Основы технической диагностики локомотивов
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 16 Марта 2013 в 08:26, контрольная работа
Описание работы
Задача 2 Наименование проводникового материала. По предпоследней цифре Алюминий. Поп последней цифре Константан
Задание: Дайте определение проводника. Приведите практическую классификацию проводниковых материалов. Назовите основные параметры проводников и кратко поясните их физический смысл. Для заданных материалов приведите
числовые значения этих параметров. Кратко опишите сами материалы, расскажите области применения.
Файлы: 1 файл
Вариант 167
Задача 2
Наименование проводникового материала
По предпоследней цифре Алюминий
Поп последней цифре Константан
Задание:
Дайте определение проводника. Приведите практическую классификацию
проводниковых материалов. Назовите основные параметры проводников и
кратко поясните их физический смысл. Для заданных материалов приведите
числовые значения этих параметров. Кратко опишите сами материалы,
расскажите области применения.
Проводни́к— тело, в котором имеются свободные носители заряда, то
есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этого
тела.
Среди
наиболее
распространённых
твёрдых
проводников
известны металлы, полуметаллы, углерод (в виде угля и графита).
Классификация проводниковых материалов
-материалы высокой проводимости;
-материалы с высоким удельным сопротивлением для резисторов и точных
приборов;
-жаростойкие материалы;
-контактные материалы;
-сверхпроводники и криопроводники
В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как
твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы.
Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твердыми
проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы.
Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены металлы
высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление при нормальной
температуре не более 0,05 мкОм·М, и сплавы высокого сопротивления с при
нормальной температуре не менее 0,3 мкОм·м. Металлы высокой проводимости
используются для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток
электрических машин и трансформаторов и т. п. Металлы и сплавы высокого
сопротивления
применяются
для
изготовления
резисторов,
электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т, п.
Особый интерес представляют обладающие чрезвычайно малым удельным
сопротивлением при весьма низких (криогенных) температурах материалы -
сверхпроводники и гиперпроводники.
К жидким, проводникам относятся расплавленные металлы и различные
электролиты. Для большинства металлов температура плавления высока (см.
табл. 2-1, в которой приведены приблизительные значения важнейших
физических параметров ряда металлов, представляющих интерес для
электротехники); только ртуть, имеющая температуру плавления около минус 39
°С, может быть использована в качестве жидкого металлического проводника
при нормальной температуре. Другие металлы являются жидкими проводни-
ками при повышенных температурах.
Механизм прохождения тока в металлах — как в твердом, так и в жидком
состоянии—обусловлен движением (дрейфом) свободных электронов под
воздействием электрического поля; поэтому металлы называют проводниками с
электронной
электропроводностью
или
проводниками,
первого
рода.
Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы (в
частности, водные) кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти
вещества связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов в
соответствии с законами Фарадея, вследствие чего состав электролита
постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза.
Ионные кристаллы в расплавленном состоянии' также являются проводниками
второго рода. Примером могут служить соляные закалочные ванны с
электронагревом.
Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях
электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность
поля превзойдет некоторое критическое значение, обеспечивающее начало
ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с электронной и
ионной проводимостью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа
электронов числу положительных ионов в единице объема представляет собой
особую проводящую среду носящую название плазмы.
Таблица 2.1
Главнейшие усредненные свойства металлов при температуре 20°С
Алюминий является вторым по значению (после меди) проводниковым
материалом. Это важнейший представитель так называемых легких металлов
(т. е. металлов с плотностью менее 5 Мг/м
3
): плотность литого алюминия около
2,6, а прокатанного — 2,7 Мг/м
3
. Таким образом, алюминий приблизительно в
3,5 раза легче меди. Температурный коэффициент расширения рисунок 2.1,
удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем меди.
Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления для
нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное
состояние требуется большая затрата тепла, чем для нагрева и расплавления
такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем
меди.
Рисунок 2.1 – Зависимость температурного коэффициента
линейного расширения от температуры
Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойствами - как
механическими, так и электрическими. При одинаковых сечении и длине
электрическое сопротивление алюминиевого провода больше, чем медного, в
0,028 : 0,0172 = 1,63 раза. Следовательно, чтобы получить алюминиевый провод
такого же электрического сопротивления, как и медный, нужно взять его
сечение в 1,63 раза большим, т. е. его диаметр должен быть в √1,63 ≈ 1,3
раза больше диаметра медного провода. Отсюда понятно, что если мы
ограничены габаритами, то замена меди алюминием затруднена. Если нее
сравнить по массе два отрезка алюминиевого и медного проводов одной длины
и одного и того же сопротивления, то окажется, что алюминиевый провод хотя
и толще медного, но легче его приблизительно в два раза:
8,9
2,7 ∙ 1,65
≈ 2.
Поэтому для изготовления проводов одной и той же проводимости при
данной длине алюминий выгоднее меди в том случае, если тонна алюминия
дороже тонны меди не более чем в два раза. Весьма важно, что алюминий менее
дефицитен, чем медь. В настоящее время алюминий не только заменил медь
в воздушных линиях электропередачи, но внедряется и в производство
изолированных кабельных изделий.
Для электротехнических целей используют алюминий, содержащий не
более 0,5% примесей, марки А1. Еще более чистый алюминий марки AB00 (не
более 0,03% примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги,
электродов и корпусов электролитических конденсаторов. Алюминий
наивысшей чистоты AB0000 имеет содержание примесей, не превышающее
0,004%. Разные примеси в различной степени снижают удельную
проводимость у алюминия. Добавки Ni, Si, Zn или Fe при содержании их 0,5%
снижают у отожженного алюминия не более чем на 2—3%. Более заметное
действие оказывают примеси Си, Ag и Mg, при том же массовом содержании
снижающие у алюминия на, 5—10%. Очень сильно снижают у алюминия
добавки Ti и Мn.
Прокатка, протяжка и отжиг алюминия аналогичны соответствующим
операциям над медью. Из алюминия может прокатываться тонкая (до 6—7
мкм) фольга, применяемая в качестве обкладок в бумажных и пленочных
конденсаторах. Так же алюминий обладает защитными (от ионизирующей
радиации) свойствами.
Алюминий весьма активно окисляется и покрывается тонкой оксидной
пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет
алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное
сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов и делает
невозможной пайку алюминия обычными методами. Для пайки алюминия
применяются специальные пасты-припои или используются ультразвуковые
паяльники. В местах контакта алюминия и меди возможна гальваническая
коррозия. Если область контакта подвергается действию влаги, то возникает
местная гальваническая пара с довольно высоким значением э. д. с, причём
полярность этой пары такова, что на внешней поверхности контакта ток идет от
алюминия к меди и алюминиевый проводник может быть сильно разрушен
коррозией. Поэтому места соединения медных проводников с алюминиевыми
должны тщательно защищаться от увлажнения (покрытием лаками и тому
подобными способами).
Иногда, например для замены свинца в защитных кабельных оболочках,
используется алюминий с содержанием примесей не более 0,01 % (вместо
0,5% для обычного проводникового алюминия). Такой особо чистый алюминий
сравнительно с обычным более мягок и пластичен и притом обладает
повышенной стойкостью по отношению к коррозии.
А л ю м и н и е в ы е с п л а в ы обладают повышенной механической
прочностью. Примером такого сплава является альдрей, содержащий 0,3—
0,5% Mg, 0,4—0,7% Si и 0,2—0,3% Fe (остальное А1), Высокие механические
свойства альдрей приобретает после особой обработки (закалка катанки,
охлаждение в воде с температуры 510—550° С, волочение и последующая
выдержка при температуре около 150° С). В альдрее образуется соединение
Mg
2
Si, которое сообщает высокие механические свойства сплаву; при
указанной выше тепловой обработке достигается выделение Mg
2
Si из твердого
раствора в алюминии и перевод его в тонкодисперсное состояние. Альдрей в
виде проволоки имеет плотность 2,7 Мг/м
3
, его = 350 МПа, Δ / = 6,5%;
= 23 ∙ 10
, = 0,0317 мкОм∙м,
= 0,0036 К
-1
. Таким образом, альдрей,
практически сохраняя легкость .алюминия и будучи довольно близким к нему
по удельной проводимости, в то же время по механической прочности
приближается к:твердотянутой меди. В настоящее время разработаны
алюминиевые сплавы типа альдрея, не требующие термической обработки.
Стал а л ю м и н и е в ы й провод, широко применяемый в линиях
электропередачи, представляет собой сердечник, свитый из стальных жил и
обвитый снаружи алюминиевой проволокой. В проводах такого типа
механическая
прочность
определяется
главным
образом
стальным
сердечником, а электрическая проводимость — алюминием. Увеличенный
наружный диаметр сталеалю-миниевого провода по сравнению с медным на
линиях передачи высокого напряжения является, преимуществом, так как
уменьшает
опасность
возникновения
короны
вследствие
снижения
напряженности электрического поля на поверхности провода На рисунке 2.3
приведены некоторые данные сталеалюминиевого провода марки АС
Рисунок 2.3 - Зависимость полного сечения сталеалю-миниевого провода
марки АС (кривая 1), сечения стального сердечника (2) и активного
электрического сопротивления (при Частоте 50 Гц) единицы длины провода
(3) отвнешнего, диаметра провода D
Константан
Общие сведения. При использовании сплавов высокого сопротивления
для электроизмерительных приборов и образцовых резисторов, помимо
высокого удельного сопротивления , требуются также высокая стабильность
во времени, малый температурный коэффициент удельного сопротивления
р
и малый коэффициент термо-э. д. с. в паре данного сплава с медью. Сплавы
для электронагревательных элементов должны длительно работать на воздухе
при высоких температурах (иногда до 1000° С и даже выше). Кроме того, во
многих случаях требуется технологичность сплавов — возможность
изготовления из них гибкой проволоки, иногда весьма тонкой (диаметром
порядка сотых долей миллиметра). Наконец, желательно, чтобы сплавы,
используемые для приборов, производимых в больших количествах —
реостатов, электроплиток, электрических чайников, паяльников и т. п. — были
дешевыми и по возможности не содержали дефицитных компонентов.
Константин — сплав, содержащий около 60% меди и 40% никеля; этот
состав отвечает минимуму
р
в системе Сu — Ni при довольно высоком
значении . Название «константан» объясняется значительным постоянством
при изменении температуры (для сплавов типа константана
р
при нормальной
температуре составляет минус (5—25) · 10
-6
К
-1
при = 0,48÷ 0,52 мкОм.м).
По механическим свойствам константан близок к манганину (
р
= 400÷500
МПа, Δl/l= 20÷40%). Его плотность 8,9 Мг/м
3
.
Нагревостойкость константана выше, чем манганина: константан можно
применять для изготовления реостатов и электронагревательных элементов,
длительно работающих при температуре 450° С.
Существенным отличием константана от манганина является высокая термо-
э. д. с. константана в паре с медью, а также с железом: его коэффициент
термо-э. д. с. в паре с медью составляет 45÷55 мкВ/К. Это является
недостатком при использовании константановых резисторов в измерительных
схемах; при наличии разности температур в местах контакта константановых
проводников с медными возникают термоэлектродвижущие силы, которые
могут
явиться
источником
ошибок,
особенно при
мостовых
и
потенциометрических методах измерений. Зато константан с успехом может
быть использован при изготовлении термопар, служащих для измерения
температуры, если последняя не превышает нескольких сотен градусов.
Широкому применению константана препятствует большое содержание в его
составе дорогого и дефицитного никеля.
Задача 3
Наименование проводникового материала и прибора
По предпоследней цифре Кремний
Поп последней цифре Диод
Задача
Дайте определение полупроводника. Приведите классификацию
полупроводниковых материалов. Укажите от каких факторов зависит
электропроводность полупроводников. Кратко опишите заданный материал,
укажите
области
его
использования.
Укажите
назначение
полупроводникового прибора опишите принцип его действия. Укажите
полупроводниковые материалы используемые в данном приборе
Решение
Общие сведения о полупроводниках
Большая группа веществ с электронной электропроводностью, удельное
сопротивление которых при нормальной температуре лежит между удельными
сопротивлениями проводников и диэлектриков, как это видно из таблицы 3.1,
может быть отнесена
к полупроводникам.
Электропроводность
-
полупроводников. в сильной степени зависит, от внешних энергетических
воздействий, а также от различных примесей, иногда в ничтожных количествах
присутствующих в теле собственного полупроводника.
Таблица 3.1
Удельное сопротивление электротехнических материалов
различных классов при 20° С и постоянном напряжении
Управляемость электропроводностью полупроводников посредством
температуры, света, электрического поля, механических усилий положена в
основу принципа' действия соответственно терморезисторов (термисторов),
фоторезисторов, нелинейных резисторов (варйсторов), тензорезисторов, и т. д.
Наличие у полупроводников двух типов электропроводности электронной
(п) и электронно-дырочной (р) позволяет получить полупроводниковые
изделия с р-n переходом, Сюда относятся различные типы как мощных, так и
маломощных выпрямителей, усилителей и генераторов. Полупроводниковые
системы могут быть с успехом использованы для преобразования различных
видов энергии в энергию электрического тока с такими значениями
коэффициента
преобразования,
которые
делают
полупроводниковые
преобразователи сравнимыми с существующими преобразователями других
типов, а иногда и превосходящими их. Примерами полупроводниковых'
преобразователей могут служить солнечные батареи и термоэлектрические
генераторы. При помощи полупроводников можно получить и охлаждение на
несколько десятков градусов. В последние годы особое значение приобрело
рекомбинационное свечение при низком напряжении постоянного тока
электронно-дырочных переходов для создания сигнальных источников света
и устройств вывода информации из счетно-вычислительных машин.
Полупроводники могут служить также нагревательными элементами
(силитовые стержни), с их помощью можно возбуждать катодное пятно в
игнитронных
выпрямителях
(игнитронные
поджигатели.),
измерять
напряженность магнитного поля (преобразователи Холла), они могут быть
индикаторами радиоактивных излучений и т. д.
Использующиеся в практике полупроводниковые материалы могут быть
подразделены на простые полупроводники (элементы), полупроводниковые
химические
соединения
и
полупроводниковые
комплексы
(например,
керамические полупроводники). В настоящее время изучаются также
стеклообразные и жидкие«полупроводники. Простых полупроводников
существует около десятка, они приведены в таблице 3.2.
Таблица 3.2
Простые электронные полупроводники
В современной технике особое значение приобрели кремний, германий и
частично селен. Полупроводниковыми химическими соединениями являются
соединения
элементов
различных
групп
таблицы
Менделеева,
соответствующие общим формулам A
IV
B
IV
(например,. SiC), A
HI
B
V
(InSb,
GaAs, GaP и.т. д.), A
n
B
VI
(CdS, ZnSe и др.), а также некоторые оксиды
(например, Cu
2
0) и вещества сложного состава. К полупроводниковым
комплексам можно отнести материалы с полупроводящей или проводящей
фазой из карбида кремния, графита и т.п., сцепленных керамической или
другой связкой. Наиболее распространенными из них являются тирит, силит и
др.
Изготовленные из полупроводниковых материалов приборы обладают
рядом преимуществ, к ним относятся:- 1) большой срок службы, 2) малые
габариты и масса, 3) простота и надежность конструкции, большая
механическая прочность (не боятся тряски и ударов), 4) отсутствие цепей
накала при замене полупроводниковыми приборами электронных ламп,
потребление малой мощности и малая инерционность, 5) экономичность при
массовом производстве.
Дальнейшее развитие электроники твердого тела позволило перейти от
дискретных полупроводниковых приборов к созданию и освоению
производством узлов электронной аппаратуры и схем устройств и приборов в
целом. Это прогрессивное направление техники, получило название
микроэлектроники. Научной задачей, решаемой с помощью микроэлектроники,
является создание сложнейших кибернетических систем для использования в
народном хозяйстве, для освоения космоса, для исследований в области био-
логии и медицины. Техническая задача микроэлектроники сводится к
дальнейшему сокращению размеров и массы электронной аппаратуры,
увеличению плотности монтажа при одновременном повышении ее
долговечности и надежности. Осуществить это возможно только на основе
резкого сокращения затрат мощности в электронных схемах на
полупроводниковых элементах. Экономическая задача микроэлектроники
заключается в существенном сокращении потребности в материалах,
трудоёмкости и капитальных вложений в производство электронной
аппаратуры и приборов, в перевозку деталей и аппаратуры, а также в
снижении энергетических затрат при ее производстве и эксплуатации.
Кремний
Кремний, как и германий, относится к ковалентным кристаллам
четвертой группы таблицы Д. И. Менделеева и имеет кубическую решетку
типа алмаза. Это один из наиболее распространенных элементов земной коры
(около 26%).
Таблица 3.3
Свойства полупроводников
Кремний получают чаще всего восстановлением парами цинка
четыреххлористого кремния (SiCl
4
— легколетучая жидкость) при температуре
порядка 1000° С в защиной атмосфере. Дальнейшая обработка кремния
похожа на обработку германия, но сопряжена с большими технологическими
трудностями, так как температура плавления кремния (см. табл. 3.3)
значительно выше температуры плавления германия и близка к температуре
размягчения кварцевого стекла; трубы из такого стекла применяют при
операциях зонной плавки и очистки.
Кроме того следует помнить, что кремний реагирует с углеродом, а
потому зонную плавку его ведут без графитовых лодочек, при вертикально
расположенных образцах (рис. 8-19). При зонной плавке нижняя часть образца
не отрывается от верхней вследствие большого поверхностного натяжения
жидкого кремния, указанного в таблице 3.3, В этой же таблице приведены и
другие физические свойства кремния.
Рисунок 3.1. Схема бестигельной зонной плавки кремния
1 — держатели слитка, 2— слиток кремния,. 3 — расплавленная зона, 4 —
передвигающийся виток контура высокочастотного генератора
Коэффициент диффузии различных примесей в кремнии в зависимости от
температуры показан на рисунке 3.2. Электропроводность кремния, как и
германия, очень сильно зависит от присутствия примесей. На рис. 3.3
приведена зависимость удельного сопротивления электронного и дырочного
кремния от концентрации носителей заряда, а на рис. 3.4 температурная
зависимость удельного сопротивления электронного кремния. Аналогичные
кривые получаются и для кремния с дырочной электропроводностью.
В настоящее время кремний является основным материалом для
изготовления
полупроводниковых
приборов:
диодов,
транзисторов,
фотоэлементов, тензопреобразователей и твердых схем микроэлектроники. При
использовании кремния верхний предел рабочей температуры может
составлять, в.зависимости от степени очистки материала., 120—200° С, что
значительно выше, чем для германия.
Рисунок 3.2 - Зависимость коэффициента диффузии
различных примесей в кремнии от температуры
Рисунок 3.3 - Зависимость удельного сопротивления электронного и
дырочного кремния от концентрации носителей
Рисунок 3.4 - Зависимость удельной проводимости кремния от температуры и
концентрации фосфора (при комнатной температуре): 1,7·10
22
м
-3
(кривая 1),
2,7·10
23
м
-3
(2), 4,7·10
24
м
-3
(3) и .4,7·10
25
м
-3
(4)
Диод
Полупроводниковые диоды. Краткие сведения из физики
полупроводников. Принцип работы диода
Полупроводниковые вещества имеют кристаллическую структуру. Во
всех твердых веществах атомы неподвижны, т.к. закреплены в узлах
кристаллической решетки.
К таким веществам относятся четырехвалентные полупроводниковые
элементы: германий Ge, кремний Si, селен Se и некоторые химические
соединения (например, арсенид галия GaAs). Полупроводники, которые не
содержат
чужеродных атомов,
называются
беспримесными или
собственными полупроводниками. В собственных полупроводниках при
комнатной температуре под действием тепла возможна очень малая
проводимость этих материалов (т.к. создается и поддерживается
относительно невысокая, взаиморавная
концентрация электронов
проводимости и дырок; концентрация – это количество зарядов в единице
объема).
Дырка – это место в кристаллической решетке полупроводника, где
недостает электрона.
Чтобы полупроводниковый элемент был пригоден для создания
электронного устройства, в него необходимо добавить примесь. Введением в
полупроводник соответствующей примеси, т.е. легированием, можно резко
увеличить его электропроводность. Примесь обычно вводят с концентрацией
N=10
14
-10
17
в см
3
, что существенно превышает концентрацию электронов и
дырок проводимости в собственном полупроводнике. При такой
концентрации примеси один примесный атом приходится на 10
6
-10
8
атомов
основного вещества, содержащего в 1 см
3
около 10
23
атомов. Т.е. примеси
составляют примерно 1/10 млн долю вещества.
Существует два типа полупроводников c примесями: n–типа и p–типа.
Для получения полупроводника n–типа в него добавляют пятивалентный
химический элемент, например мышьяк As, фосфор Р, сурьму Sb и т.д. При
этом пятивалентные атомы примеси, располагаясь в узлах кристаллической
решетки основного вещества, обеспечивают (насыщают) четыре валентные
связи, пятый же валентный электрон, являясь лишним в структуре
ковалентных связей кристалла, оказываются относительно слабо связанным с
соответствующим узлом. Поэтому под действием тепла этот электрон
примесного атома отрывается от него и становится электроном
проводимости, а сам пятивалентный атом превращается в положительно
заряженный ион, который из-за сильных валентных связей с соседними
атомами не может свободно перемещаться по кристаллу и быть
переносчиком электрического заряда. Положительный ион – это атом,
потерявший электрон. Однако, в целом кристалл остается нейтральным, так
как положительно заряженные ионы полностью уравновешиваются
отрицательными зарядами электронов проводимости.
Такая примесь называется донорной. При введении такой примеси
концентрация электронов проводимости в кристалле возрастает и его
электропроводность приобретает электронный характер (электропроводность
n-типа). В обычных температурных условиях практически все примесные
атомы ионизируются, поэтому в равновесном состоянии полупроводника
концентрация электронов проводимости примерно равна концентрации
примеси.
Наряду с ионизацией доноров, поставляющих электроны проводимости,
в кристалле происходит термогенерация пар носителей зарядов: электронов
проводимости и дырок. Но дырки в среде с повышенной концентрацией
электронов проводимости интенсивно рекомбинируют с ними, поэтому их
время жизни, а соответственно и их концентрация оказываются много
меньше, чем в собственном полупроводнике.
Электроны проводимости в полупроводнике n-типа принято называть
основными носителями заряда, а дырки – неосновными носителями
заряда.
Если в качестве примеси взять трехвалентный химический элемент,
например индий In, галлий Ga, алюминий Al, бор В и т.д., то трехвалентный
атом, располагаясь в узле кристаллической решетки, сможет установить
(обеспечить) лишь три ковалентные связи с соседними атомами.
Отсутствующая четвертая валентная связь у трехвалентного атома,
расположенного в узле кристаллической решетки, относительно легко может
быть заполнена общим валентным электроном соседней пары атомов.
Трехвалентный примесный атом, захвативший дополнительный (четвертый)
валентный электрон,
превращается
в
неподвижный отрицательно
заряженный ион, а у соседней пары атомов, потерявших один валентный
электрон, возникает дырка. Отрицательный ион – это атом, получивший
электрон.
В
дальнейшем
дырка
под
действием
тепла,
путем
последовательного
перемещения
валентных электронов,
начинает
хаотически блуждать по всему кристаллу, становясь подвижным носителем
положительного заряда.
Такая примесь называется акцепторной. При введении такой примеси
концентрация дырок в кристалле возрастает и его электропроводность
приобретает дырочный характер (электропроводность р-типа). При обычных
температурах почти все примесные атомы ионизируются. В данном случае
основными носителями заряда являются дырки. А неосновными – электроны
проводимости, возникающие вследствие процесса термогенерации.
Электропроводность
полупроводника,
обусловленная
примесями,
называется примесной электропроводностью.
Т.о. в полупроводниках n–типа ток переносят отрицательно заряженные
частицы – электроны, а в полупроводниках p–типа – положительно
заряженные частицы – дырки. Перемещение дырок – это перемещение мест с
отсутствующими электронами в результате движения электронов.
Основой полупроводникового диода является двухслойная структура,
созданная на основе кристалла полупроводника, имеющего две области. В
одну область кристалла вводится донорная примесь (n- область), а в другую –
акцепторная (p- область). Структура полупроводникового диода имеет вид,
показанный на рис.1.
Рисунок 1 Структура полупроводникового диода
Граница раздела двух областей с различной проводимостью называется.
p-n переходом. В приграничных областях двух полупроводниковых сред с
различным типом проводимости происходит диффузионное перемещение
(взаимопроникновение)
подвижных
носителей
зарядов.
Дырки
диффундируют из p-области, где их много, в n-область, где их относительно
мало, а электроны проводимости, наоборот, из n-области в p-область. Из-за
встречной диффузии через p-n переход дырок (из р- в n- область) и
электронов (из n- в р- область) в тонком слое вблизи p-n перехода
происходит рекомбинация (взаимная компенсация) дырок и электронов
(дырки заполняются электронами). В результате между р- и n- областями
образуется так называемый обедненный слой, который имеет очень мало
свободных носителей заряда. Обедненный слой, лишенный свободных
носителей, ведет себя как изолятор.
Примечание: толщина p-n перехода зависит от концентрации примесей
в р- и n-областях (при несимметричном p-n переходе, когда концентрация
примеси в одной из областей больше, чем в другой, обедненный слой
практически располагается в области с малой концентрацией примеси).
Как только электроны покидают n- область, в ней начинает действовать
суммарный заряд лишних положительных ионов, который будет тянуть
свободные электроны обратно и препятствовать их движению в сторону р-n
перехода. Точно также, когда дырки покидают p- область, в ней начинает
действовать суммарный заряд лишних отрицательных ионов, который будет
тянуть свободные дырки обратно и препятствовать их движению в сторону р-
n перехода. Эти равные по абсолютной величине заряды неподвижных ионов
примесей оказываются не скомпенсированы и создадут по обе стороны p-n
перехода область объемного заряда – рис.1. Этот объемный заряд образует
потенциальный барьер. Потенциальный барьер затрудняет диффузию
основных носителей. Энергия носителей зарядов оказывается недостаточной,
чтобы преодолеть этот барьер, поэтому их диффузия прекращается.
Однако, потенциальный барьер создает благоприятные условия для
перехода неосновных носителей из одной области в другую. Так, некоторые
электроны проводимости полупроводника р-типа, совершая беспорядочное
тепловое движение, подходят к границе обедненного слоя, где их
захватывает ускоряющее электрическое поле, и они переходят в n-область.
То же самое происходит с дырками полупроводника n-типа, которые
аналогичным способом переходят в р-область. Этот ток называют тепловым
током Iт=Iтр+Iтn.
Если к полупроводниковому диоду приложить внешнее напряжение так,
чтобы его положительный потенциал присоединен к p-слою, то дырки и
электроны будут как бы отталкиваются источником внешнего напряжения в
сторону р-n перехода. Переход основных носителей зарядов через границу
(электронов из n-слоя и дырок из p-слоя) и их взаимная компенсация
возрастают, потенциальный барьер уменьшается. Следовательно, через диод
будет протекать ток. Источник будет поставлять в n-слой новые электроны, а
в p-слое создавать новые дырки.
При обратном знаке напряжения электроны притягиваются к
положительному потенциалу источника, а дырки к отрицательному,
потенциальный барьер в области p-n перехода увеличивается, переход
зарядов через границу почти прекращается, ток через диод очень мал.
+
+
_
Этот ток обусловлен тепловым разрушением ковалентных связей в
обоих слоях и образованием пар электрон-дырка. Эти неосновные носители
(электроны в p-слое и дырки в n-слое) имеют такой знак заряда, который
способствует их прохождению через переход.
Полупроводниковый диод – это своеобразный конденсатор: области n и
p можно рассматривать как обкладки конденсатора, а p-n переход – как
изолятор между обкладками. Различают диффузионную (при прямом
приложенном напряжении) и барьерную (при обратном напряжении) емкости
диода. Емкость полупроводникового диода – это бесплатное приложение к
его основному свойству – к односторонней проводимости. Во многих
случаях это свойство является вредным, т.к. ухудшает работу диода на
высоких частотах, в импульсных режимах и обуславливает его
инерционность.
Изображение диода на электрической схеме показано на рис. 2. Вывод p-
слоя называется анодом (А). Вывод n-слоя называется катодом (К).
Включение диода в простейшую электрическую цепь показано на рис. 3,
4. На рис.3 диод является проводником, поэтому в цепи должен быть
элемент, ограничивающий ток. Таким элементом является резистор Rн. Ток
через него равен: I=(U U
пр
)/Rн. U
пр
0, поэтому I=U/Rн; U
Rн
=IRн=U.
При обратном включении диода через него протекает незначительный
обратный ток. Для диодов на малые токи обратный ток может составлять
десятки нА, у больших диодов десятки mА. Схема при обратном
включении диода представлена на рис. 4. Для нее U=U
Rн
+U
обр
, U
Rн
=I
обр
R
н
0,
т.к. I
обр
0, поэтому U=U
обр
.
Часто диод включен в схему, где приложенное напряжение является
переменным. Виды этих напряжений:
1. Синусоидальное, показано на рис. 5.
2. Прямоугольное, показано на рис.6
3. Треугольное.
4. Экспоненциальное.
Вольт-амперная характеристика диода
Свойства диода определяются его вольт-амперной характеристикой
(ВАХ). Вольт-амперная характеристика диода показана на рис. 7.
Приближенно она может быть описана уравнением:
I=I
O
(e
U/mт
–1),
(1)
где I
O
– ток насыщения обратно смещенного перехода (обратный тепловой
ток); U – напряжение на p-n переходе;
т
= kT/q – тепловой потенциал,
равный контактной разности потенциалов
к
на границе p-n перехода при
отсутствии внешнего напряжения; k =1,3810
-23
Дж/К – постоянная
Больцмана; Т – абсолютная температура; q =1,610
-19
кулон – заряд электрона;
m - поправочный коэффициент, учитывающий отклонение от теории. При
комнатной температуре Т=300К (27
о
С),
т
= 0,026В.
На ВАХ различают две ветви: прямая ветвь, которая находится в
первом квадрате и обратная ветвь в третьем квадрате. Уравнение (1)
хорошо описывает характеристику реального диода в прямом направлении и
для небольших токов, В соответствии с (1) сопротивление диода является
нелинейным. В случае линейного сопротивления ВАХ была бы прямая
линия.
На прямой ветви реальной ВАХ имеется
резкий загиб, который
характеризуется напряжением включения. Для германиевых диодов
напряжение включения равно примерно 0,3В, для кремниевых – примерно
0,6В.
Значение обратного тока на обратной ветви примерно постоянно в
широком диапазоне напряжения. При превышении определенного значения
обратного напряжения, называемого напряжением пробоя U
проб
, начинается
лавинообразный процесс нарастания обратного тока, соответствующий
электрическому пробою p-n перехода. Если в этот момент ток не ограничить,
то электрический пробой перейдет в тепловой. Тепловой пробой обусловлен
ростом числа носителей в p-n переходе. При этом мощность, выделяющаяся в
диоде U
обр
I
обр
, не успевает отводиться от перехода, его температура растет,
растет обратный ток и, следовательно, продолжает расти мощность.
Тепловой пробой необратим, т.к. разрушает p-n переход.
У любого диода оговаривается несколько основных параметров:
- номинальный прямой ток;
- максимальное обратное напряжение;
- прямое падение напряжения;
- постоянный обратный ток;
- максимальный прямой ток (для него оговаривается режим работы, например,
время проводимости).
Преобладают кремниевые диоды, так как имеют более высокую
предельную рабочую температуру (150
о
С против 75
о
С для германиевых),
допускают большую плотность прямого тока (60...80А/см
2
по сравнению с
20... 30А/см
2
), обладают меньшими обратными токами (примерно на
порядок) и большими допустимыми обратными напряжениями (1500...2800В
по сравнению с 600...800В). Однако кремниевые диоды имеют большее
прямое падение напряжения. Прямое падение напряжения при прямом
номинальном токе обозначается U
пр.
U
пр
=0,3...0,4В для германиевых диодов,
U
пр
=0,6...1,2В для кремниевых диодов.
Работоспособность диода определяется выделяемой на нем мощностью
P=UI. U и I относятся к определенной точке ВАХ. Мощность определяет
нагрев. Рабочий участок диода на ВАХ рис. 7 отмечен жирной линией. Если
диод начинает работать на не рабочих участках ВАХ, он выходит из строя.
На не рабочих участках мощность превышает допустимую, нагрев
превышает допустимый. При нагреве, превышающем допустимый, диод
разрушается. Зависимость ВАХ от температуры показана на рис. 10.
При рассмотрении режимов работы схем с диодами их часто
представляют в виде идеализированных приборов, которые являются
идеальными проводниками в прямом направлении и идеальными
изоляторами в обратном направлении. Идеализированная ВАХ представлена
на рис. 9.
По назначению различают следующие типы диодов:
1. Выпрямительные.
2. Импульсные.
3. Высокочастотные.
4. Стабилитроны и стабисторы.
Диоды различают также по мощности и по частотным свойствам.
Выпрямительные диоды
Предназначены для работы при напряжениях частоты до нескольких кГц
и при некрутых фронтах питающего напряжения. Не предназначены для
прямоугольного питающего напряжения. Для выпрямительных диодов
оговариваются два основных параметра:
1.Ток прямой номинальный (среднее значение).
2. Напряжение обратное максимальное (мгновенное).
Диоды выпускаются на ток 10мА...1000А. Обратное напряжение
находится в пределах от 10В до нескольких кВ. Для мощных диодов (ток
10А) обратное напряжение определяют классом диода. Класс диода - это
100В, умноженное на цифру класса. Цифра класса от 1 до 20. Например: Д50-
12, здесь 50 ток прямой номинальный в А; 12 класс. Класс это параметр,
используемый для
мощных диодов и характеризующий обратное
напряжение. У мощных диодов номинальный прямой ток допустим только
при установке диода на радиатор и при принудительном охлаждении со
скоростью воздуха 12м/с. Без принудительного охлаждения воздухом
(имеется только радиатор) допустимый ток составляет около 30% от
номинального. У современных диодов распространены следующие
обозначения:
ДXXXY или КДXXXY, где КД кремниевый диод, XXX
цифры, Y буква. Первая цифра говорит о виде диода (выпрямительные
1,2). Буква определяет обратное напряжение.
Второстепенные параметры:
1.Максимальный обратный ток I
обр.макс
(от десятков нА до десятков мА).
2.Прямое падение напряжения U
пр
( 0,3...1,2В).
3.Максимальная рабочая частота, до которой обеспечиваются заданные
токи, напряжения и мощность.
4.Время восстановления запирающих свойств диода.
Диод не проводит (или запирается) при приложении обратного
напряжения. Запирание переход от проводящего состояния к
непроводящему. При приложении прямоугольного обратного напряжения
диод ведет себя как показано на рис.11. Интервал I время рассасывания
носителей, интервал II бросок обратного тока. Он связан с наличием
барьерной емкости диода. Интервал tв - время восстановления, т.е. время
перехода от проводящего состояния до момента установления обратного тока
на ВАХ. Из-за не идеальности диода ограничивается предельная частота его
работы. При очень высокой частоте диод перестает выполнять свои функции.
Примеры применения выпрямительных диодов даны в параграфах 8.1 –
8.3 раздела Практические занятия.
Высокочастотные диоды
Для них оговариваются те же параметры (основные и второстепенные),
но они могут работать при высокой частоте и обладают малым временем
восстановления (по сравнению с выпрямительными). Для них приводится
график прямого тока в зависимости от частоты. График представлен на рис.
12.
Импульсные диоды
Оговариваются те же основные параметры, что и для рассмотренных
выше диодов, и приводится еще важный второстепенный параметр -
импульсный ток за оговоренное время.
Задача 4
Железо техническое чистое
H 0,5; 1,0; 2,5; 5,0; 10; 30
B 1,38; 1,5; 1,62; 1,71; 1,81; 2,05
Феррит Мартенситная сталь ЕХ
H 0; 1; 2; 3; 4; 5; 5,2
B 1,05; 1,0; 0, 92; 0,84; 0,65; 0,18; 0
Задача
Дайте определение магнитного материала. Приведите классификацию
магнитных материалов. Назовите основные параметры магнитных
материалов и кратко поясните их физический смысл. Кратко опишите сами
материалы, определите их место по приведенной классификации. Приведите
примерные числовые значения основных магнитных параметров заданных
материалов. Назовите основные области использования заданных
материалов.
Рассчитайте и постройте зависимости магнитной проницаемости µ от
напряженности магнитного поля Н (для магнито-мягкого материала),
магнитной индукции В от магнитной энергии W
L
(для магнито-твердого
материала).
Общие характеристики магнитных материалов.
Магнитные свойства имеются у любых материалов. Они обусловлены
реакцией материала на магнитное поле. Магнитную индукцию в любом
материале можно связать с напряженностью магнитного поля в нем
B = µ
0
×µ×H
(3.1)
Глобально, по отношению к магнитному полю, материалы можно
разделить на три класса - диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики.
Последние можно еще поделить на собственно ферромагнетики,
антиферромагнетики и ферримагнетики.
Диамагнетики имеют магнитную проницаемость чуть меньше 1.
Отличаются тем, что выталкиваются из области магнитного поля.
Парамагнетики имеют магнитную проницаемость чуть более 1.
Подавляющее количество материалов являются диа- и пара- магнетиками.
Ферромагнетики обладают исключительно большой магнитной
проницаемостью, доходящей до миллиона.
Для ферромагнитных материалов выражение (3.1) справедливо с
большими оговорками. Оно верно для слабых магнитных полей. По мере
усиления поля проявляется явление гистерезиса, когда при увеличении
напряженности и при последующем уменьшении напряженности значения
В(Н) не совпадают друг с другом. При этом выражение (3.1) имеет смысл
только для подъем напряженности в течение первого цикла намагничивания.
В литературе различают несколько определений магнитной проницаемости.
Начальная магнитная проницаемость µ
н
- значение магнитной
проницаемости при малой напряженности поля.
Максимальная магнитная проницаемость µ
max
- максимальное значение
магнитной проницаемости, которое достигается обычно в средних
магнитных полях.
Из других основных терминов, характеризующих магнитные материалы,
отметим следующие.
Намагниченность насыщения - максимальная намагниченность, которая
достигается в сильных полях, когда все магнитные моменты доменов
ориентированы вдоль магнитного поля.
Петля гистерезиса - зависимость индукции от напряженности
магнитного поля при изменении поля по циклу: подъем до определенного
значения - уменьшение, переход через нуль, после достижения того же
значения с обратным знаком - рост и т.п.
Максимальная петля гистерезиса - достигающая максимальной
намагниченности насыщения.
Остаточная индукция B
ост
- индукция магнитного поля на обратном ходе
петли гистерезиса при нулевой напряженности магнитного поля.
Коэрцитивная сила Н
с
- напряженность поля на обратном ходе петли
гистерезиса при которой достигается нулевая индукция.
При каждом цикле перемагничивания часть магнитной энергии,
запасаемой в материале (W = BH/2) теряется, т.е. переходит в тепло. Эти
потери называются потерями на перемагничивание и они пропорциональны
площади кривой гистерезиса. Для материалов, используемых в энергетике, в
особенности для трансформаторов, потери энергии желательно уменьшить,
т.е. уменьшить площадь кривой. Это может быть достигнуто, если
коэрцитивная сила будет как можно меньше.
Материалы с малой коэрцитивной силой, меньше 40 А/м называются
магнитомягкими материалами.
Мощность потерь на перемагничивание в таких материалах можно
оценить по выражению
PH = h× B
n
max
×f×V
(3.2)
где h - коэффициент, зависящий от материала, Bmax- максимальная
индукция за цикл, f- частота, V - объем тела, n, - показатель, меняющийся в
диапазоне от 1.6 до 2..
Другая
составляющая
потерь связана
с
вихревыми токами,
возникающими в переменных магнитных полях.
PH=x× B
2
max
×f
2
×V
(3.3)
На высоких частотах важны, в первую очередь, потери на вихревые
токи, т.к. они пропорциональны второй степени частоты.
Иногда в справочниках приводят значения тангенса магнитных потерь.
Физический смысл его такой же, как и у тангенса угла диэлектрических
потерь, а именно
P= L×I
2
× w× tg dm
(3.4)
или для удельных потерь
P
уд
= m
0
×m×H
2
w× tg dm
(3.5)
Материалы с большой коэрцититивной силой (более 1000 А/м)
называются магнитотвердыми материалами. Они используются в качестве
постоянных магнитов.
Виды магнитных материалов. Применение магнитных материалов в
энергетике.
Свойства
наиболее
применяемых
материалов.
Электротехнические стали. Ферриты. Магнитодиэлектрики.
Магнитомягкие материалы используются в энергетике в качестве
разнообразных магнитопроводов в трансформаторах, электрических
машинах, электромагнитах и т.д.
Для уменьшения потерь на гистерезис выбирают материалы с
пониженной коэрцитивной силой, а для уменьшения вихревых токов
магнитопроводы собирают из отдельных пластин и используют металлы с
повышенным удельным сопротивлением. Дело в том, что ЭДС
самоиндукции,
благодаря
которой
возникают
вихревые
токи,
пропорциональна площади поперечного сечения контура. При рассечении
площади n изолированными пластинами в каждой пластине наводится
уменьшенная в n раз ЭДС. Мощность потерь при протекании вихревого тока
пропорциональна квадрату напряжения (ЭДС) и обратно пропорциональна
удельному сопротивлению. Поэтому уменьшение ЭДС в каждой из
отдельных пластин и использование металлов с повышенным удельным
сопротивлением приводит к уменьшению общих потерь.
Основой наиболее широко используемых в электротехнике магнитных
материалов является низкоуглеродистая электротехническая сталь. Она
выпускается в виде листов, толщиной от 0.2 мм до 4 мм, содержит не выше
0.04% углерода и не выше 0.6% других примесей. Максимальное значение
магнитной проницаемости m
max
4000, коэрцитивной силы Нс6-100 А/м.
Наблюдается интересная закономерность: чем чище железо и чем лучше оно
отожжено - тем выше магнитная проницаемость и тем ниже коэрцитивная
сила. Для особо чистого железа эти параметры составляют: более 1 миллиона
и менее 1 А/м, соответственно.
Добавлением в состав кремния достигается повышение удельного
сопротивления стали с 0.14 мкОм·м для нелегированной стали до 0.6 мкОм·м
для высоколегированной стали. Это дает уменьшение потерь.
Электротехническую сталь маркируют следующим образом: первая
цифра-структура
(1-горячекатанная
изотропная,
2-холоднокатанная
изотропная, 3- холоднокатанная анизотропная с ребровой структурой),
вторая цифра- содержание кремния (0-до 0.4%, 1 - до 0.8%. 2 - до 1.8%, 3-до
2.8%, 4 - до 3.8%, 4 - до 4.8%), третья цифра - тип нормируемых магнитных
характеристик (0- удельные потери при В=1.7 Тл, f=50 Гц, 1- удельные
потери при В=1.5 Тл, f=50 Гц, 2- удельные потери при В=1 Тл, f=400 Гц, 6- В
при Н=0.4 А/м, 7- В в средних полях при Н=10 А/м ). Четвертая цифра в
старых справочниках означала номер материала. В современных
справочниках четвертая и пятая цифры являются одним числом, означающим
численную характеристику нормируемого параметра.
Если к железу добавить никель, то полученные материалы будут
обладать повышенной магнитной проницаемостью (до 100000 у 79НМ, 79%
никеля и небольшое количество марганца). Такие сплавы называются
пермаллои,
они
используются
для
изготовления
сердечников
малогабаритнгых силовых и импульсных трансформаторов. Практически
такие же результаты по магнитной проницаемости можно получить, добавляя
к железу кремний (9.5%) и алюминий(5.6%). Такие сплавы называются
альсиферами.
Добавки к железу и никелю молибдена, хрома, меди приводит к еще
большему росту начальной магнитной проницаемости, более 100 тысяч.
Такие материалы используются в миниатюрных магнитных устройствах.
Практически отсутствуют потери на вихревые токи в ферритах. Дело в
том, что ферриты представляют собой оксидную керамику МеО+Fe2O3,
которая является диэлектриком, либо полупроводником. Типичное удельное
сопротивление феррита 103-104 Ом.м. Это на 9-10 порядков превышает
сопротивление металлов. Ясно, что вихревые токи в таком материале не
возникнут. Магнитная проницаемость у ферритов обычно ниже, чем у стали
и не превышает нескольких сотен, хотя есть ферриты с проницаемостью до
нескольких тысяч (20000НМ, 1000НМ). Применение в энергетике
магнитомягких ферритов - высокочастотные трансформаторы, в ряде
материалов потери малы вплоть до частот гигагерцового диапазона. Однако
при этом и магнитная проницаемость уменьшается до десятков (9ВЧ,
50ВЧ3).
Большую роль играют ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса
(ППГ). Они используются в качестве логических элементов в ЗУ, в качестве
термодатчиков. Основной параметр - коэффициент прямоугольности петли
гистерезиса, представляющий собой отношение остаточной индукции к
максимальной, измеренной при Н = 5 Нс. Желательно, чтобы этот
коэффициент был ближе к 1.
Индивидуальное задание
Магнитно-мягкие материалы
Магнитно-мягкие материалы, обладая высокой магнитной проницаемостью,
небольшой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис,
используются в качестве сердечников трансформаторов, электромагнитов, в
измерительных приборах и в ряде других случаев, где необходимо при
наименьшей затрате энергии достигнуть наибольшей индукции. Для.
уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах используют
магнитно-мягкие материалы с повышенным удельным электрическим
сопротивлением, обычно применяя магнитопроводы, собранные из отдельных
изолированных друг от друга тонких листов.
Железо (низкоуглеродистая сталь). Т е х н и ч е с к и чистое ж е л е з о
обычно содержит небольшое количество примесей углерода, серы, марганца,
кремния и других элементов, ухудшающих его магнитные свойства. Благодаря
сравнительно низкому удельному электрическому сопротивлению технически
чистое железо используется довольно редко, в основном для магнитопроводов
постоянного магнитного потока. Обычно технически чистое железо
изготовляется рафинированием чугуна в мартеновских печах или конверторах
и имеет суммарное содержание примесей до 0,08 - 0,1%. За рубежом такой
материал известен под названием «армко-железо».
Низкоуглеродистая электротехническая листовая сталь — это одна из
разновидностей технически чистого железа, выпускается в виде листов
толщиной от 0,2 до 4 мм, содержит не свыше 0,04 % углерода и не свыше 0,6%
других примесей. Максимальное значение магнитной проницаемости для
различных марок —
;
не менее 3500— 4500, коэрцитивная сила —
соответственно не более 100—65 А/м.
О с о б о ч и с т о е ж е л е з о, содержащее весьма малое количество
примесей (менее 0,05%), может быть получено двумя сложными путями, в
результате которых получают:
1. Электролитическое железо изготовляют электролизом, раствора
сернокислого или хлористого железа, причем" анодом служит чистое железо,
катодом — пластина мягкой стали. Осажденное на катоде железо (толщина
слоя 4—6 мм) после тщательной промывки снимают и измельчают в порошок в
шаровых мельницах, после чего производят вакуумный отжиг или переплавку
в вакууме.
2. Карбонильное
железо
получают
термическим
разложением
пентакарбонила железа согласно уравнению
Fe(CO)
6
= Fe + 5CO.,
Пентакарбонил железа представляет собой жидкость, получаемую
воздействием окиси углерода на железо при температуре
около 200°С и давлении около 15 МПа. Карбонильное железо имеет вид
тонкого порошка* что делает его весьма удобным для изготовления
прессованных высокочастотных магнитных сердечников.
В табл. 3.1 приведены магнитные свойства различных видов чистого
железа с указанием содержания примесей. На рис. 3.1 показаны кривые
намагничивания для нескольких сортов такого железа. Свойства железа
зависят не только от содержания примесей, но и от структуры, материала,
размера зерен, механических напряжений.
Рисунок 9.1 - Кривые зависимости магнитной индукции (кривые
намагничивания) и магнитной проницаемости от напряженности внешнего
магнитного поля
1 — железо особо чистое, 2 — железо чистое (99,98%Fe), 3 — железо технически
чистое (99,92% Fe), 4 — пермаллой (78% Ni), 5 — никель, 6 — сплав железо —
никель (26% N1)
Из табл. 3.1 видно, что магнитные свойства даже лучших промышленных
разновидностей железа еще далеки от того, чего можно добиться, используя
современные технологические методы получения чистых и однородных по
структуре кристаллов.
Таблица 3.1
Состав и магнитные свойства железа, подвергнутого различным видам,
обработки
По заданным параметрам построим график.
Рисунок 3.21 - Зависимость магнитной проницаемости µ от
напряженности магнитного поля Н
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0
5
10
15
20
25
30
35
Магнитно-твердые материалы
Общие сведения. По составу, состоянию и способу получения магнитно-
твердые материалы подразделяются на: 1) легированные стали, закаливаемые
на мартенсит, 2) литые магнитно-твердые сплавы, 3) магниты из порошков,
4) магнитно-твердые ферриты, 5) пластически деформируемые сплавы и
магнитные ленты.
Характеристиками материалов для постоянных магнитов служат
коэрцитивная сила, остаточная индукция и максимальная энергия,
отдаваемая магнитом во внешнее пространство. Магнитная проницаемость
материалов для постоянных магнитов ниже, чем магнитно-мягких
материалов, причем чем выше коэрцитивная сила, тем меньше магнитная
проницаемость.
Магнит в замкнутом состоянии (в виде тороида) не отдает энергию во
внешнее пространство
Рисунок
3.
3. Кривые размагничивания и магнитной энергии
Для отдачи магнитной энергии необходимо иметь воздушный зазор
(рабочее пространство) между полюсами, т, е. разомкнутую магнитную цепь.
На рис. 3.3 представлены кривая размагничивания (часть предельной петли
гистерезиса во II квадранте — участок B
r
- H
c
), а также кривая, выражающая
зависимость энергии W
l
от индукции B
l
с (кривая B
r
— О). Энергия в
воздушном зазоре зависит от длины зазора, причем индукция B
l
в
промежутке
будет
меньше
остаточной
индукции B
r
вследствие
размагничивающего действия полюсов магнита. Энергия, заключенная в
единице объема воздушного зазора, может 'быть выражена следующим
равенством:
=
/2
(3.6)
где — напряженность поля, соответствующая индукции .
Чем меньше длина магнита и относительно больше зазор, тем больше
размагничивающее поле полюсов и меньше B
r
. При .замкнутом магните
=
B
r
, причем энергия равна нулю, так как
= 0. Если зазор между полюсами
очень велик, то энергия при'этих условиях также стремится к нулю, так как
= 0,
= Нс. При некоторых значениях
и
, энергия достигает
максимума, что видно из рис. 3.3. Значение
=
=
( )
МАКС
=
МАКС
(3.7)
определяет наилучшее использование магнита и тем самым является
наиболее важной характеристикой качества материалов для постоянных
магнитов. Нередко для характеристики таких материалов приводят
произведение B
L
H
L
или коэффициент выпуклости кривой размагничивания
материала
=
( )
МАКС
(3.8)
Постоянные магниты, имеют самое широкое применение. Они
разнообразны по конструкции, по габаритам.
Легированные стали, закаливаемые на мартенсит. Данные стали являются
наиболее простым и доступным материалом для постоянных магнитов. Они
легируются добавками вольфрама, хрома, молибдена, кобальта. Составы и
свойства таких сталей приведены в табл. 3.2. Величина W
макс
для
мартенситных сталей составляет 1—4 кДж/м
3
. Магнитные свойства,
указанные в табл. 3.2, гарантируются для мартенситных сталей после
осуществления термообработки, специфичной для каждой марки стали, и
пятичасовой структурной стабилизации в кипящей воде. Мартёнситные стали
начали применять для производства постоянных магнитов раньше ■ всех
других материалов. В настоящее время они имеют ограниченное применение
ввиду их невысоких магнитных свойств, но полностью от них не
отказываются, так как они дешевы и допускают механическую обработку на
металлорежущих станках.
Таблица 3.2
Состав и свойства мартенситных сталей для постоянных магнитов
По заданным параметрам построим график.
Рисунок 3.4 – Зависимость магнитной индукции В от магнитной энергии W
L
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
Информация о работе Основы технической диагностики локомотивов