отрицательно заряженный сургуч, мы вызываем на стержне электроскопа положительный заряд, а на его листках — отрицательный заряд; б) не убирая сургуча с отрицательным зарядом, прикасаемся рукой к шарику электроскопа и отводим часть отрицательного заряда электроскопа через свое тело в землю; листки электроскопа спадают; в) убрав палец, а затем убрав сургуч, мы оставляем на электроскопе только положительный заряд, который распределяется между шариком и листками электроскопа.

Упражнения

К металлическому шару, установленному на электроскопе, одновременно прикасаются наэлектризованной эбонитовой палочкой и рукой. Затем отнимают сначала руку, а потом палочку. Какого знака заряд получит электроскоп?

В результате контакта эбонитовой палочки с шаром электроскоп получит небольшой отрицательный заряд, который через руку уйдет в землю. Так как эбонит – диэлектрик, то на остальных участках палочки, которые не контактировали с шаром, отрицательные заряды останутся неподвижными. Они зарядят электроскоп положительным зарядом.

Как известно, заряженный шарик притягивает бумажку. Как изменится сила притяжения, если окружить металлической сферой заряженный шарик? бумажку?

Если окружить шарик концентрической металлической сферой, ничего не изменится: и шарик и металлическая сфера действуют как заряд, сосредоточенный в точке, находящейся в центре шарика. Если окружить сферой бумажку, сила притяжения обратится в ноль: бумажка попадает в «цилиндр Фарадея», зато теперь металлическая сфера и шарик будут притягиваться друг к другу.

Внутрь полой сферы проводящей незаряженной сферы был помещен шарик с зарядом q, после чего сфера была на короткое время соединена с землей, и затем шарик удален из сферы. Какой заряд будет иметь сфера после этих операций? Где и как будет распределен этот заряд? Где и какое будет существовать электрическое поле?

Заряд q. Он будет распределен равномерно по внешней поверхности сферы. Внутри сферы напряженность поля будет равна нулю. Вне сферы будет существовать электрическое поле, подобное полю точечного заряда q, помещенного в центр сферы.

Имеется полая проводящая незаряженная сфера, внутрь которой помещен положительный заряженный шарик. Укажите: а) Где будет существовать электрическое поле? б) Будут ли появляться заряды на сфере? в) Будет ли меняться поле внутри и вне сферы, если перемещать шарик, если шарик оставить неподвижным, а снаружи к сфере поднести заряженное тело?

а) Поле будет существовать внутри и вне сферы; б) на внутренней поверхности появится отрицательный заряд, на внешней — положительный; в) в первом случае будет изменяться электрическое поле только внутри сферы, во втором — только вне сферы.

Зонная теория твердых тел. Металлы, диэлектрики, полупроводники

Кафедра физики
ЛЕКЦИЯ 11
ПЛАН ЛЕКЦИИ
1. Зонная теория твердых тел.
2. Металлы, диэлектрики, полупроводники с точки
зрения зонной теории твердого тела.
3. Полупроводники. Общие свойства.
4. Собственные полупроводники. Электропроводность.
5. Примесные полупроводники. Электропроводность
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
Кафедра физики
ЗОННАЯ ТЕОРИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Будем рассматривать кристаллическое твердое тело как строго
периодическую структуру, в которой ионы создают электрическое
поле.
В этом поле находятся электроны.
В кристалле расстояния между атомами
диаметра).
d ~ 10-10 м (порядка
Электрические поля атомов частично перекрываются.
Происходит понижение и сужение потенциального барьера для
валентных электронов атомов.
Определение. Валентными называются
электроны,
расположенные на внешних оболочках атомов.
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
Кафедра физики
ЗОННАЯ ТЕОРИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
U r
r
Атом 1
Атом 2
1. Расстояние между атомами большое (d > 10-10м).
2. Расстояние между атомами d ~ 10-10 м.
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
3
Кафедра физики
ЗОННАЯ ТЕОРИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Электроны могут туннелировать в
соседнюю потенциальную яму.
Образуется квантовомеханическая
система,
в
которой
каждый
электрон должен находиться на
отдельном энергетическом уровне
(принцип Паули).
U r
Атом 1
r
Атом 2
Это приводит к тому, что вместо одного, одинакового для всех
атомов уровня энергии, возникает множество близких, но не
совпадающих уровней.
Образуются энергетические зоны разрешенных уровней.
Величина расщепления различна для каждого уровня.
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
4
ЗОННАЯ ТЕОРИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Кафедра физики
E
r
d
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
2d
5
ЗОННАЯ ТЕОРИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Кафедра физики
Сильнее расщепляются валентные уровни.
Энергетические зоны разрешенных энергий могут быть разделены
интервалами, в которых нет разрешенных энергетических уровней.
Это запрещенные уровни (запрещенные зоны).
E
Запрещенные
зоны
Разрешенные
зоны
Такой подход положен в основу зонной теории твердого тела.
Теория объясняет существование металлов, диэлектриков и
полупроводников.
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
6
Кафедра физики
Металлы, диэлектрики, полупроводники с точки
зрения зонной теории твердого тела
Электрические свойства материалов различны по следующим
причинам:
— неодинаковое заполнение электронами разрешенных зон;
— различная ширина запрещенных зон.
Определение. Валентная зона — разрешенная зона,
возникшая из того уровня, на котором находятся
валентные электроны в атоме.
При абсолютном нуле температуры все разрешенные зоны ниже
валентной полностью заполнены электронами, выше валентной полностью свободны.
В зависимости от степени заполнения электронами валентной зоны
и ширины расположенной над ней запрещенной зоны возможны три
случая.
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
7
Кафедра физики
Металлы, диэлектрики, полупроводники с точки
зрения зонной теории твердого тела
E
Металл
T=0
E Полупроводник
или диэлектрик
Свободная
(разрешенная) зона
Запрещенная зона
E
ЕF
E
Валентная зона
ЕF
Не заполнена полностью
Заполнена полностью
E — ширина запрещенной зоны.
ЕF — энергия Ферми.
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
8
Кафедра физики
Металлы, диэлектрики, полупроводники с точки
зрения зонной теории твердого тела
E
E
ЕF
Случай 1. Электроны заполняют валентную зону не
полностью.
При
наложении
на
кристалл
электрического поля (даже слабого) электроны
могут ускоряться (переходить на более высокие
энергетические уровни).
Принцип Паули: такие переходы возможны, если
выше уровня Ферми есть свободные уровни.
Таким образом, электроны этой валентной зоны могут переносить
ток даже при T = 0 К.
Кристалл с такой схемой заполнения энергетических уровней — это
МЕТАЛЛ.
Удельное сопротивление металлов 10-6 — 10-8 Ом·м.
К металлам относятся также вещества, у которых ширина
запрещенной зоны равна нулю.
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
9
Кафедра физики
Металлы, диэлектрики, полупроводники с точки
зрения зонной теории твердого тела
Случай 2. Все уровни валентной зоны при T = 0 К
заполнены электронами.
E
ЕF
E
Электрону для перехода на ближайший верхний
уровень нужно сообщить энергию не меньшую,
чем ширина запрещенной зоны E .
Величина E может составлять несколько эВ. Это
большая энергия.
В этом случае при T = 0 К кристалл не проводит ток, т.е. является
диэлектриком (удельное сопротивление ~ 108 — 1013 Ом·м) или
полупроводником (удельное сопротивление ~ 10-5 — 108 Ом·м).
Деление на диэлектрики и полупроводники условно. Считается, что
если E 3 эВ, то кристалл является полупроводником.
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
10
Полупроводники. Общие свойства.
5
B
БОР
1,1
6
С
Кафедра физики
Полупроводники компактно расположены в
периодической системе элементов.
5,2
УГЛЕРОД
14
Si
1,1
15
Р
1,5
16
S
КРЕМНИЙ ФОСФОР
СЕРА
32
34
Ge
0.72
33
As
1,2
Sе
2,5
5,2
1,7
энергия активации
проводимости в эВ
ГЕРМАНИЙ МЫШЬЯК СЕЛЕН
50
Sn
0,1
ОЛОВО
51
Sb
0,12
СУРЬМА
52
Te
0,36
ТЕЛЛУР
53
I
1,25
ЙОД
Слева и снизу от полупроводников — металлы.
Справа и сверху – диэлектрики.
Типичные полупроводники — германий, кремний и теллур.
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
11
Кафедра физики
Полупроводники. Общие свойства.
Германий — наиболее широко применяется.
На внешней оболочке германия 4 валентных электрона.
Электроны
соседних
атомов
вступают в химические связи.
Ge
Ge
При T = 0 K в чистом германии
свободных электронов нет.
Поэтому (при T = 0 K) германий
хороший изолятор.
Ge
Германий рассеян в природе и
дорого стоит.
Ge
Ge
Кремний – примерно такая же
схема.
Четыре
электрона
находятся на внешней оболочке.
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
12
Кафедра физики
Собственные полупроводники. Проводимость
По типу электропроводности — собственные и примесные
полупроводники.
Собственные — химически чистые полупроводники, их
проводимость — собственная проводимость.
При T=0К собственные полупроводники — диэлектрики.
E
При повышении температуры электроны из
валентной зоны могут переходить в зону
проводимости.
При наложении на кристалл электрического
поля электроны проводимости создают
электрический ток.
Проводимость за счет электронов — это
электронная проводимость или проводимость
n – типа.
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
13
Кафедра физики
Собственные полупроводники. Электропроводность
В результате тепловых переходов электронов в зону проводимости
в валентной зоне возникают вакансии — «дырки» .
Во внешнем электрическом поле в «дырку» может переместиться
электрон с соседнего уровня.
При этом дырка появится в том месте, откуда
ушел электрон и т.д.
E
Дырка как бы перемещается в направлении,
противоположном перемещению электрона
так, как если бы дырка обладала
положительным зарядом +e.
Проводимость собственных полупроводников,
обусловленная квазичастицами – дырками – это
дырочная проводимость или проводимость p
– типа.
Причина возникновения проводимости действие внешних факторов: температуры,
сильных электрических полей и т.д.
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
14
Кафедра физики
Примесные полупроводники. Электропроводность
Введение в полупроводник примесей сильно влияет на его
электрические свойства.
Примеси — атомы или ионы посторонних элементов и дефекты
кристаллической решетки: пустые узлы, деформационные сдвиги
кристалла, трещины и т.д.
Появление в кристалле примесей приводит к тому, что возникают
дополнительные энергетические уровни, расположенные в
запрещенной зоне.
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
15
Кафедра физики
Примесные полупроводники. Электропроводность
Механизм влияния примесей на электропроводность примесных
полупроводников.
Примесные полупроводники создают специально (замещением
некоторых атомов полупроводника атомами, валентность которых
отличается от валентности атомов полупроводника.
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Пример 1. В германий (4валентные
атомы)
внедряется
небольшое количество 5-валентной
примеси (фосфор). Четыре из пяти
валентных электронов фосфора
образуют связи с ближайшими
атомами германия.
P+
Пятый
валентный
электрон
фосфора — лишний. Образуется
свободный электрон.
При этом возникает положительно
заряженный ион фосфора.
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
16
Кафедра физики
Примесные полупроводники. Электропроводность
Положительный заряд (дырка) локализован на этом ионе и
перемещаться по решетке не может.
При температуре около 300 К большинство атомов фосфора
ионизировано. В полупроводнике появляются свободные электроны.
Эти электроны обеспечивают электронную проводимость
(проводимость n – типа) в примесном полупроводнике.
Атомы примеси, валентность которых на единицу больше
валентности основных атомов, и которые отдают избыточные
электроны в объем полупроводника, называются донорами.
Примеры донорных примесей в германий – фосфор, мышьяк,
сурьма.
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
17
Кафедра физики
Примесные полупроводники. Электропроводность
Энергетические уровни примесных электронов (донорские уровни)
располагаются вблизи дна зоны проводимости.
Для перевода примесных электронов в зону проводимости нужна
небольшая энергия активации электронной проводимости ΔEae.
E
В таблице — ширина запрещенной зоны ΔEa и
ΔEae проводимости n – типа для некоторых
полупроводников.
Зона проводимости
E ae
Уровень
доноров
Полупроводник
ΔEa
кремний
германий
1.10
0.72
Запрещенная зона
Валентная зона
Энергия, эВ
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
ΔEae
P
As
Sb
0.045
0.050
0.039
0.012
0.013
0.010
18
Кафедра физики
Примесные полупроводники. Электропроводность
Пример 2. Пусть в решетку германия (4-валентные атомы)
внедряется 3-валентная примесь (бор, индий). Три валентных
электрона примеси образуют связи с ближайшими атомами
германия. Нет полного комплекта связей.
Но: примесь может заимствовать один электрон у соседнего атома
германия. Теперь этот атом будет «дыркой».
Дырка заимствует электрон
последовательного заполнения
движению дырки.
у соседа и т.д. Процесс
свободной связи эквивалентен
Перемещающиеся дырки обеспечивают дырочную проводимость
(проводимость p – типа) в примесном полупроводнике.
Атомы примеси, валентность которых на единицу меньше
валентности основных атомов, называются акцепторами. В
запрещенной зоне появляются акцепторные уровни, не занятые
электронами.
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
19
Кафедра физики
Примесные полупроводники. Электропроводность
Акцепторные энергетические уровни располагаются несколько выше
верхнего края валентной зоны основного кристалла.
Для перевода электронов с верхних уровней валентной зоны на
акцепторные уровни нужна небольшая энергия активации
дырочной проводимости ΔEap.
В итоге вблизи потолка валентной зоны появляются свободные
уровни, обеспечивающие электропроводность основного кристалла.
В таблице — ширина запрещенной зоны ΔEa и
ΔEap проводимости p – типа для некоторых
E
полупроводников.
Зона проводимости
Запрещенная зона
Уровень
E акцеторов
Энергия, эВ
Полупроводник
ΔEa
кремний
германий
1.10
0.72
ap
Валентная зона
Общая физика. Зонная теория твердых тел. Полупроводники.
ΔEap
B
Al
In
0.045
0.060
0.070
0.010
0.010
0.011
20

Энергетические зоны в кристаллах. Металлы, диэлектрики, полупроводники.

⇐ ПредыдущаяСтр 9 из 10Следующая ⇒

, n=1,2,3,… Возникновение энергетических зон можно объяснить модификацией энергетических уровней атомов при их сближении. При сближении N одинаковых атомов каждый уровень атома распадается на N очень близких подуровней из-за перекрытия электронных оболочек атомов. Рас-е м/д подуровнями ~ эВ. Образуются разрешенные энергетические зоны (35 — эВ), заштрихованные на рис1.Уровни внутренних электронов расщепляются мало. Различия в электрических свойствах металлов,полупроводников и диэлектриков объясняются: 1) шириной E D запрещенных энергетических зон; 2) различным заполнением разрешенных энергетических зон. Необходимое условие электрической проводимости твердого тела – это наличие в разрешенной зоне свободных энергетических уровней, на которые можно перевести электроны, прикладывая внешнее электрическое поле или повышая температуру. , Т.е функция u(r) обладает свойством инвариантности, т.е. в кристаллах u(r )=u(u+l), где l-период кристаллической решетки. Уравнение Шреденгера обладает решением = , где — периодическая функция, к-волновой вектор ( )

Обл. к-простр-ва, внутри которой энергия электрона измеряется квазинепрерывноназыв.зонойБриллюэна.

Металлы: Внешняя зона у металлов-зона проводимости(обозн. С).Запрещенная зона:

Ближайшая к зоне проводимости-валентная зона(V)

В металлах при 0 = TK валентная зона заполнена электронами полностью, а зона проводимости – частично. Энергии теплового движения электронов будет достаточно, чтобы электроны перешли на свободные уровни в зоне, обеспечивая проводимость металлов. У металлов электропродимость снижается с увеличением температуры, т.к. сопротивление увеличивается.На каждом уровне по 2 электрона.В зоне проводимости электронов нет.

5 vsrOk/l8ia+zQJ0F7iyETNgLlAXmowohR0XcQlWD3X9dCJl2S1VTi1mgpoDc29SF0NKt25IsAHuY 1SigYnHNFOi276iDagbUDPjr4cUyBpgrMkDF4poZ0OrUZVC9GYbzyAedsy1jgLMiA+wn2AnYHbX/ qKugei+8+l4YTvtWq4LUoe6ac0CdAf6DDKC+D8CnFnWKWn4Wkt9yrt+r49Orj1f9PwAAAP//AwBQ SwMEFAAGAAgAAAAhANJS6uvfAAAACQEAAA8AAABkcnMvZG93bnJldi54bWxMj0FLw0AQhe+C/2EZ wZvdxNjYxmxKKeqpCLaC9LbNTpPQ7GzIbpP03zue9PYe8/HmvXw12VYM2PvGkYJ4FoFAKp1pqFLw tX97WIDwQZPRrSNUcEUPq+L2JteZcSN94rALleAQ8plWUIfQZVL6skar/cx1SHw7ud7qwLavpOn1 yOG2lY9RlEqrG+IPte5wU2N53l2sgvdRj+skfh3259PmetjPP763MSp1fzetX0AEnMIfDL/1uToU 3OnoLmS8aNlH6ROjLNJnEAwkcTIHcWSxXIIscvl/QfEDAAD//wMAUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhALaD OJL+AAAA4QEAABMAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAFtDb250ZW50X1R5cGVzXS54bWxQSwECLQAUAAYA CAAAACEAOP0h/9YAAACUAQAACwAAAAAAAAAAAAAAAAAvAQAAX3JlbHMvLnJlbHNQSwECLQAUAAYA CAAAACEAwN8TfqgDAAAEGwAADgAAAAAAAAAAAAAAAAAuAgAAZHJzL2Uyb0RvYy54bWxQSwECLQAU AAYACAAAACEA0lLq698AAAAJAQAADwAAAAAAAAAAAAAAAAACBgAAZHJzL2Rvd25yZXYueG1sUEsF BgAAAAAEAAQA8wAAAA4HAAAAAA== «>

Полупроводники:валентная зона отделена от зоны проводимости. Валентная зона заполнена.Чтобы электрон перешел на новый уровень элементу надо электрону придавать энергию.Запрещеная зона узкая.

с увеличением темп., электропродимостьуыеличивается экспоненциально

.Полупроводники, у которых электропроводимость обеспечивается переходом валентной зоны в зону проводимости под внешним воздействием наз.собств.полупроводниками. . , где -концентрация элементов и дырок. -подвижность элементов и дырок.

Диэлектрики: запрещенная зона шире.

У твердых диэлектриков запрещенная зона шире.

Поэтому ни тепловое движение, ни постоянное электрическое

поле или другие воздействия,не разрушающие твердое тело,

не могут перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости.

Собств. и примесная проводимость полупроводников.

Наиболее существенной особенн-ю полупроводников является их

способность изменять свои свойства в чрезвычайно широких

пределах под влиянием различных воздействий: температуры,

электрического и магнитного полей, освещения и т. д. Например, собственная проводимость чистых полупроводников при их нагревании экспоненциально возрастает. В полупроводниках с акцепторной примесью возможна электропродимость, обеспечиваемая переходом дырок в валентной зоне на другие уровни. ,

Lnn=f( )Зав-ть концентрации от темп.-обратная ф-я.Высокая чувствительность полупроводников к изменению темп. и освещенности позволяет использовать их для изготовления приборов: термисторов и фотосопротивлений.

Рекомендуемые страницы:

Dielectrics — The Physics Hypertextbook

Обсуждение

основная идея

Диэлектрики — изоляторы простые и простые. Эти два слова относятся к одному и тому же классу материалов, но имеют разное происхождение и используются преимущественно в разных контекстах.

• Поскольку заряды имеют тенденцию нелегко перемещаться в неметаллических твердых телах, возможны «островки» заряда в стекле, керамике и пластике. Латинское слово «остров» — insula , от которого происходит слово insulator .Напротив, заряды в металлических твердых телах имеют тенденцию легко перемещаться — как будто кто-то или что-то их ведет. Латинский префикс con или com означает «с». Человек, с которым у вас есть хлеб, — ваш товарищ. (По-латыни хлеб — panis .) Взять что-то с собой в дорогу — значит передать это. (Латинское слово обозначает дорогу с по ). Человек, с которым вы путешествуете и который указывает путь или обеспечивает безопасный переход, является кондуктором. (Латинское слово для обозначения лидера — ductor .) Материал, обеспечивающий безопасное прохождение электрических зарядов, — это проводник .
• Вставка слоя неметаллического твердого вещества между пластинами конденсатора увеличивает его емкость. Греческая приставка di или dia означает «поперек». Линия, пересекающая углы прямоугольника, — это диагональ. (Греческое слово, обозначающее угол — gonia — γωνία.) Измерение поперек круга — это диаметр. (Греческое слово для обозначения меры — метрон — μέτρον.) Материал, помещенный на пластины конденсатора, как небольшой непроводящий мостик, — это диэлектрик .

Пластиковое покрытие электрического шнура является изолятором. Стеклянные или керамические пластины, используемые для поддержки линий электропередач и предотвращения их замыкания на землю, являются изоляторами. Практически всегда, когда неметаллическое твердое тело используется в электрическом устройстве, оно называется изолятором. Возможно, единственный раз, когда слово диэлектрик используется в отношении непроводящего слоя конденсатора.

Диэлектрики в конденсаторах служат трем целям:

1. , чтобы предотвратить соприкосновение проводящих пластин, что позволяет уменьшить расстояние между пластинами и, следовательно, увеличить емкость;
2. для увеличения эффективной емкости за счет уменьшения напряженности электрического поля, что означает получение того же заряда при более низком напряжении; и
3. для уменьшения возможности короткого замыкания из-за искрения (более известного как пробой диэлектрика) во время работы при высоком напряжении.

что здесь происходит

Когда металл помещают в электрическое поле, свободные электроны текут против поля, пока не выйдут из проводящего материала. В кратчайшие сроки у нас будет избыток электронов с одной стороны и дефицит с другой. Одна сторона проводника заряжена отрицательно, а другая — положительно. Освободите поле, и электроны на отрицательно заряженной стороне окажутся слишком близко для комфорта. Подобные заряды отталкиваются, и электроны убегают друг от друга так быстро, как только могут, пока не распределятся равномерно по всему телу; в среднем один электрон на каждый протон в пространстве, окружающем каждый атом.Проводящий электрон в металле похож на гоночную собаку, загнанную на пастбище. Они могут свободно передвигаться сколько угодно и могут перемещаться по всей длине, ширине и глубине металла по своей прихоти.

Жизнь электрона в изоляторе гораздо более ограничена. По определению, заряды в изоляторе не могут свободно перемещаться . Это не то же самое, что сказать, что не может двигаться . Электрон в изоляторе похож на сторожевую собаку, привязанную к дереву: он может двигаться свободно, но в определенных пределах.Размещение электронов изолятора в присутствии электрического поля похоже на размещение привязанной собаки в присутствии почтальона. Электроны будут напрягаться против поля, насколько это возможно, почти так же, как наша гипотетическая собака будет напрягаться против своего поводка, насколько это возможно. Однако электроны в атомном масштабе больше похожи на облака, чем на собак. Электрон эффективно распространяется по всему объему атома и не концентрируется в каком-либо одном месте. Полагаю, хорошую атомную собаку нельзя было бы назвать Спотом.

Когда атомы или молекулы диэлектрика помещаются во внешнее электрическое поле, ядра толкаются полем, что приводит к увеличению положительного заряда с одной стороны, в то время как электронные облака притягиваются к нему, что приводит к увеличению отрицательного заряда с другой. боковая сторона. Этот процесс известен как поляризация , а диэлектрический материал в таком состоянии называется поляризованным . Существует два основных метода поляризации диэлектрика: растяжение и вращение.

Растяжение атома или молекулы приводит к индуцированному дипольному моменту , добавленному к каждому атому или молекуле.

Вращение происходит только в полярных молекулах — с постоянным дипольным моментом , как у молекулы воды, показанной на диаграмме ниже.

Полярные молекулы обычно поляризуются сильнее, чем неполярные. Вода (полярная молекула) имеет диэлектрическую прочность в 80 раз больше, чем у азота (неполярная молекула, которая является основным компонентом воздуха).Это происходит по двум причинам, одна из которых обычно тривиальна. Во-первых, все молекулы растягиваются в электрическом поле независимо от того, вращаются они или нет. Неполярные молекулы и атомы растягиваются, в то время как полярные молекулы растягиваются на и градусов. Однако эта комбинация действий лишь незначительно влияет на общую степень поляризации вещества. Что еще более важно, полярные молекулы уже сильно растянуты — естественно. То, как атомы водорода сидят на рукавах электронных облаков атома кислорода, искажает молекулу в диполь.Все это происходит в межатомном или молекулярном масштабе. На таких крошечных расстояниях напряженность электрического поля относительно велика для того, что в противном случае было бы ничем не примечательным напряжением (например, 13,6 В для электрона в атоме водорода).

Когда дело доходит до поляризации, растяжение и вращение — не конец истории. Это просто методы, которые проще всего описать случайному наблюдателю. В общем, поляризация диэлектрического материала представляет собой микроскопическую электростатическую деформацию в ответ на макроскопическое электростатическое напряжение.Внешнее поле, приложенное к диэлектрику, не может заставить заряды двигаться макроскопически, но оно может растягивать и искажать их микроскопически. Он может толкнуть их в неудобное положение, а при отпускании позволить им вернуться в расслабленное состояние. То, что отличает поляризацию в изоляторе от растяжения упругого тела, такого как пружина, заключается в том, что устранение напряжения не обязательно снимает напряжение. Некоторые изоляторы будут оставаться в поляризованном состоянии в течение часов, дней, лет или даже столетий.Наиболее длинные характерные времена должны быть экстраполированы из неполных наблюдений на более разумную продолжительность. Никто не собирается сидеть сложа руки и ждать две тысячи лет, чтобы увидеть, как поляризация куска пластика уменьшится до нуля. Ждать не стоит.

Наконец, важно иметь в виду, что заряды, «хранящиеся» в диэлектрическом слое, не доступны в виде пула свободных зарядов. Для их извлечения еще понадобятся металлические пластины. Важно помнить, что единственная причина, по которой кто-то, кажется, заботится об этом явлении, заключается в том, что он помогает нам создавать лучшие конденсаторы.Я думаю, что на этом обсуждение должно завершиться.

конденсаторы с диэлектриком

Поместите диэлектрический слой между двумя параллельно заряженными металлическими пластинами, направив электрическое поле справа налево. (Почему не слева направо? Ну, я читаю справа налево, поэтому мне легче «читать» диаграммы.) Положительные ядра диэлектрика будут перемещаться на с полем вправо, а отрицательные электроны переместит против на поле слева.Силовые линии начинаются с положительных зарядов и заканчиваются отрицательными зарядами, поэтому электрическое поле внутри каждого напряженного атома или молекулы диэлектрика указывает на нашей диаграмме слева направо — напротив внешнего поля двух металлических пластин. Электрическое поле — это векторная величина, и когда два вектора указывают в противоположных направлениях, вы вычитаете их величины, чтобы получить результат. Эти два поля не компенсируются в диэлектрике, как в металле, поэтому общий результат — более слабое электрическое поле между двумя пластинами.

Увеличить

Позвольте мне повторить это — общий результат — более слабое электрическое поле между двумя пластинами. Давай займемся математикой.

Электрическое поле — это градиент электрического потенциала (более известного как напряжение).

.

Емкость — это отношение заряда к напряжению.

Введение диэлектрика в конденсатор уменьшает электрическое поле, что снижает напряжение, что увеличивает емкость.

.

Конденсатор с диэлектриком сохраняет тот же заряд, что и конденсатор без диэлектрика, но при более низком напряжении.Поэтому конденсатор с диэлектриком более эффективен.

ЭТА МАЛЕНЬКАЯ ЧАСТЬ НУЖДАЕТСЯ В Доработке.

О первых открытиях лейденской банки. Удаление стержня снижает емкость. (Воздух имеет более низкую диэлектрическую проницаемость, чем вода.) Напряжение и емкость обратно пропорциональны, когда заряд постоянен. Уменьшение емкости увеличивает напряжение.

восприимчивость, диэлектрическая проницаемость, диэлектрическая проницаемость

Электрический дипольный момент чего-либо — будь то атом, растянутый во внешнем электрическом поле, полярная молекула или две противоположно заряженные металлические сферы — определяется как продукт заряда и разделения.

p = q r

с единицей СИ, равной кулоновому метру , у которого нет специального названия.

[см = см]

Поляризация области определяется как дипольный момент на единицу объема

с единицей СИ кулонов на квадратный метр .

Расчет поляризации из первых принципов — сложная процедура, которую лучше доверить специалистам.Не беспокойтесь о деталях того, почему поляризация имеет то значение, которое она имеет, просто примите то, что она существует и является функцией некоторых переменных. И что это за переменные? Почему они материальны и, конечно, напряженность поля. Различные материалы поляризуются в разной степени — мы будем использовать греческую букву χ _e [chi sub e], чтобы обозначить эту величину, известную как электрическая восприимчивость, — но для большинства материалов поле сильнее ( E ) , тем больше поляризация ( P ).Добавьте коэффициент пропорциональности ε ₀ , и все готово.

P = ε ₀ χ _e E

Электрическая восприимчивость — это безразмерный параметр, который зависит от материала. Его значение варьируется от 0 для пустого места до любого другого. Бьюсь об заклад, есть даже некоторые причудливые материалы, для которых этот коэффициент отрицательный (хотя я не знаю наверняка). Константа пропорциональности ε ₀ [эпсилон ноль] известна как диэлектрическая проницаемость свободного пространства и будет рассмотрена немного позже.На данный момент это просто приспособление для тренировки единиц.

НАПИШИТЕ ОТДЫХ.

Величина κ [каппа] безразмерна.

пробой диэлектрика

Любой изолятор можно заставить проводить электричество.Это явление известно как пробой диэлектрика .

пьезоэффект

Произнесите все гласные.Пьезоэлектричество — это эффект преобразования энергии между механической и электрической формами.

• Пьезо — греческое слово, обозначающее давление (πιεζω).
• Обнаружен в 1880-х годах братьями Кюри.
• Недорогие пьезоэлектрические микрофоны. Когда поляризованный кристалл подвергается напряжению, напряжение создает разность потенциалов. Эта разность потенциалов пропорциональна напряжению, которое пропорционально акустическому давлению.
• Обратный пьезоэлектрический микрофон — это пьезоэлектрический динамик: зуммер будильника, звонок наручных часов, всевозможные электронные гудки.Когда к поляризованному кристаллу прикладывается электрический потенциал, кристалл подвергается механической деформации, которая, в свою очередь, может создавать акустическое давление.
• Коллаген пьезоэлектрический. «Когда к [костному] коллагену прикладывается сила, создается небольшой электрический потенциал постоянного тока. Коллаген проводит ток в основном за счет отрицательных зарядов. Минеральные кристаллы кости (апатит), расположенные рядом с коллагеном, проводят ток с помощью положительных зарядов. На стыке из этих двух типов полупроводников ток легко течет в одном направлении, но не в другом….Считается, что силы, действующие на кости, создают потенциалы за счет пьезоэлектрического эффекта и что соединения коллаген-апатит создают токи, которые вызывают и контролируют рост костей. Токи пропорциональны напряжению (сила на единицу площади), поэтому повышенное механическое напряжение костей приводит к усилению роста «. Physics of the Body (255).

Физика твердого тела — Как металл и изолятор могут иметь высокие диэлектрические постоянные, при этом один из них является проводящим, а другой изолирующим?

Привет.

Сначала я объясню, что диэлектрическая проницаемость равна , так как я думаю, вы можете немного запутаться. Затем я отвечу на вопрос, почему мы говорим, что у металлов бесконечная диэлектрическая проницаемость.

Надеюсь, вы знакомы с конденсаторами с параллельными пластинами и емкостью, поскольку я думаю, что это самый простой способ понять это. По крайней мере, здесь я впервые узнал о диэлектрической проницаемости. Если вы не знакомы с емкостью, я предлагаю вам взглянуть на это раньше, а затем вернуться — мой ответ в значительной степени зависит от этого.

Надеюсь, это поможет!

Прежде всего, что такое «диэлектрическая проницаемость»?

Это число, которое определяет емкость конденсатора с параллельными пластинами.
масштабируется, когда вы помещаете какой-либо материал между двумя пластинами.

Но это определение суперскучно и не дает никакой физической интуиции .

Почему емкость конденсатора изменяется в первую очередь, когда мы помещаем какой-либо материал между его пластинами?

Должен быть более глубокий ответ.

То, что на самом деле измеряет диэлектрическая проницаемость, — это то, как поляризуемые атомы в материале находятся под влиянием электрического поля.

Если это предложение не имело никакого смысла, не волнуйтесь! Я объясню.

Когда вы помещаете материал в электрическое поле (то есть между двумя противоположно заряженными пластинами конденсатора с параллельными пластинами) , электроны внутри материала будут стремиться двигаться против электрического поля (к положительно заряженной пластине).

Однако для таких материалов, как резина или стекло, электроны слишком сильно связаны со своими соответствующими атомами, чтобы двигаться далеко, не возвращаясь на место. Они только немного сдвинутся. Это смещение создаст крошечный кусочек электрического поля, которое противодействует электрическому полю между параллельными пластинами конденсатора и, таким образом, уменьшит общее электрическое поле между пластинами на некоторую постоянную. Назовем эту константу величиной уменьшения электрического поля между пластинами на $ p $.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПОСТОЯННАЯ ПОСТОЯННАЯ ЯВЛЯЕТСЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ $ p $. — Просто продолжайте читать, чтобы понять, почему.

Вот изображение поляризации:

Теперь, как это связано с «… числом, на которое емкость масштабируется на …» ?

Допустим, у нас есть конденсатор с параллельными пластинами с зарядом $ Q $ на пластинах, создающих между ними напряжение $ V $.

Теперь поместим диэлектрик между двумя пластинами.Когда мы это делаем, величина электрического поля между конденсаторами с параллельными пластинами масштабируется в $ p $ раз (обратите внимание, что $ p <1 $) из-за противоположного электрического поля, вызванного поляризацией атомов внутри диэлектрика.

Напряжение между двумя пластинами равно электрическому полю между двумя пластинами, умноженному на расстояние между ними. Расстояние не изменилось. Следовательно, напряжение между двумя пластинами будет масштабировано той же константой: $ p $.

Однако заряд на пластинах не изменился. Тот же заряд $ Q $ на пластинах, который раньше вызывал напряжение $ V $, теперь вызывает меньшее напряжение: $ pV $.

Таким образом, емкость конденсатора изменится с $ \ frac {Q} {V} $ на $ \ frac {1} {p} \ frac {Q} {V} $. Другими словами, оно будет разделено на $ p $ или , умноженное на $ \ frac {1} {p} $ .

$ \ frac {1} {p} $ — диэлектрическая проницаемость материала, который мы застряли между пластинами.Обычно мы называем эту константу $ k $.

Если ваш конденсатор подключен к батарее, вместо того, чтобы рассматривать диэлектрическую проницаемость как обратную величину, пропорциональную коэффициенту, на который увеличивается напряжение между пластинами, когда мы вставляем материал между ними, вы вместо этого должны рассматривать его как Фактор увеличения заряда пластин. Подумайте об этом!

Теперь о металлах и их бесконечной емкости:

Когда мы помещаем металлический блок между двумя параллельными пластинами с противоположным зарядом (создавая между ними почти постоянное электрическое поле), свободные заряды (электроны) внутри металла будут перемещаться под действием электрического поля.

В непроводящих материалах свободных зарядов не было, поэтому мы получили поляризацию.

Заряды будут перемещаться к поверхности металлического блока — отрицательные заряды в сторону, более близкую к положительно заряженной пластине, и положительные заряды в сторону, более близкую к отрицательно заряженной пластине (другими словами, некоторые электроны покинут одну сторону от пластины). металлический блок и некоторые другие электроны распространятся по другой стороне металлического блока) .

Это будет продолжаться до тех пор, пока плотность заряда на поверхности каждой стороны металлического блока не станет равной плотности заряда на пластине конденсатора, которая находится ближе всего к противоположной по знаку стороне. Когда эта плотность заряда достигается, электрическое поле внутри металлического блока становится равным нулю, и электроны не имеют причины продолжать движение.

Здесь вы, наверное, уже видели подобную картинку раньше, на которой показаны линии поля, заканчивающиеся на одной стороне металла и выходящие из другой:

Причина, по которой силовые линии заканчиваются на поверхности металлов в электрических полях, заключается именно в том, что я сказал выше — заряды внутри металлов могут свободно перемещаться, и они будут делать это до тех пор, пока в металле не исчезнет чистое поле.

Металлический блок снизит напряжение между пластинами. Как?

Величина электрического поля в промежутках между металлическим блоком и пластинами не изменилась, но внутри металлического блока электрического поля нет .

Помните определение напряжения? Это произведение электрического поля и расстояния.

Ну, теперь это просто , как будто мы уменьшили расстояние между пластинами , так как часть пространства между пластинами пространство, заполненное металлом , не будет иметь внутри электрического поля.

Итак, как и в случае с поляризуемым диэлектрическим материалом, который уменьшал напряжение за счет уменьшения электрического поля между пластинами, металл уменьшал напряжение, не только уменьшая электрическое поле, но и доводя его до нуля на участке пространства между пластинами. две тарелки.

Допустим, на исходных обкладках конденсатора было напряжение $ V_0 $ и расстояние между ними $ d $, и мы вставляем между двумя пластинами металлический блок толщиной $ t $, затем новое напряжение (при условии, что мы не позволить изменению плотности заряда на пластинах конденсатора) будет $ V_1 = V_0 (1- \ frac {t} {d}) $.

(Я оставлю это в качестве упражнения, чтобы вы убедились в этом… это не должно быть слишком сложно.)

Если $ t $ действительно близко к $ d $, напряжение между пластинами приближается к нулю (и если $ t = d $, то металлический блок касается обоих листов, а конденсатор просто превратился в отрезок провода. с очень толстой площадью поперечного сечения — просто проигнорируйте этот сценарий).

Используя другие непроводящие (изолирующие) материалы, мы могли бы заполнить пространство между пластинами, и, конечно же, поляризация атомов внутри материалов уменьшила бы величину электрического поля внутри пластин на некоторую константу и, таким образом, уменьшила бы разность напряжений между пластинами (вызывающая увеличение емкости конденсатора, поскольку теперь с уменьшенным электрическим полем такое же количество заряда на пластинах вызывает меньшее напряжение…блаблабла, как я объяснил вверху).

Но поскольку металлов имеют свободные электроны , если мы поместим металлический блок между двумя противоположно заряженными пластинами, он не будет просто частично блокировать электрическое поле — он полностью заблокирует его в пространстве внутри металл!

Вот почему мы говорим, что у металлов бесконечная диэлектрическая проницаемость — они не просто поляризуют и немного блокируют электрическое поле — они делают это полностью!

Надеюсь, что это помогло!

Что такое диэлектрический материал? — Определение от WhatIs.com

От

Диэлектрический материал — это вещество, которое плохо проводит электричество, но эффективно поддерживает электростатическое поле. Если ток между противоположными полюсами электрического заряда сведен к минимуму, в то время как электростатические линии потока не прерываются и не прерываются, электростатическое поле может накапливать энергию. Это свойство полезно в конденсаторах, особенно на радиочастотах. Диэлектрические материалы также используются при строительстве линий передачи радиочастот.

На практике большинство диэлектрических материалов твердые. Примеры включают фарфор (керамику), слюду, стекло, пластмассы и оксиды различных металлов. Некоторые жидкости и газы могут служить хорошими диэлектрическими материалами. Сухой воздух является отличным диэлектриком и используется в конденсаторах переменной емкости и некоторых типах линий передачи. Дистиллированная вода — хороший диэлектрик. Вакуум — исключительно эффективный диэлектрик.

Важным свойством диэлектрика является его способность поддерживать электростатическое поле, рассеивая минимальную энергию в виде тепла.Чем ниже диэлектрические потери (доля энергии, теряемой в виде тепла), тем более эффективным является диэлектрический материал. Еще одним соображением является диэлектрическая проницаемость , , степень, в которой вещество концентрирует электростатические линии потока. Вещества с низкой диэлектрической проницаемостью включают идеальный вакуум, сухой воздух и наиболее чистые сухие газы, такие как гелий и азот. Материалы с умеренной диэлектрической проницаемостью включают керамику, дистиллированную воду, бумагу, слюду, полиэтилен и стекло.Оксиды металлов, как правило, обладают высокими диэлектрическими постоянными.

Основным преимуществом веществ с высокой диэлектрической постоянной, таких как оксид алюминия, является то, что они позволяют производить дорогостоящие конденсаторы с небольшим физическим объемом. Но эти материалы, как правило, не способны противостоять электростатическим полям, столь же сильным, как вещества с низкой диэлектрической проницаемостью, такие как воздух. Если напряжение на диэлектрическом материале становится слишком большим, то есть если электростатическое поле становится слишком сильным, материал внезапно начинает проводить ток.Это явление называется пробоем диэлектрика . В компонентах, в которых в качестве диэлектрической среды используются газы или жидкости, это состояние меняется на противоположное, если напряжение падает ниже критической точки. Но в компонентах, содержащих твердые диэлектрики, пробой диэлектрика обычно приводит к необратимым повреждениям.

Последний раз обновлялся в ноябре 2010 г.

Диэлектрическая проницаемость

Обратите внимание, что если вы щелкнете по диэлектрику (серый прямоугольник), вы сможете изменить его размер.Попробуйте заполнить пространство между пластинами диэлектриком.

Насколько эффективно диэлектрик позволяет конденсатору накапливать больше заряда, зависит от материала, из которого сделан диэлектрик. Каждый материал имеет диэлектрическую проницаемость κ. Это отношение поля без диэлектрика (E _o ) к чистому полю (E) с диэлектриком:

κ = E _или / E

E всегда меньше или равно E _o , поэтому диэлектрическая проницаемость больше или равна 1.Чем больше диэлектрическая проницаемость, тем больше заряда может храниться.

Полное заполнение пространства между пластинами конденсатора диэлектриком увеличивает емкость на коэффициент диэлектрической проницаемости:

C = κ C _o , где C _o — емкость без диэлектрика между пластинами.

Для конденсатора с параллельными пластинами, содержащего диэлектрик, полностью заполняющий пространство между пластинами, емкость определяется как:

C = κ ε _o A / d

Емкость максимальна, если диэлектрическая постоянная максимальна, а пластины конденсатора имеют большую площадь и расположены как можно ближе друг к другу.

Если бы в качестве диэлектрика вместо изолятора использовался металл, поле внутри металла было бы нулевым, что соответствовало бы бесконечной диэлектрической проницаемости. Однако диэлектрик обычно заполняет все пространство между пластинами конденсатора, и если бы металл сделал это, он закоротил бы конденсатор — поэтому вместо него используются изоляторы.

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.
  Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
  браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.
  Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie
потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт
не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к
остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Антикоррозийные водопроводные трубы

Специалисты по проектированию сантехники и подрядчики по проектированию и строительству традиционно разрабатывают водопроводные и трубопроводные системы, содержащие жидкости, в соответствии с требованиями к материалам, изложенными в нормах и правилах водоснабжения.В последнее время нержавеющая сталь была добавлена ​​в качестве нового материала в сантехнические нормы для трубопроводных систем домашнего водоснабжения. Нержавеющая сталь традиционно была более дорогим материалом для трубопроводов и не пользовалась большой поддержкой до тех пор, пока нержавеющая сталь по Списку 10 не использовалась вместо меди для более крупных проектов с экономическим преимуществом. Новый материал представляет собой лучший выбор, чем оцинкованная сталь, которая подвержена коррозии и проблемам с качеством воды. Нержавеющая сталь Schedule 10 также намного легче и проще в установке, чем трубы из оцинкованной стали Schedule 40, что обеспечивает экономию трудозатрат и затрат на установку.

Однажды я осмотрел здание, где подрядчик установил водопровод из нержавеющей стали без установки диэлектрических соединений между нержавеющей сталью и медью. Подрядчик не считал медь и нержавеющую сталь разными металлами, а нержавеющая сталь и медь — коррозионно-стойкими материалами, и поэтому диэлектрический соединитель или диэлектрический водовод не требовался.

Когда принято решение использовать водопровод из нержавеющей стали, очень важно понимать электродвижущий ряд металлов.При выборе любых двух разнородных металлов один будет действовать как анод и коррозировать, принося себя в жертву другому, более благородному металлу. Каждый металл имеет электрический потенциал, и чем дальше эти два металла находятся друг от друга на диаграмме электродвижущей серии металлов, тем более агрессивной может быть скорость коррозии для менее благородного материала.

Последние разработки в области строительства зданий заключаются в поиске более новых и менее дорогих материалов для бытовых водораспределительных трубопроводов, таких как нержавеющая сталь.Раньше водопроводные магистрали большого диаметра в бытовой системе водоснабжения были медными или оцинкованными. При любом изменении материала трубы между разнородными металлами должно быть диэлектрическое соединение и диэлектрический водопровод, чтобы минимизировать или исключить коррозию.

Специалисты-проектировщики и подрядчики должны понимать последствия замены трубных материалов. В данном случае был заменен водопровод из медной или оцинкованной воды на трубопровод из нержавеющей стали.Это привело к тому, что ответвления медных трубопроводов перешли из нейтрального положения с медной магистралью в анод для водопровода из нержавеющей стали. Вода начала становиться зеленой. Тестирование выявило высокий уровень меди, цинка и магния. Медная труба, латунные клапаны и фитинги действовали как анод и корродировали, принося себя в жертву трубе из нержавеющей стали, которая является более благородным металлом.

Раздел технических условий 220500, Требования к общим результатам работ по сантехнике

В параграфе, посвященном диэлектрическим фитингам, диэлектрические фитинги описываются как комбинированные фитинги из медного сплава и черных металлов с резьбовыми, паяными, гладкими или сварными концевыми соединениями, подходящими для материалов системы трубопроводов.Для этого требуется изоляционный материал, подходящий для рабочей среды системы, давления и температуры. Он также охватывает диэлектрические муфты заводского изготовления и устанавливает минимальное рабочее давление на уровне 180 F. Раздел также охватывает требования к давлению и температуре для диэлектрических фланцев с изолирующими втулками для болтов и изолирующих прокладок.

В большинстве кодов моделей также рассматриваются диэлектрические соединения при соединении разнородных металлов.

Коррозия очень распространена в системах водяных трубопроводов и может быть вызвана следующими условиями:

Low pH — Кислая вода с низким pH (ниже 7 по шкале pH) может вызвать коррозию.Чем ниже pH, тем агрессивнее может быть вода. Вода с более высоким pH может увеличить электрическую проводимость воды, что приведет к гальванической коррозии, если разнородные металлы соединены напрямую. Как правило, идеальный pH немного выше 7.

Высокоскоростная эрозионная коррозия — Эрозионная коррозия — это увеличение скорости разрушения металла в результате абразивного или эрозионного воздействия из-за высокоскоростного потока воды в трубе. Эрозию можно определить по канавкам и закругленным отверстиям, которые обычно гладкие и имеют турбулентную питтинговую структуру, направленную или плавную структуру.Эрозионная коррозия вызывается высокими скоростями потока воды и может усиливаться за счет взвешенных твердых частиц, которые могут действовать как пескоструйная очистка.

Эрозия часто локализуется в областях, где вода меняет направление, и наблюдается увеличение скорости, связанное с турбулентностью, следствием препятствий или концентрированного потока из сопла. Повреждение от эрозии обычно проявляется на коленях и возле балансировочных клапанов, где наблюдается повышенная скорость потока, а стенки труб изнашиваются и начинают протекать. Если не решить проблему высокой скорости как можно скорее, это может вызвать серьезное повреждение всей системы циркулирующих трубопроводов.Кавитация (повреждение из-за образования и схлопывания пузырьков в высокоскоростных турбинах, рабочих колесах или гребных винтах насосов и т. Д.) Является формой эрозионной коррозии. Его внешний вид похож на близко расположенные ямки, хотя поверхность обычно шероховатая. Высокоскоростная эрозия — частый источник проблем в системе водяных трубопроводов в системах циркуляции горячей воды, где насос слишком большой или система не сбалансирована должным образом.

Высокая температура воды — Высокая температура воды может увеличить скорость биологического роста и химическую коррозию.

По данным Ассоциации разработчиков меди, высокие температуры в медных трубах могут вызвать эрозию при скорости потока, превышающей 5 футов в секунду (fps), для температуры системы горячего водоснабжения до 140 F. При повышении температуры максимальный рекомендуемый поток скорость падает. Ассоциация производителей меди рекомендует максимальную скорость потока 2-3 фута в секунду для воды выше 140 F.

За прошедшие годы я разработал диаграмму скорости для систем горячего водоснабжения, которая немного более развита, чем рекомендации Ассоциации производителей меди.

Я бы предложил использовать следующие скорости потока горячей воды в медных водопроводных системах для предотвращения эрозии стенок медных труб:

• Максимальная скорость холодной воды = 8 кадров в секунду
• Горячая вода до 140 F максимальная скорость = 5 кадров в секунду
• Горячая вода выше 140 F до 150 F максимальная скорость = 4 кадра в секунду
• Горячая вода от 150 F до 160 F максимальная скорость = 3 кадра в секунду
• Горячая вода выше 160 F максимальная скорость = 2 кадра в секунду

Кислород и растворенный диоксид углерода или другие газы. Кислород и растворенный CO2 или другие газы могут способствовать коррозии трубопроводных систем бытового водоснабжения.

Твердые вещества с высоким содержанием растворенных веществ. Твердые вещества с высоким содержанием растворенных веществ, такие как соли и сульфаты, также могут способствовать химической или биохимической коррозии.

Массовое отношение хлорида к сульфату (CMSR) — Если массовое отношение или массовое отношение хлорида к сульфату (CMSR) хлорида к сульфату больше 0,2, но меньше 0,5, существует немного повышенное беспокойство, но если CMSR больше, чем 0,5, а щелочность воды составляет менее 50 мг карбоната кальция (CaCO3) на литр (л), это должно вызывать беспокойство, поскольку побочные продукты химикатов для очистки воды могут вызывать коррозию водопроводной системы.

Бактерии, связанные с коррозией — Коррозия, связанная с микробиологически вызванной коррозией, может возникать, если количество бактерий на чашках определяется высоким стандартом. Электрохимическая коррозия может привести к точечным утечкам, изолированной коррозии, эстетическим проблемам с качеством воды. Наличие взвешенных твердых частиц, таких как песок, отложения, побочные продукты коррозии и ржавчина, может способствовать физической коррозии и повреждению, а также способствовать химической и биохимической коррозии. Это не было проблемой в данной системе.

Типы коррозии — образование анодных и катодных участков, необходимых для возникновения коррозии, может происходить по любой из ряда причин: разнородные материалы трубопроводов, примеси в металлических отливках, локальные напряжения, различия в размере или составе зерен металла, неоднородности на поверхности. поверхность и различия в окружающей среде (например, температура, концентрация кислорода или соли). Когда эти локальные различия невелики, а анодные и катодные участки могут перемещаться с места на место на поверхности металла, коррозия становится однородной.При равномерной коррозии загрязнение или окисление поверхности обычно является более серьезной проблемой, чем отказ оборудования.

Локальная коррозия — Локальная коррозия возникает, когда анодные участки остаются неподвижными, и представляет собой более серьезную промышленную проблему. Формы локальной коррозии включают точечную коррозию, избирательное выщелачивание (например, децинкование), гальваническую коррозию, щелевую коррозию или коррозию под отложениями, межкристаллитную коррозию, коррозионное растрескивание под напряжением и коррозию, вызванную микробиологическими факторами. Другой формой коррозии, которую нельзя точно классифицировать как равномерную или локализованную, является эрозионная коррозия, вызванная высокоскоростной турбулентностью около колен или клапанов.

Язвенная коррозия — Язвенная коррозия — это одна из разрушительных форм коррозии, а также одна из самых трудно предсказуемых в лабораторных испытаниях. Точечная коррозия возникает, когда анодные и катодные участки становятся неподвижными из-за больших различий в состоянии поверхности. Точечная коррозия может возникнуть из-за прослойки покрытий. Обычно этому способствуют низкоскоростные или застойные условия (например, охлаждение со стороны кожуха) и присутствие хлорид-ионов. После образования ямы раствор внутри нее изолируется от окружающей среды и со временем становится все более агрессивным.Высокая скорость коррозии в яме вызывает избыток положительно заряженных катионов металлов, которые притягивают хлорид-анионы. Кроме того, при гидролизе образуются ионы водорода (H +). Повышение кислотности и концентрации внутри ямы способствует еще более высокой скорости коррозии, и процесс становится самоподдерживающимся. Ингибиторы коррозии можно использовать для контроля точечной коррозии, но они должны быть одобрены для использования в бытовых системах водоснабжения и применяться правильно.

Селективное выщелачивание / децинкование — Селективное выщелачивание — это коррозия одного элемента сплава.Наиболее распространенным примером в системах водоснабжения зданий является обесцинкование, то есть селективное удаление цинка из медно-цинковых (латунных) сплавов. Условия, которые способствуют питтингу стали, также способствуют питтингу латуни, который в системах водоснабжения зданий обычно происходит в результате децинкификации. Обезцинкование является обычным явлением для латунных клапанов и фитингов из желтой латуни (с содержанием присадочных металлов цинка, алюминия, мышьяка, сурьмы, фосфора и других присадочных металлов более 15 процентов в расплавленной смеси латуни).Обесцинкование распространено в дешевых импортных литых латунных фитингах из желтой латуни. Коды недавно изменились, чтобы перестать использовать термин «латунь»; теперь они называют латунь «медными сплавами». Условия с низким pH и высоким содержанием свободного хлора особенно агрессивны при обесцинковании. Под микроскопом желтая латунь, подвергшаяся децинковке, выглядит как губка. Желтая латунь становится хрупкой по мере коррозии наплавочного металла. Гидравлический удар или скачки давления, вызывающие смещение труб может привести к поломке фитингов или клапанов из желтой латуни и стать причиной утечек или затопления.Стойкость к обесцинкованию зависит от сплава. Чем меньше цинка и других присадочных металлов в готовом продукте, тем лучше будет сплав с устойчивостью к коррозии, вызванной децинкованием.

Гальваническая коррозия — Гальваническая коррозия возникает, когда два разнородных металла находятся в контакте друг с другом и в контакте с водным раствором, который позволяет электрическому току течь между двумя разнородными металлами. (см. рисунок №1) Контакт должен быть достаточно хорошим, чтобы проводить электричество, и оба металла должны подвергаться воздействию раствора.Движущей силой гальванической коррозии является разность электрических потенциалов, возникающая между двумя металлами. Эта разница увеличивается по мере увеличения расстояния между металлами в гальваническом ряду металлов. В приведенном ниже списке металлов показана гальваническая серия для некоторых коммерческих металлов и сплавов. Когда два металла из серии контактируют в жидком растворе, скорость коррозии более активного (анодного) металла увеличивается, а скорость коррозии более благородного (катодного) металла уменьшается.Используя эту концепцию, инженеры-коррозионеры использовали протекторные аноды из магния с медными выводами, приваренными к подземным металлическим конструкциям, для защиты подземных металлических конструкций от коррозии. Первым коррозирует магниевый анод. Аноды можно проверять и заменять для постоянной защиты от коррозии.

В приведенном ниже списке показаны гальванические серии металлов и сплавов. Чем выше в этом списке находится металл, тем благороднее он будет. Чем больше расстояние между двумя металлами, тем больше будет электрический потенциал между двумя разнородными металлами и тем выше будет скорость коррозии менее благородного металла.Когда два металла из приведенного ниже списка соединены вместе в системе трубопроводов, и у них есть электропроводящая жидкость, такая как городская вода, в контакте с обоими металлами, через жидкость будет протекать ток от менее благородного материала (положительный заряд) к более благородный материал (отрицательный заряд). Там, где ток покидает менее благородный металл, в точке выхода тока из менее благородного материала происходит коррозия. Ток обычно больше, и коррозия больше ближе к точке контакта двух металлов.Это называется коррозионным аккумуляторным элементом. Это очень часто, когда два разнородных металла контактируют друг с другом и существует жидкость, которая позволяет току течь между двумя металлами. Когда два разнородных металла соединяются вместе в системе трубопроводов и в присутствии электролита, такого как вода, это позволяет электрическому току течь между двумя разными металлами. Чем больше разница в числе электрических потенциалов двух металлов, тем выше скорость коррозии менее благородного металла.Ток будет течь от металла с большим числом к ​​металлу с меньшим числом, вызывая коррозию вблизи стыка между двумя разнородными металлами. Мне не казалось, что это была серьезная проблема гальванической коррозии. Трубы, которые я исследовал, были явно размыты горячим водоснабжением с высокой скоростью.

Пример: Если оцинкованная труба (стальная труба с цинковым покрытием) соединена с медью, оцинкованная (цинковая) труба подвергнется коррозии и принесет в жертву меди. Если медь соединена с нержавеющей сталью типа 304, то медь подвергнется коррозии и принесет в жертву нержавеющую сталь.

Гальваническую коррозию можно контролировать с помощью расходуемых анодов, изоляции металлов от электрических цепей, защитных пластиковых покрытий или эпоксидных покрытий или с помощью ингибиторов коррозии. Правильное размещение расходуемых анодов — это точная наука.

Наиболее серьезная форма гальванической коррозии возникает в водопроводных системах или системах трубопроводов HVAC, которые содержат как медь, так и стальные сплавы и заполнены водой (электролитом). Диэлектрические соединения или диэлектрические водоводы или и то, и другое часто используются для прерывания потока электричества между двумя разнородными металлами в электролите для предотвращения протекания тока, вызывающего гальваническую коррозию.

Негабаритные рециркуляционные насосы для горячей воды часто вызывают циркуляцию горячей воды с высокой скоростью по трубопроводу, что вызывает эрозию стенки трубы и утечки воды. (См. Приложение «A» Таблица размеров трубы — Размер трубы, Потери на трение / 100 футов, Скорость FPS, Расход GPM)

Трубопровод из нержавеющей стали для вашего следующего проекта, но важно убедиться, что медь и нержавеющая сталь изолированы, чтобы предотвратить коррозию медных труб и латунных клапанов.

Учебное пособие: Диэлектрический отклик в металле | Кирилл Белащенко Группа

Учебное пособие: Диэлектрический отклик в металле | Группа Кирилла Белащенко | Небраска

1. (3 балла) Рассмотрим металл, в котором ток проводимости («свободный ток») определяется выражением \ (\ mathbf {j} _ \ omega = \ sigma (\ omega) \ mathbf {E} _ \ omega \) (нижний индекс \ (\ omega \) означает комплексную амплитуду), в то время как ток из-за «связанных электронов» складывается в поляризацию \ (\ mathbf {P} \) через диэлектрическую проницаемость \ (\ epsilon_b (\ omega) \) .Покажите, что уравнения Максвелла можно переформулировать в терминах полной диэлектрической проницаемости \ (\ epsilon = \ epsilon_b + i \ sigma (\ omega) / \ omega \), установив «свободный ток» равным нулю. (Напомним, что поляризация — это вспомогательная, ненаблюдаемая величина, и разделение полного тока на «свободные» и «связанные» части — выбор произвольный.) В этом контексте слово «диэлектрик» утратило свое первоначальное значение.
2. (1 балл) Обратите внимание, что в низкочастотной характеристике хорошего металла преобладают электроны проводимости.
3. (2 балла) Рассмотрим модель Друде: электроны ускоряются электрическим полем, а их импульс рассеивается с временем релаксации \ (\ tau \). Напишите уравнение движения электрона (\ (\ dot {\ mathbf {p}} = \ cdots \)) с учетом этих двух процессов. Предположим, что магнитное поле отсутствует.
4. (2 балла) Возьмите монохроматическое поле с амплитудой \ (\ mathbf {E} _ \ omega \) и найдите комплексную амплитуду \ (\ mathbf {p} _ \ omega \) для импульса электрона из уравнения движения.⋆ \ mathbf {v} \), вставьте результат шага 4 и вычислите частотно-зависимую проводимость, определенную на шаге 1. Обратите внимание, что проводимость реальна и близка к своему статическому пределу в \ (\ omega \ tau \ ll 1 \), но становится чисто мнимой в \ (\ omega \ tau \ gg 1 \).
5. (4 балла) Время релаксации электронов проводимости в меди при комнатной температуре составляет порядка 30 фс. Оцените частоту разделения двух режимов, определенных в конце шага №5. В каком диапазоне он находится (радио, микроволновая печь, инфракрасный, видимый)? Оцените соответствующую длину волны и энергию фотона (в эВ).
6. (3 балла) Рассмотрим диапазон частот, где \ (\ omega \ tau \ ll 1 \). Используйте волновое уравнение с диэлектрической проницаемостью, найденной на шаге 1, постоянной магнитной проницаемостью \ (\ mu \) и соответствующим предельным значением для \ (\ sigma (\ omega) \), чтобы найти волновой вектор электромагнитной волны внутри металл. У вас должно получиться комплексное число с равными действительной и мнимой частями.
7. (2 балла) Задайте глубину скин-слоя \ (\ delta = 1 / \ mathop {\ mathrm {Im}} k \), которая дает глубину, на которую волна проникает в металл.Как это зависит от частоты?
8. (4 балла) Рассмотрим хороший металл, например медь или алюминий, с удельным сопротивлением около 2 \ (\ mu \ Omega \ cdot \) см. Оцените глубину скин-слоя на обоих концах микроволнового диапазона (300 МГц — 300 ГГц или длины волн от 1 м до 1 мм). Сравните глубину скин-слоя с длиной волны в вакууме. Каков диапазон параметра \ (\ omega \ tau \) для этих частот?
9. (3 балла) Обратите внимание, что макроскопическое определение проводимости (используемое на этапе №1) может использоваться только до тех пор, пока глубина скин-слоя велика по сравнению с длиной свободного пробега электронов.(Если это условие нарушается, возникает аномальный скин-эффект, и требуется более сложный анализ.) Длина свободного пробега \ (l \) может быть оценена из \ (l = v_F \ tau \), где \ (v_F \) — скорость Ферми, обычно порядка 1/100 скорости света. Возьмите \ (\ tau \) в Cu при комнатной температуре из шага №6, оцените \ (l \) и сравните его с глубиной скин-слоя, найденной в шаге №9. Заключение?
10. (8 баллов) В пределе \ (\ omega \ tau \ ll 1 \) используйте уравнения Френеля для нормального падения, чтобы показать, что коэффициент отражения хорошего металла в этом диапазоне приблизительно равен \ (R = 1-2 \ omega \ delta / c \), где \ (\ omega \ delta / c \ ll 1 \).
11. (6 баллов) В отличие от шага 7, рассмотрим противоположный случай \ (\ omega \ tau \ gg 1 \). Покажите, что диэлектрическая проницаемость приблизительно действительна и отрицательна до определенной пороговой частоты, выше которой оказывается положительной. Этот порог называется плазменной частотой. Рассмотрим волновой вектор в металле ниже и выше этого порога. Что это означает о распространении электромагнитных волн через металл?

.