Isolaatorid, juhid ja pooljuhid: tüübid, vormid, nende tööpõhimõte
Isolaatori määratlus
Isolaator on materjal, mida ei ole võimalik või on raske elektrilaengut üle kanda, ja millel on omadus elektrivoolu isoleerida. Tal on väga suur elektritakistus (takistus).
Aatomite paigutus on selline, et valentselektronidel on keeruline liikuda valentsribast juhtivusriba, kuna energiavahe on väga suur. Kui toimub elektronide ülekanne valentsribast juhtivusriba, teisisõnu, tekib purunemispinge.
ISOLAATORI VORMID
Nagu esemete üldine seisund, on ka isolatsioonitihenditel sarnased vormid:
1. TAHKE
Tahkeid aineid eristatakse nende rühmade järgi, nimelt:
a) KAEVAMATERJAL
- Marmor
Kvaliteedi määravad selle tihedus ja hõõrumine. Mida tihedam ja libedam, seda vähem imendub vesi. Kuna seda on kerge murda ja raske, kasutatakse seda nüüd vähem.
- Asbest
Asbest on kiuline materjal, mitte tugev ja kergesti purunev. Pole hea isolaator. Selle eripära on see, et seda ei saa põletada, nii et see talub suurt kuumust. Kasutatakse laialdaselt kodumajapidamiste elektriseadmetes, nagu näiteks triikrauad, elektripliidid ja muud kütteseadmed.
- Vilgukivi
Tehnilised andmed: Elektriisolatsioon ja mehaaniline tugevus on samuti väga suured ja elastsed. Kõrge kuumuskindlus (mitte sadade kraadideni) ja hea veekindlus. Väga kerge ja selge (läbipaistev). Kasutatakse laialdaselt kodumajapidamiste elektriseadmetes, nagu näiteks triikrauad, elektripliidid ja muud kütteseadmed.
- Mikanite
Mikanite on vilgukivi, mis on muutnud materjali kuju ja koostist. Veidi tihe. Tavaliselt kasutatakse kommutaatoril.
- Micafolium
Omamoodi mikaniiti ja materjalina kasutatakse õhukese paberikihi peal. Kerise abil on lihtne painutada. Tavaliselt kasutatakse keeratud traadi või vardade mähkimiseks isolaatorina kõrgepinge elektrimasinates.
- Mikalek
Põhimaterjalidena kasutatakse klaasi ja plasti. Vilgupulber on täiteaine. Kõrge mehaaniline tugevus ja seda kasutatakse sageli metalli (elavhõbeda) alaldites, raadioseadmetes ja elektris. Mikalek on parim vilgukivi, seega suudab see täita isolaatorina nõutavaid nõudeid.
b) KIUDMATERJAL
Tegelikult pole see materjal hea, kuna see on väga vett imav. Mõned näited:
- Lõng
Tegelikult ei kasutata seda ainult isolaatorina, vaid pigem kaabli täiteainena, eriti maanduskaablina.
- Tekstiil
Lintidest kootud lõngast ja erineva mustri, suuruse ja kvaliteediga kangastest. Tekstiilmaterjale kasutatakse elektriväljas elektrimasinate, sideainete jms juhtmete mähiste isolaatoritena. Kuna see imab vedelikku, on isolatsioonivõime parandamiseks kaetud või kastetud isoleeriva lakivedelikuga.
- Paber
Paber on kõrge hinnaga leelisega isoleermaterjal. Värvuselt kollane või helepruun. Paberi tugevus sõltub selle veesisaldusest. Selle ületamiseks on paber kaetud isoleerlakiga. Tavaliselt kasutatakse traatmähistes, mähistes, kaabliisolatsioonides ja paberkondensaatorites. Tavaliselt on teatud paksus.
- Prespan
Paberiga võrreldes on prespan tihedam, nii et see neelab vähem vett.
- Puit
Iidsetel aegadel kasutati seda sageli elektripostide jaoks. Puit võib bioloogiliste tegurite tõttu kahjustuda, nii et see kestab kauem, tuleb puit kõigepealt säilitada. Samuti tuleb puit kokku suruda, et selle niiskusesisaldust saaks vähendada.
c) KLAAS JA KERAAMIKA
- Klaas
See on hea elektriisolaator, kuid on väga habras. Tavaliselt kasutatakse hõõglampide valmistamisel.
- keraamiline
Keraamikatel on kõrge isolatsioonivõime. Tavaliselt tehakse portselanist ja steatiidist.
- Steatiit
Lüliti ja torkekarbi sisekülg. Tavaliselt ka helmeste valmistamine, et isoleerida ühendusjuhtmeid, mis võivad painduda ja asuvad elektrikütteseadmete kõrval.
- portselan
On oluline materjal isolatsioonis, kuna sellel on väga suur mehaaniline tugevus. Portselanist materjal on väga hea elektriseadmete isolatsiooniosade tootmiseks, mis peavad vastu pidama suurtele survejõududele. Vesi ei ima pinnal oleva emaili tõttu.
d) PLAST
Plastmaterjalide heade omaduste hulka kuuluvad: kerge kaal, madal soojusjuhtivus, veekindlus ja kõrge isolatsioonivõime. Kasutades kuumematel materjalidel, pole plastist hea. Plast on kahte tüüpi, nimelt:
- Termoplast
60-kraadise temperatuuri korral on see muutunud pehmeks. Kuni sulamiseni kuumutamine ei muuda keemilist struktuuri.
- Termoreaktiivne plastik.
See materjal on läbinud veeldamisprotsessi ja on vormitud ning selle keemiline struktuur muutub, nii et see ei saa isegi kuumutamisel pehmeneda.
e) KUMM JA EBONIIT
- Kumm
See on elastne ja kasulik vastu pidada kokkupõrgetele. Seda kasutatakse elektrijuhtivuse isolaatorina, kummist torude kasutamiseks kaablikingade isoleerimiseks ja kaablite mähkimiseks.
- Eboniit
Saab keevas vees painutada, saab viilida, puurida ja treida. Happekindel ja kasutatakse akumuleerimisvannina. Ei suuda vett imada. Ei talu kuumust.
f) KOMPLEKTMATERJALID
- Küünlad ja parafiin
See sulab kiiresti, tal on omadus vett mitte imada ja tulemused on rikkalikud, mistõttu on see üks kasulik materjal elektriisolatsiooniks, kuigi sulamistemperatuur on suhteliselt madal. Tavaliselt kasutatakse kondensaatorites või nõrkades vooludes.
2. VEDELIK
- Trafoõli
Nõutav trafo jahutusvedelikuna, mille põhjuseks on mähistraat. Jahutuseta kahjustatakse südamiku, mähiste ja teatud osade isolatsiooni.
- Kaabliõli
Üldiselt valmistatud kontsentreeritud ja kontsentratsioonile lisamiseks võib segada vaiguga. Kasutatakse toitekaablite, maanduskaablite, eriti kõrgepingekaablite paberiisolatsiooni tihendamiseks.
3. GAAS
- Lämmastik
Seda kasutatakse kaablikanalite laadimise / jaotamise kontrollerina, et teha kindlaks, kas kaabli isolatsioon on endiselt hea või mitte. Eriti maandusjuhtmetel, kus pliil tekivad sageli rooste, kriimustused ja praod.
- Vesinik
Vesinikku kasutatakse turbogeneraatorite ja sünkroonkondensaatorite jahutusvedelikuna. Kuigi jahutina on see ka soojuse ja elektriisolaator.
- Süsinikdioksiid
Kasutatakse turbogeneraatorites. Omab tulekustutusomadusi. Ohutusena vesiniku ja õhu segamisel, mis võib põhjustada plahvatuse.
ISOLAATORI MATERJAL
Isolatsioonimaterjalide klassifikatsioon maksimaalse töötemperatuuri järgi:
| Klass | Maksimaalne töötemperatuur |
| Y | 90 ° C |
| A | 105 ° C |
| E | 120 ° C |
| B | 130 ° C |
| F | 155 ° C |
| H | 180 ° C |
| C | temperatuuril üle 180 ° C |
Y klass
Y-klassi võib klassifitseerida: puuvill, looduslik siid, sünteetiline vill, viskoos, polüamiidkiud, paber, prespan, puit, polüakrüüt, polüetüleen, polüvinüül, kumm.
A-klass
Need, mida saab klassifitseerida A-klassi, on: lakki kastetud kiuline materjal Y-klassist, asfalt, trafoõli, lakiga segatud email ja polüamiid.
E klass
E-klassi võib klassifitseerida: emailvõrgu isolaator, milles kasutatakse ametlikke polüvinüül-, polüuretaan- ja epoksüvaik-sideaineid ja muud sarnased tselluloositäiteainete, pertinaaksi ja tekstoliidi, triatsetaatkilede, polüetüleentereftalaatkiudkiledega sideained.
B klass
B-klassi võib klassifitseerida: lakiga või ühendiga kokku värvitud või liimitud mitteorgaanilised materjalid (vilgukivi, klaas, kiud, asbest), bituumen, sirlak, bakeliit ja nii edasi.
F klass
F-klassi võib klassifitseerida: mitteorgaanilised materjalid, mis on värvitud ja ühendatud kõrge kuumuskindla epoksü-, polüuretaani- või lakiga.
H klass
H-klassi võib klassifitseerida: kõik koostisosad, mis sisaldavad vilgukivi ja asbesti põhikoostisosi ja klaaskiud, mis on kastetud silikooni ilma kiuliste materjalide (paber, puuvill ja jne). Sellesse klassi kuuluvad silikoonkummist ja puhtast polüamiidtraadist emailiga.
C klass
C-klassi võib liigitada järgmised: anorgaanilised materjalid, mida pole värvitud ja mis ei ole seotud ainega orgaanilised materjalid, näiteks vilgukivi, kuumuskindel mikaniit (kasutades anorgaanilisi sideaineid), mikalex, klaas ja muud materjalid keraamika. Ainult üks orgaaniline materjal, mis kuulub C-klassi, nimelt polüetra flouroetüliin (teflon).
Dirigendi (dirigendi) määratlus
Dirigendid on head elektrijuhid. Sellel materjalil on suur elektrijuhtivus ja väike elektritakistus. Elektrijuhtmeid kasutatakse elektrivoolu juhtimiseks. Pöörake tähelepanu kaabli, mähise / mähise funktsioonile, mis on elektritööriistal. Samuti ülekande- / jaotusvõrgul. Elektrotehnikas on levinumad juhid vask ja alumiinium.
Juhtide jaoks kasutatavad materjalid peavad vastama järgmistele nõuetele.
- Juhtivus on üsna hea.
- Selle mehaaniline tugevus (tõmbetugevus) on üsna kõrge.
- Paisumiskoefitsient on väike.
- Elastsusmoodul (elastsusmoodul) on üsna suur
Juhtidena tavaliselt kasutatavate materjalide hulka kuuluvad:
- Tavalised metallid, näiteks: vask, alumiinium, raud ja nii edasi.
- Legeeritud metall (sulam), mis on vasest või alumiiniumist metall, mis segatakse teatud koguses teist tüüpi metallist, mida kasutatakse selle mehaanilise tugevuse suurendamiseks.
- Sulamid (komposiit), nimelt kahte või enamat tüüpi metalli, mis on kombineeritud kokkusurumise, sulatamise (sulatamise) või keevitamise (keevitamise) teel.
Juhtide klassifikatsioon vastavalt nende ehitusele:
- tahke traat (tahke traat) ümmarguse ristlõikega.
- standardtraat koosneb 7–61 tahkest traadist, mis on kokku keeratud, tavaliselt kihilised ja kontsentrilised.
- õõnesjuhe (õõnesjuht) on õõnesjuhe, mis on valmistatud suure välisläbimõõdu saamiseks.
Dirigendi omadused
Juhi omadusi on 2 (kahte) tüüpi, nimelt:
- mehaanilised omadused, mis näitavad juhi füüsilist olekut, mis väljendab juhi tõmbetugevust (SPLN 41-8: 1981, 70 mm2 kestaga AAAC-S juhi korral ümbritseva õhu temperatuuril 30 ° C on juhi maksimaalne võimsus voolu juhtimiseks 275 A).
- elektrilised omadused, mis näitavad juhi võimet läbi selle elektrivoolu kanda (SPLN 41-10: 1991, 70 mm2 kestaga AAAC-S juht ümbritseva õhu temperatuuril 30 ° C, siis on juht maksimaalne võime voolu juhtida 275 A).
Dirigendi materjali kriteeriumid
Juhtiva metalli juhtivust mõjutavad tugevalt legeerivad elemendid, lisandid või lisandid metallkristallide puudused, millest kõigil kolmel on tootmisprotsessis suur roll saatja ise. Juhtelemendid mõjutavad lisaks elektrijuhtivuse mõjutamisele ka teisi mehaanilisi ja füüsikalisi omadusi. Puhtmetallidel on parem elektrijuhtivus kui madalama puhtusastmega. Kuid puhta metalli mehaaniline tugevus on madal.
Elektrijuhid vajavad lisaks kõrgele juhtivusele ka teatud mehaanilisi ja füüsikalisi omadusi, mis on kohandatud juhi enda kasutamisele.
Lisaks tehnilistele probleemidele määrab metalli kasutamise juhina väga palju ka metalli majanduslik väärtus kogukonnas. Nii et kompromiss kasutatava metalli tehnilise ja majandusliku väärtuse vahel on tingimata vajalik. See on odavaim kompromissväärtus, mis määrab, millist metalli kasutada. Sel ajal on vasest ja alumiiniumist valitud metallid muud tüüpi juhtmetallide seas, mis vastavad kõige madalamale majanduslikule tehnilisele kompromissväärtusele.
Tabelis 1 olevate juhtivate metallide tüüpidest. Eespool on vask elektriväljas kõige kauem kasutatav juht. 1913. aastal kehtestas Rahvusvaheline Elektrokeemiakomisjon (IEC) standardi, mis näitab vasktraadi juhtivust, mida hakati nimetama rahvusvaheliseks lõõmutatud vase standardiks (IACS). Standard ütleb, et lõõmutamisprotsessis pehmendatud vasktraadi puhul on see nii 1m pikkune ja 1mm2 ristlõikepindala ning selle elektritakistus on toatemperatuuril mitte üle 0,017241 oomi. 20oC, on IACSi 100% elektrijuhtivus.
Kuid tänapäeval saavutatud vase tootmisprotsessi tehnoloogiliste edusammude korral, kui traadi vase puhtusaste juht on palju suurem kui 1913. aastal, siis võib tänapäeval vasktraadi elektrijuhtivus ulatuda kõrgemale 100% IACS.
Alumiiniumtraadi puhul võrreldakse elektrijuhtivust tavaliselt vasktraadiga. Vastavalt ASTM B 609 standardile EÜ klassi või AA 1350 (*) seeria alumiiniumtraadi jaoks on elektrijuhtivus vahemikus 61,0–61,8% IACS, sõltuvalt kõvadusest või karastustingimustest. Mis puutub AA 6201 seeria alumiiniumisulami juhtmestikku, siis vastavalt ASTM B 3988 standardile ei tohiks elektrijuhtivuse nõue olla väiksem kui 52,5% IACS. 6201 juhetraati kasutatakse tavaliselt AAAC (All Aluminium Alloy Conductor) tüüpi kaablimaterjalide jaoks.
Lisaks ülaltoodud elektriliste omaduste, näiteks elektrijuhtivuse nõuetele, on nõutavad muud kvaliteedikriteeriumid: peab olema täidetud ka järgmiste omaduste või tingimuste osas või osaliselt: see on:
a. keemiline koostis.
b. tõmbetugevus, nagu tõmbetugevus (tõmbetugevus) ja tõmbetõmme (venivus).
- painutusomadused
- lubatud läbimõõdud ja variatsioonid.
- traadi pinna tingimused ei tohi olla defektid jms.
Dirigendi materjali omadused:
Elektrilistel materjalidel on olulised omadused, näiteks:
- Elektrijuhtivus
- Takistuse temperatuuri koefitsient
- soojusjuhtivus
- Tõmbetugevus ja
- Termoelektrimootori võimsuse tekkimine
- a)Elektrijuhtivus
Juhis voolav vool kogeb alati juhi enda vastupanu. Takistuse suurus sõltub materjalist. Takistus meetri kohta ristlõikepinnaga 1 mm2 temperatuuril 20 ° C0C-d nimetatakse takistuseks. Materjali takistuse suuruse saab arvutada järgmise võrrandi abil:
R = l / A
Kus:
R: takistus juhis, ühik oomi (Ω)
: materjali tüübi takistus, ühikuna oomi.mm2 / m
l: juhi pikkus, ühik on meetrit (m)
A: juhtme ristlõikepindala, ühik mm2
- b)Tõkke temperatuuri koefitsient
Me juba teame, et materjalis kogeb mahu muutus, kui toimub temperatuuri muutus. Materjalid paisuvad temperatuuri tõustes ja kahanevad, kui temperatuur langeb. Temperatuuri muutustest tingitud takistuse muutuse suuruse saab võrrandist teada;
R = R0 {1 + (t - t0)},
Kus:
R: suur takistus pärast temperatuurimuutust
R0: esialgne takistus enne temperatuuri muutumist
K: lõpptemperatuuri temperatuur, in 0C
t0: algtemperatuur, in 0C
: takistuse temperatuuri koefitsient
Erinevate materjalide eritakistuse, erikaalu ja sulamistemperatuuri väärtused on toodud tabelis 6.1
| Materjali nimi | Vangi tüüp | Erikaal | Sulamispunkt |
| Hõbe. Vask Koobalt Kuld alumiinium Molübdiin Wolfram Tsink Messing Nikkel Plaatina Nikeline valge tina Teras Vanaadium Vismut Mangaan Plii Duralumiinium Manganiin Pidev elavhõbe |
0,016. 0,0175 0,022 0,022 0,03 0,05 0,05 0,06 0,07 0,079 0,1 0,12 0,12 0,13 0,13 0,2 0,21 0,22 0,48 0,48 0,5 0,958 |
10,5. 8,9 8,42 19,3 2,56 10,2 19,1 7,1 8,7 8,9 21,5 – 7,3 7,8 5,5 9,85 7,4 11,35 2,8 – 8,9 13,56 |
960. 1083 1480 1063 660 2620 3400 420 1000 1455 1774 – 232 1535 1720 271 1260 330 – – – -38,9 |
Levinuim juhtmaterjal on vask, sest vask on hõbeda järel parim juht ja hind on odav, sest see on kõikjal laialt saadaval. Viimasel ajal kasutatakse alumiiniumit ja terast juhtidena laialdaselt, kuigi takistus on üsna suur, peetakse seda väga rikkalikuks ja hind muutub odavamaks.
- c) Soojusjuhtivus
Soojusjuhtivus näitab materjalikihti ajaühikus läbiva soojuse hulka. Arvutatakse ühikutes Kcal / tunnis 0C. Eriti arvestatud elektrimasinate ja nende seadmete kasutamisel. Üldiselt on metallidel kõrge soojusjuhtivus, mittemetallidel aga madal.
- d)Tõmbetugevus
Materjalide mehaanilised omadused on väga olulised, eriti maapealse transpordi korral. Seetõttu peab selleks kasutatav materjal olema tuntud oma tugevuse poolest. Eriti kõrgepinge jaotamisel kasutamise osas. Juhid võivad olla tahked, vedelad või gaasilised. Tahkes vormis juhivad tavaliselt metallid, elektrolüüdid ja vedel metall (elavhõbe) vedel, ioniseeritud õhk ja väärisgaasid (neoon), krüptoon jne) gaas.
- e) Termoelektrimootori võimsuse genereerimine
See omadus on väga oluline kahest kokkupuutepunktist, mis on valmistatud kahest erinevast metallist, kuna Vooluahelas põhjustab vool temperatuuri muutusel oma termoelektrimootori võimsuse temperatuur.
Termoelektrimootori võimsus võib olla suurem, nii et praegused ja pingesätted võivad erineda, isegi kui see on väga väike. Tekkiva pinge erinevuse suurus sõltub kahe kasutatud materjali omadustest ja on proportsionaalne temperatuuri erinevusega. Temperatuuri erinevuse tekitatavat elektrimootori võimsust nimetatakse termoelektrimootori võimsuseks.
Erinevad dirigendimaterjalid
Elektrotehnika juhi ülesanne on jaotada elektrienergiat, see tähendab elektrienergia jaotamist ühest punktist teise. Tavaliselt kasutatavate juhtmete hulka kuuluvad:
Vask ja alumiinium. Mõned olemasolevad juhid ja nende asjakohasus hõlmavad järgmist:
- alumiinium
Puhta alumiiniumi tihedus on 2,7 g / cm3 sulamistemperatuur on 658 0C ja see ei ole söövitav. Alumiiniumi juhtivus on 35 m / ohm.mm2 ehk umbes 61,4% vase juhtivusest. Alumiinium on pehme kujuga, selle tõmbetugevus on ainult 9 km / mm2. Sel põhjusel, kui alumiiniumit kasutatakse juhina, mille mõõtmed on piisavalt suured, tugevdatakse seda alati terase või alumiiniumsulamiga. Selline kasutus on näiteks: ACSR (tugevdatud alumiiniumist juhtterasega). Alumiiniumi ja terase juhtide konstruktsiooni on näha joonisel 6.1
Teine alumiiniumi kasutusviis on bustar ja teatud põhjustel, näiteks säästlikkus, valmistatakse isoleeritud alumiiniumjuhtmeid, näiteks: ACSR - OW. ASA (American Standard Association) andmetel on alumiiniumisulamid tähistatud järgmises tabelis:
Tabel 6.1 Alumiiniumisulami märgistus
| Materjali nimi | Rahastamine |
| Alumiinium (puhtus vähemalt 99%)
Enamik sulameid koosneb: Vask Mangaan Silikoon Magneesium Magneesium ja räni Tsink Jne Kasutamata sari |
1xxx. 2xxx 3xxx 4xxx 5xxx 6xxx 7xxx 8xxx 9xxx |
- Vask
Vase kõrge elektrijuhtivus on 57 mm2/ m 20 juures oC. Vase temperatuuri koefitsient 0,004 per oC. Vase takistuskõver temperatuuri suhtes ei ole lineaarne.
Vase kõige olulisem kasutamine elektrotehnikas on juhina, näiteks: traat isoleeritud (NYA, NYAF), kaabel (NYM, NYY, NYFGbY), buss, alalisvoolumootori lamell, vahelduvvoolumootori lohisemisrõngas ja jne. Vask on vastupidav korrosioonile ja oksüdatsioonile. Puhta vase tihedus 20 ° C juures0C on 8,96 g / cm3, külmumistemperatuur on 10830C. Vase tõmbetugevus ei ole kõrge, ulatudes 20–40 kg / mm2, varda tõmbetugevus vask tõuseb pärast vaskvarda ristlõike vähendamist, mida kasutatakse isoleeritud traadina või kaabel. Kuidas vähendada vaskvarda ristlõiget traadiks, kasutades tõmmitsat.
Vaskvarda ristlõike vähendamiseks kasutatakse tõmbekivi.surema), mis on erineva suurusega, seda väiksem on teritaja ristlõige. Mida väiksem on vaja traadi ristlõiget, seda rohkem kasutatakse tõmbekivist astmeid. Piisavalt suure läbimõõduga traadi valmistamiseks mõeldud tõmbekivimaterjal on volframkarbiid, väikese läbimõõduga traadi valmistamiseks aga teemant. Tagasivõtmise ajal pikeneb pikkus. Sel põhjusel on tõmbekivi taha kinnitatud tõmberatas ümmarguse või suurema läbimõõduga.
Pärast vaskvarda traati tõmbamist on vask plastiline. See tingimus ei sobi kasutamiseks isoleeritud juhtme või kaablina. Selleks, et vask saaks jälle pehmeks, tuleb seda kuumutada. Võõrutusprotsessi ajal tuleb siiski jälgida, et oksüdatsiooni ei toimuks. Pärast kütteprotsessi lõppu saab alustada isoleeritud juhtme või kaabli valmistamise protsessi.
Juhtmete puhul, mille ristlõige on väiksem kui 16 mm2, kasutatakse tahkeid juhtmeid, juhtmete puhul, mille ristlõige on> 16 mm2, keerdkiu juhte. Isoleeritud traadi isolatsiooni tagamine.
Mähise A traat tõmmatakse läbi ekstruuderi B. siis jahutatakse C-st väljuv PVC jahutusvannis D. D-st testitakse isoleeritud traati sädemekatsega E, tõmmatakse tõmmitsaga F ja rullitakse seejärel rulliga G kokku.
- Teras
Teras on rauast koos süsiniku seguga valmistatud metall. Süsinikusegu põhjal jaotatakse teras kolme tüüpi: madala süsinikusisaldusega teras ( 0–25%), keskmise süsinikusisaldusega teras (0,25–0,55%%) ja kõrge süsinikusisaldusega teras (üle 0,55) %). Vaatamata terase madalale juhtivusele, nimelt:
kuid seda kasutatakse ülekandejuhtides, nimelt ACSR-is, kus terase ülesanne on antud juhul tugevdada alumiiniumijuhti pärast tsinkiga tsingimist mehaaniliselt. ACSR-i terase kasutamise eeliseks on see, et see säästab alumiiniumi kasutamist. Ülaltoodud kaalutlustest lähtudes valmistatakse bimetalljuht (mis erineb ohutusega termobimetallist), nagu on näidatud joonisel 6.5.
Bimetalljuhi kasutamise eelised hõlmavad järgmist:
- Vahelduvvoolus on kalduvus voolu läbimiseks juhi välisküljest (naha efekt).
- Terase vaskkattega kaitstakse terast kui juhti korrosiooni eest. Bimetalljuhtmete kasutamine lisaks juhtmete juhtimisele on siinide, ühendavate nugade jt jaoks.
- Wolfram
See metall on halli-valget värvi, tihedus 20 g / cm3, sulamistemperatuur 34100C, keemistemperatuur 59000C,? = 4,4,10–6 per 0 C, takistus 0,055? .mm2 / m. Volfram saadakse kaevandustest, mis eraldatakse magnetiliste või keemiliste protsesside abil. Volframhappe (H2WO4) redutseerimisreaktsiooniga temperatuuril 700 ° C0C saadud volframipulber. Seejärel vormitakse volframipulbrist valuplokid metallide nimega pulbermetallurgia, mis kasutab kõrget rõhku ja temperatuuri (2000 atm, 1600 atm).0C) ilma oksüdeerumiseta. Tõmbamismasina abil saab volframvarda läbimõõtu vähendada 0,01 mm-ni (tõmbamine toimub kuumades tingimustes). Walframi kasutamine muu hulgas elektrotehnikas: hõõgniitide (hõõglampide, halogeenlampide, topeltlampide), elektroodide, elektrooniliste torude jt jaoks.
- Molübdeen
Selle metalli omadused on sarnased volframiga, nagu ka selle saamise viisid. Molübdeeni tihedus on 10,2 g / cm3, sulamistemperatuur 26200C, keemistemperatuur 37000C,? = 53. 10–7 per 0 C, takistus on 0,048? .mm2 / m, temperatuuritegur 0,0047 / 0 C. Muuhulgas molübdeeni kasutamine: röntgentoru, vaakumtoru, sest molübdeen võib moodustada klaasiga tugeva kihi. Metallisulamina, mida kasutatakse sitke, korrosioonikindla ja kõrgel temperatuuril kasutatavate osade jaoks.
- Plaatina
Platinum on raske metall, hallikasvalge värvusega, söövitamatu, raskesti sulav ja enamiku kemikaalide suhtes vastupidav. Tihedus 21,4 g / cm3, sulamistemperatuur 17750C, keemistemperatuur 45300C,? = 9. 10–6 per 0 C, takistus on 0,1? .mm2 / m, temperatuuritegur 0,00307 per 0 C. Plaatina võib moodustada õhukesteks kiududeks ja õhukesteks vardadeks.
Plaatina kasutamine muuhulgas elektrotehnikas kõrgete temperatuuride, mis on üle 1300, nõudvate ahjude või põletite laborites kasutatavate kütteelementide jaoks0C, plaatinaroodiumi termopaari jaoks (töötage üle 1600 ° C)0C) kasutatakse plaatina läbimõõduga +1 mikronit liikuvate osade riputamiseks elektriarvestitele ja muudele tundlikele instrumentidele ning potentsiomeetri materjalidele. Järgnev on materjalide juhtimise konstantide tabel.
- elavhõbe
Elavhõbe on ainus metall, mis on toatemperatuuril vedel. Takistus on 0,95? .mm2 / m, temperatuuritegur 0,00027 per 0 C. Õhus kuumutamisel on elavhõbedat väga lihtne oksüdeerida. Elavhõbe ja selle spetsiaalsed elavhõbeda auru segud on mürgised. Elavhõbeda kasutusaladeks on: elektrooniline toruga täidetav gaas, elavhõbeda lülitite pistikud, vedelik difusioonipumpades, elektroodid instrumentidel dielektriliste materjalide elektriliste omaduste mõõtmiseks tahke. Muud logaritmid, mida kasutatakse laialdaselt ka elektrotehnikas, hõlmavad tantaali ja nioobiumi.
Tantaali ja nioobiumi koos alumiiniumiga kasutatakse laialdaselt elektrolüütkondensaatoritena.
- Suure takistusega materjalid
Suure takistusega materjal, mida kasutatakse seadmete jaoks, mis vajavad suurt takistust, nii et elektrivoolu rakendamisel tekib suur pingelangus. Kõrge takistusega materjalide kasutamise näited hõlmavad järgmist: elektrikeristes, reostaatides ja takistites. Nendel materjalidel peab olema madal temperatuurikordaja. Kütteelementide puhul ei tohiks pikka aega kõrgel temperatuuril toimuda oksüdeerumist ja sulamist.
Suure takistusega materjalide hulka kuuluvad: konstantaan, manganiin, nikron ja fechral, mille koostis on toodud tabelis 6.3.
Tabel 6.3 Suure vastupidavusega materjalid
| Sulami nimi | Kompositsioon. (%) |
Mass. tüüp |
takistus. ? .mm2 / m |
temperatuuri koefitsient. 10–5 per 0 C |
| Pidev. kroom Manganiin nikroom Fechral Nikkel |
60 Cu, 40 Ni. 0,7 Mn, 0,6 Ni, 23–27 Cr, 4,5-6,5 Al + Fe 86 Cu, 12 Mn, 2 Ni 1,5 Mn, 75-78 Ni, 20-23 Cr, puhake Fe 0,7 Mn, 0,6 Ni, 12-15 Cr, 3,5-5 Al, ülejäänud Fe 54 Cu, 26 Ni, 20 Zn |
8,9. 6,9 – 7,3 8,4 8,4 – 8,5 7,1 – 7,5 – |
0,48 – 0,52. 1,3 – 1,5 0,42 – 0,48 1 – 1,1 1,2 – 1,35 0,4 – 0,47 |
5,25. 6,5 5,3 10 – 20 10 – 12 23 |
- Plii
Pli tihedus on 11,4 g / cm3, kergelt pehme, sulab 327 juures0C, keemistemperatuur 15600C, halli värvusega ja hästi vormitav, mis on korrosioonikindel materjal ja mille juhtivus on 4,5 m /? .mm2. Plii kasutamine elektrotehnikas hõlmab akumulaatoreid, maanduskaablituppe, lisaks sellele, et seda kasutatakse kaitsena tuumatööstuses. Plii ei ole vibratsioonile vastupidav ja seondub kergesti jääkhapetega. Maanduskaabli kaitsmiseks kasutamiseks on vaja lisakaitset, kui see on sellesse kohta istutatud. Märg lubi, merevesi ja märg tsement võivad pliiga reageerida. Seetõttu kasutatakse lisaks pliile maandusjuhtmekilbina ka pliisulamist, mille kristallstruktuur on siledam, tugevam ja vastupidavam vibratsioonile. Kuid see materjal on kergemini söövitav ja sisaldab toksiine.
Pooljuhtide määratlus
Pooljuht on materjal, mille elektrijuhtivus on isolaatori ja juhi vahel. Pooljuht töötab väga madalatel temperatuuridel isolaatorina.
Pooljuhtide põhiprintsiibid
Pooljuhtidel on juhtide ja isolaatorite vahel juhtivusomadused. Pooljuhtivate materjalide näideteks on räni, germaanium, plumbumsulfiid, galliumarseniid, indiumantimiid ja seleen. Pooljuhtivate omadustega materjalidel on juhi ja isolaatori vahel kindel takistus (ρ), mis on 10-6 – 104 ohm.
Juhtivusväli 10-6 – 104 ohm-2 m-2 energiavahega alla 6 eV. Energiavahe on energia, mida elektronid vajavad kovalentsete sidemete purustamiseks, et nad saaksid liikuda valentsiteelt juhtivusele. Pooljuhtide alusmaterjale võib jagada kolme tüüpi, nimelt:
- Kolmevalentne, sisaldab aatomit valentselektronide arvuga 3 tükki, näiteks: boor (B), gallium (Ga) ja indium (In).
- -Traavalentne, sisaldab aatomit valentselektronide arvuga 4 tükki, näiteks: räni (Si) ja germaanium (Ge).
- Pentavalentne, sisaldab 5 valentselektroniga aatomeid, näiteks: fosfor (P), arseen (As) ja antimon (Sb).
Pooljuhtide aatomite paigutus
Pooljuhtmaterjalid, mis on näiteks laialt tuntud, on räni (Si), germaanium (Ge) ja galliumarseniid (GaAs). Germaanium oli kunagi ainus teadaolev materjal pooljuhtkomponentide valmistamiseks. Kuid viimasel ajal muutus räni populaarseks pärast seda, kui ta leidis viisi, kuidas seda materjali loodusest ammutada. Räni on hapniku (O2).
Ränikristallide aatomstruktuuris, ühes aatomituumas (tuumas), on 4 valentselektroni. Stabiilne aatomituumaside on see, kui seda ümbritseb 8 elektroni, seega aatomis 4 elektroni kristall moodustab väga madalatel temperatuuridel kovalentseid sidemeid naaber aatomite ioonidega (0 ° K). Räni aatomstruktuur visualiseeritakse järgmiselt jooniselt:
Kovalentsed sidemed takistavad elektronide liikumist ühest aatomituumist teise. Sellistes tingimustes on pooljuhtmaterjal isolaator, kuna pole elektrone, mis saaksid elektri juhtimiseks liikuda. Toatemperatuuril vabanevad soojusenergia tõttu mõned kovalentsed sidemed, võimaldades seeläbi nende sidemetest vabaneda elektrone. Kuid ainult väikese koguse saab lahti ühendada, mistõttu on hea dirigendiks olemine võimatu.
Füüsikud, eriti need, kes tol ajal kvantfüüsika valdasid, proovisid seda pooljuhtmaterjali dopinguga seista. Dopingu eesmärk on saada üha rohkem püsivaid valentselektrone, mis eeldatavasti suudavad juhtida elektrit.
Pooljuhtide alusmaterjal
- Pooljuhtmaterjalide ettevalmistamine
Masstootmiseks on vaja prognoositavate ja usaldusväärsete elektrooniliste omadustega pooljuhte. Keemiline puhtusaste
nõutav on väga kõrge, kuna puuduste olemasolu võib isegi väga väikestes osades materjali omadustele suurt mõju avaldada. Struktuurivigade tõttu on vaja ka kõrge täiuslikkuse kristalle kristallid (näiteks dislokatsioonid, mestimine ja virnapragud) häirivad materjal.
Kristallide mõrad on pooljuhtseadmete kahjustuste peamine põhjus. Mida suurem on kristall, seda keerulisem on vajaliku täiuslikkuse saavutamine. Praeguses masstootmisprotsessis kasutatakse kristallvalusid (alusmaterjalid) läbimõõduga 4–12 tolli (± 30 cm), mida kasvatatakse silindritena ja seejärel viilutatakse vahvliteks.
Kuna pooljuhtseadmete valmistamiseks on vaja suurt keemilist puhtust ja täiuslikku kristallstruktuuri, on algsete pooljuhtmaterjalide tootmiseks välja töötatud spetsiaalsed meetodid. Kõrge puhtuse saavutamise tehnika hõlmab kristallide kasvu Czochralski protsessi abil. Täiendavat sammu, mida saab kasutada puhtuse edasiseks parandamiseks, nimetatakse tsooni parendamiseks. Tsooniparanduses vedeldatakse osa tahketest kristallidest. Lisandid kipuvad kontsentreeruma veeldatud piirkonnas, samal ajal kui soovitud materjal rekristalliseerub, mille tulemuseks on puhtam ja vähem vigadega materjal.
- Pooljuhtkehade tüübid ja nende kasutusviisid
| Ei | Pooljuhi nimi | Kasutamine |
| 1 | Baariumtitinaat (BaTi) | Termistor (PTC) |
| 2 | Vismuttuuriid (Bi2 Te3) | Termoelektriline muundamine |
| 3 | Kaadmiumsulfiid (CdS) | Fotojuhtiv rakk |
| 4 | Galliumarseniid (Ga As) | Dioodid, transistorid, laserid, ledid, lainegeneraatorid ja Micro |
| 5 | Germaanium (ge) | Dioodid ja transistorid |
| 6 | Indiumi antimoniid (Sb) | Magnetresistor, piesoresistori detektor ja infrapunakiirgus |
| 7 | Indiumarseniid (In As) | Piezoresistor |
| 8 | Räni (Si) | Dioodid, transistorid ja IC |
| 9 | Ränikarbiid (Si Cb) | Varistor |
| 10 | Tsinksulfiid (Zn S) | Elektrivalgustusseade |
| 11 | Germaaniumi räni (Ge Si) | Termoelektriline tootmine |
| 12 | Seleen (Se) | Alaldi |
| 13 | Alumiiniumstibium (Al Sb) | Valgustusdiood |
| 14 | Galliumfosfor (Ga P) | Valgustusdiood |
| 15 | Indiumi fosfor (P-s) | Infrapunafilter |
| 16 | Vaskoksiid | Alaldi |
| 17 | Plumbuni väävel (Pb S) | rakufoto |
| 18 | Plumbuni seleen (Pb Se) | rakufoto |
| 19 | Indium-stitium (Sb-des) | Infrapunadetektor, infrapunafilter ja Halli generaator |
Räni on perioodilise tabeli keemiline element, millel on sümbol Si ja aatominumber 14, mis on maailmas kõige arvukamalt teine element. Moodustunud ühend on paramagnetiline. Selle keemilise elemendi avastas (Jons Jakob Berzelius 1923). räni on peaaegu 25,7 massiprotsenti. Tavaliselt ränidioksiidi (ränidioksiid) ja silikaatide kujul. Silikooni kasutatakse sageli optiliste kiudude valmistamiseks ja plastilises kirurgias patsiendi kehaosade täitmiseks silikooni kujul.
Pooljuhtide liigid
-
Sisemine pooljuht
Sisemine pooljuht on puhas ja ilma lisanditeta pooljuht. Räni ja germaanium on kahte tüüpi pooljuhid, mis on elektroonikas väga olulised. Mõlemad kuuluvad perioodilisustabeli IVA rühma ja neil on neli valentselektroni. Räni ja germaaniumi kristallstruktuur on tetraeedriline, kusjuures iga aatom jagab valentselektroni naaber aatomitega.
Kovalentse sideme purustamiseks vajalik energia on räni puhul 1,1 eV ja germaaniumi korral 0,7 eV. Toatemperatuuril (30 ° C)0K), paljudel elektronidel on sidemest eraldumiseks piisavalt energiat ja nad ergastuvad valentsribast juhtivusribani vabade elektronide saamiseks. Elektroni eemaldamiseks valentsribast juhtivusriba vajaminevat energiahulka nimetatakse keelatud energiaks (energialõhe). Kui kovalentne side on katki, tekib vabu kohti või auke (auk). Piirkonnas, kus on vaba töökoht, on positiivne laeng liiga suur ja vabade elektronide hõivatud piirkonnas on negatiivne laeng liiga suur. Need kaks laengut aitavad kaasa puhta pooljuhi elektrivoolule. Kui mõne teise kovalentse sideme valentselektron täidab augu, tekib auk uus teises kohas ja justkui liiguks positiivne laeng vanast august auku uus.
See laengu kulgemise protsess, mida tavaliselt nimetatakse "vooluks" triivima”Võib kirjutada järgmiselt“ Elektrijuhtivus pooljuhis on kahe osakese olemasolu tulemus igaühel positiivse ja negatiivse laenguga, mis liiguvad välja mõju tõttu vastassuunas elekter ". Nende kahe laengukandja olemasolu tõttu väljendatakse voolutihedust juhtivusena. Kuna aukude ja elektronide tekkimine toimub samaaegselt, siis puhtas pooljuhis on sisemises pooljuhis vaja elektronide ja aukude paaride moodustamiseks suurt hulka energiat määratakse valentsriba ja juhtimisriba vahelise energiavahega, mida kaugem on kaugus, seda suurem on energia, mis on vajalik elektronide - aukude - kandjatena moodustamiseks. koormus.
- Väline pooljuht
Välised pooljuhid on pooljuhid, mille protsess toimub pooljuhtmaterjalile teatavate aatomimaterjalide lisamise või lisamise teel pooljuhi juhtivuse suurendamiseks. Väliseid pooljuhte on kahte tüüpi, nimelt.-Tüüpi pooljuhid ja pooljuhitüüpi pooljuhid n ja -tüüpi pooljuht lk.
- Pooljuhtide tüüp n
Pooljuhtide tüüp n saab valmistada, lisades puhtale ränile väikestes kogustes viiekohalisi lisaaatomeid. Nendel lisandite (lisandi) aatomitel on viis valentselektroni ja nii tõhusalt on nende laeng + 5q. Kui viievalentne aatom hõivab kristallvõres räni aatomi positsiooni, on ainult neli elektroni valentselektronid, mis võivad moodustada täieliku kovalentse sideme, jättes elektroni, mis seda pole paarides. Ainult väikese koguse soojusenergia korral muutuvad need ülejäänud elektronid vabaks elektroniks ja on valmis muutuma elektrijuhtivuse protsessis laengukandjateks. Selle dopinguprotsessi tulemusel saadud materjali nimetatakse tüübi tüüpi pooljuhiks.n, sest see toodab neutraalsetest kristallidest negatiivseid laengukandjaid. Ja kuna lisandite aatomid loovutavad elektrone, nimetatakse neid lisaaatomiteks doonori aatomiteks.
-
Pooljuhtide tüüp lk
Samamoodi nagu.-Tüüpi pooljuhis n, pooljuhtide tüüp lk saab valmistada, lisades väikesele kogusele kolmevalentseid lisaaatomeid puhtale pooljuhile, näiteks: puhas räni. Nendel lisandiaatomitel (lisandid) on kolm valentselektroni, nii et nad suudavad tõhusalt moodustada ainult kolm kovalentset sidet. Kui kolmevalentne aatom hõivab kristallvõres räni aatomi positsiooni, moodustuvad kolm sidet täielik kovalentne side, jättes paarimata räniaatomile positiivse laengu, mida nimetatakse auk (auk). Selle dopinguprotsessi tulemusel saadud materjali nimetatakse -tüüpi pooljuhiks lk. Kuna lisaaatom aktsepteerib elektrone, nimetatakse lisaaatomit aktseptoriaatomiks.aktseptor).
Kuidas pooljuhid töötavad
Pooljuhtide jõudluses võtame transistori näitena, kuidas pooljuhid töötavad.
Põhimõtteliselt on transistoridel ja vaakumtorudel sarnane funktsioon; mõlemad reguleerivad elektrivoolu suurust. Pooljuhtide töö mõistmiseks kaaluge puhta veega täidetud klaasi. Kui sellesse sisestatakse paar juhti ja vahetult elektrolüüsipinge all (enne vett) rakendatakse alalispinge muundatud vesinikuks ja hapnikuks), ei voola voolu, kuna vees pole laengukandjaid (laengukandjad). Nii et puhast vett peetakse isolaatoriks. Kui sellele lisatakse veidi lauasoola, hakkab juhtiv vool voolama, kuna moodustub hulk mobiilseid kandjaid (ioone). Soola kontsentratsiooni tõstmine suurendab juhtivust, kuid mitte palju. Lauasool ise on mittejuht (isolaator), kuna laengukandjad pole vabad.
Puhas räni ise on isolaator, kuid kui dopinguks nimetatava protsessi abil lisatakse väike kogus saasteainet, näiteks arseen, mis on piisavalt väike, et mitte rikkuda ränikristalli paigutust, annetab Arseen vaba elektrone ja tulemus võimaldab voolu juhtimist elekter. Seda seetõttu, et arseeni välimisel orbiidil on 5 valentselektroni, ränil aga ainult 4 valentselektroni. Juhtivus toimub seetõttu, et lisatud on tasuta laengukandjaid (arseeni elektronide liiaga). Sel juhul on moodustatud n-tüüpi räni (n negatiivne, kuna laengukandjad on negatiivselt laetud elektronid).
Peale selle võib p-tüüpi pooljuhtide valmistamiseks räni booriga segada. Kuna boori välimisel orbiidil on ainult 3 valentselektroni, moodustuvad ränikristallide paigutusse uued laengukandjad, mida nimetatakse "aukudeks".
Vaakumtorus eralduvad hõõgniidiga kuumutatud katoodist termioonilise emissiooniga laengukandjad (elektronid). Seetõttu ei saa vaakumtoru luua positiivseid laengukandjaid (auke).
On näha, et sama laenguga laengukandjad tõrjuvad üksteist, nii et selle puudumisel teiste jõudude korral jaotuvad need laengukandjad materjalis ühtlaselt pooljuht. Kuid bipolaarses transistoris (või dioodühenduses), kus p-tüüpi pooljuht ja n-tüüpi pooljuht on valmistatud ühele ränikiibile, need laengukandjad kalduvad liikuma P-N ristmiku poole (piir p-tüüpi ja n-tüüpi pooljuhtide vahel), kuna neid tõmbavad vastupidised laengud. teiselt poolt.
Saasteainete hulga suurenemine (dopingutase) suurendab pooljuhtmaterjali juhtivust, kui ränikristallide paigutus säilib. Bipolaarses transistoris on emitteri terminali piirkonnas suurem dopingukogus kui baasterminalil. Emiteri ja aluse dopingu suhte suhe on üks paljudest teguritest, mis määravad transistori voolutugevuse omadused.
Pooljuhi jaoks vajalik dopingu kogus on väga väike, suurus on üks sajast miljonist ja see on pooljuhi edu võti. Metallis on laengukandjate populatsioon väga suur; üks laengukandja iga aatomi kohta.
Lisateabe saamiseks järgige järgmist linki:
- 223 Energia mõiste ja tüübid ekspertide sõnul
- Energia määratlus ja tüübid ekspertide sõnul
- Mõistmine ja 4 liiki potentsiaalset energiat loodetavasti
- Ekspertide sõnul arusaamine ja 100 valgusallikat ning nende eeliseid
See on ülevaade umbes Isolaatorid, juhid ja pooljuhid: määratlus, tüübid, vormid, materjalid ja nende tööpõhimõte Loodetavasti võib see olla kasulik haridusõppejõudude ustavatele sõpradele. Com Amen…