Изоляторы, проводники и полупроводники: типы, формы, принцип работы
Определение слова изолятор
Изолятор - это материал, который не может или с трудом переносит электрический заряд, имеет свойство изолировать электрический ток. Имеет очень большое электрическое сопротивление (сопротивление).
Расположение атомов таково, что валентным электронам трудно перемещаться из валентной зоны в зону проводимости из-за очень большой запрещенной зоны. Если происходит перенос электронов из валентной зоны в зону проводимости, другими словами, возникает напряжение пробоя.
ФОРМЫ ИЗОЛЯТОРА
Как и общее состояние объектов, изолирующие пломбы имеют схожие формы, а именно:
1. ТВЕРДЫЙ
Твердые тела различают по группам, а именно:
а) МАТЕРИАЛ
- Мрамор
Качество определяется его плотностью и натиранием. Чем плотнее и скользче, тем меньше водопоглощение. Поскольку его легко сломать и он тяжелый, в настоящее время он менее широко используется.
- Асбест
Асбест - волокнистый материал, непрочный и легко разрушаемый. Плохой изолятор. Его особенность в том, что его нельзя обжечь, поэтому он может выдерживать высокую температуру. Широко используется в бытовых электроприборах, таких как электрические утюги, электроплиты и другие нагревательные устройства.
- Слюда
Технические данные: Электрическая изоляция и механическая прочность очень высокие и эластичные. Высокая термостойкость (не до сотен градусов) и хорошая водонепроницаемость. Очень легкий и чистый (прозрачный). Широко используется в бытовых электроприборах, таких как электрические утюги, электроплиты и другие нагревательные устройства.
- Миканит
Миканит - это слюда, изменившая форму и состав материала. Слегка густой. Обычно используется на коммутаторе.
- Микафолиум
Разновидность миканита и в качестве материала используется поверх тонкого слоя бумаги. Легко гнуть с утеплителем. Обычно используется для наматывания спиральной проволоки или стержней в качестве изолятора в электрических машинах высокого напряжения.
- Микалек
В качестве основных материалов используются стекло и пластик. Наполнитель - слюдяной порошок. Высокая механическая прочность и часто используется в металлических (ртутных) выпрямителях, радиооборудовании и электроэнергетике. Mikalek - лучшая слюда, поэтому она может соответствовать требованиям, необходимым в качестве изолятора.
б) ВОЛОКОННЫЙ МАТЕРИАЛ
На самом деле этот материал не очень хорош, потому что он очень водопоглощающий. Несколько примеров:
- Пряжа
Фактически, он используется не только как изолятор, но, скорее всего, будет использоваться в качестве наполнителя кабеля, особенно заземляющего кабеля.
- Текстиль
Из пряжи, вплетенной в ленты, и ткани различного рисунка, размера и качества. Текстильные материалы используются в электротехнике как изоляторы для намотки проводов в электрических машинах, связующие и т. Д. Поскольку он впитывает жидкость, для улучшения изоляционных свойств его покрывают или погружают в изолирующий лак.
- Бумага
Бумага - это изоляционный материал с содержанием щелочи, имеющий высокую цену. Желтого или светло-коричневого цвета. Прочность бумаги зависит от содержания в ней воды. Чтобы избежать этого, бумагу покрывают изоляционным лаком. Обычно используется в катушках проводов, катушках, изоляции кабелей и бумажных конденсаторах. Обычно имеют определенную толщину.
- Преспан
По сравнению с бумагой, prespan более плотный, поэтому он меньше впитывает воду.
- Древесина
В древности его часто использовали для электрических столбов. Древесина может быть повреждена из-за биологических факторов, поэтому, чтобы она прослужила дольше, древесину необходимо сначала сохранить. Древесину также необходимо сжать, чтобы снизить ее влажность.
в) СТЕКЛО И КЕРАМИКА
- Стекло
Это хороший изолятор электричества, но он очень хрупкий. Обычно используются при изготовлении ламп накаливания.
- керамика
Керамика обладает высокой изоляционной способностью. Обычно делают из фарфора и стеатита.
- Стеатит
Внутри коробки переключателя и прокола. Обычно также изготовление бусинок для изоляции соединительных проводов, которые могут гнуться и располагаются рядом с электронагревательными приборами.
- фарфор
Это важный материал для изоляции, поскольку он обладает очень большой механической прочностью. Для изготовления частей изоляции электрооборудования, которые должны выдерживать большие сжимающие усилия, очень хорош фарфор. Вода не впитывается из-за эмали на поверхности.
г) ПЛАСТИКОВЫЕ
К хорошим свойствам пластиковых материалов относятся: легкий вес, низкая теплопроводность, водостойкость и высокая изоляционная способность. Пластик не подходит для работы с более горячими материалами. Существует 2 вида пластика, а именно:
- Термопластик
При температуре 60 градусов он стал мягким. Нагревание до плавления не изменяет химическую структуру.
- Термореактивный пластик.
Этот материал подвергся процессу разжижения, был отформован и претерпел изменения в химической структуре, так что он не может размягчиться даже при нагревании.
д) РЕЗИНА И ЭБОНИТ
- Резинка
Он эластичный и полезный, чтобы выдерживать столкновения. Он используется в качестве изолятора для электропроводности, использования резиновых труб для изоляции кабельных башмаков и упаковки кабеля.
- Эбонит
Можно гнуть в кипящей воде, подпиливать, сверлить и точить. Устойчив к кислотам и используется как аккумуляторная ванна. Не впитывает воду. Не выдерживает жары.
е) СОСТАВЛЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ
- Свечи и парафин
Он быстро тает, обладает свойством не впитывать воду и дает множество результатов, что делает его одним из полезных материалов для электроизоляции, хотя температура плавления относительно низкая. Обычно используется в конденсаторах или в слабых токах.
2. ЖИДКОСТЬ
- Трансформаторное масло
Требуется как охлаждающая жидкость в трансформаторе из-за намотки провода. Без охлаждения приведет к повреждению изоляции сердечника, обмоток и некоторых частей.
- Кабельное масло
Обычно делается концентрированным и для добавления в концентрацию можно смешивать со смолой. Используется для уплотнения бумажной изоляции силовых кабелей, кабелей заземления, особенно кабелей высокого напряжения.
3. ГАЗ
- Азот
Он используется в качестве контроллера для зарядных / распределительных кабельных каналов, чтобы определить, хороша ли изоляция кабеля. Особенно на заземляющих проводах, где часто возникают ржавчина, царапины и трещины на свинце.
- Водород
Водород используется в качестве теплоносителя для турбогенераторов и синхронных конденсаторов. Хотя, как охладитель, это еще и изолятор тепла и электричества.
- Углекислый газ
Используется в турбогенераторах. Обладает противопожарными свойствами. В качестве меры безопасности при смешивании водорода и воздуха, которое может вызвать взрыв.
ИЗОЛЯТОРНЫЙ МАТЕРИАЛ
Классификация изоляционных материалов по максимальной рабочей температуре:
| Класс | Максимальная рабочая температура |
| Y | 90 ° С |
| А | 105 ° С |
| E | 120 ° С |
| B | 130 ° С |
| F | 155 ° С |
| ЧАС | 180 ° С |
| C | выше 180 ° C |
Y класс
К классу Y можно отнести: хлопок, натуральный шелк, синтетическую шерсть, вискозу, полиамидное волокно, бумагу, пряжу, дерево, полиакрит, полиэтилен, поливинил, каучук.
Класс А
К классу А можно отнести: волокнистый материал класса Y, погруженный в лак, асфальт, трансформаторное масло, эмаль, смешанную с лаком и полиамидом.
Класс E
К классу E можно отнести: изоляция эмалевого провода с использованием связующих на основе формального поливинила, полиуретана и эпоксидной смолы. и другие аналогичные связующие с целлюлозными наполнителями, пертинакс и текстолит, триацетатные пленки, пленки из полиэтилентерефталатных волокон.
Класс B
К классу B можно отнести: неорганические материалы (слюда, стекло, волокно, асбест), окрашенные или склеенные лаком или компаундом, битум, сирлак, бакелит и т. Д.
Класс F
К классу F можно отнести: неорганические материалы, окрашенные и склеенные вместе высокотермостойкой эпоксидной смолой, полиуретаном или лаком.
H класс
К классу H можно отнести: все композиционные материалы с основными ингредиентами - слюдой, асбестом. и стекловолокно, смоченное в силиконе без смеси волокнистых материалов (бумага, хлопок и так далее). К этому классу относятся силиконовая резина и проволочная эмаль из чистого полиамида.
Класс C
К классу C можно отнести: неорганические материалы, не окрашенные и не связанные веществами. органические материалы, такие как слюда, термостойкий миканит (с использованием неорганических связующих), микалекс, стекло и другие материалы керамика. Только один органический материал, относящийся к классу C, а именно полиэтиленфторэтилин (тефлон).
Определение дирижера (Conductor)
Проводники - хорошие проводники электричества. Этот материал обладает большой электропроводностью и малым электрическим сопротивлением. Электрические проводники используются для проведения электрического тока. Обратите внимание на функцию кабеля, катушки / катушки на электроинструменте, с которым вы встречаетесь. Также на линии передачи / распределения. В электротехнике наиболее распространены медь и алюминий.
Материалы, используемые для проводов, должны соответствовать следующим требованиям.
- Электропроводность неплохая.
- Его механическая прочность (предел прочности) довольно высока.
- Коэффициент расширения небольшой.
- Модуль упругости (модуль упругости) довольно большой.
Материалы, обычно используемые в качестве проводников, включают:
- Обычные металлы, такие как: медь, алюминий, железо и т. Д.
- Легированный металл, который представляет собой металл из меди или алюминия, смешанный в определенном количестве с другим типом металла, который используется для увеличения его механической прочности.
- Композиционный металл, который представляет собой два или более металла, соединенных сжатием, плавкой или сваркой.
Классификация проводов по конструкции:
- сплошной провод (сплошной провод) круглого сечения.
- Стандартный провод состоит из от 7 до 61 сплошного провода, скрученного вместе, обычно слоистого и концентрического.
- Полая проволока (полый проводник) - это полая проволока, изготовленная для получения большого внешнего диаметра.
Характеристики проводника
Различают 2 (два) типа характеристик проводников, а именно:
- механические характеристики, которые указывают на физическое состояние проводника, которое выражает предел прочности проводника на растяжение (из SPLN 41-8: 1981, для проводника AAAC-S сечением 70 мм2 при температуре окружающей среды 30 ° C максимальная пропускная способность проводника по току составляет 275 A).
- электрические характеристики, указывающие на способность проводника проводить через него электрический ток (из СПЛН 41-10: 1991, для провод AAAC-S сечением 70 мм2 при температуре окружающей среды 30 ° C, то максимальная способность проводника проводить ток составляет 275 А).
Критерии материала проводника
На проводимость проводящего металла сильно влияют легирующие элементы, примеси или примеси. несовершенства металлических кристаллов, все три из которых играют важную роль в производственном процессе сам отправитель. Направляющие элементы не только влияют на электрическую проводимость, но и влияют на другие механические и физические свойства. Чистые металлы имеют лучшую электропроводность, чем металлы более низкой чистоты. Однако механическая прочность чистого металла невысока.
Электропроводники, помимо того, что они требуют высокой проводимости, также требуют определенных механических и физических свойств, которые адаптированы к использованию самого проводника.
Помимо технических проблем, использование металла в качестве проводника также во многом определяется экономической ценностью металла в обществе. Поэтому абсолютно необходим компромисс между технической и экономической стоимостью используемого металла. Это самый дешевый компромисс, который определит, какой металл использовать. В настоящее время медь и алюминий являются предпочтительными металлами среди других типов проводящих металлов, которые соответствуют наиболее дешевым экономически-техническим компромиссам.
Из видов проводящих металлов в таблице 1. Выше медь - самый длинный проводник, используемый в электрическом поле. В 1913 году Международная электрохимическая комиссия (МЭК) установила стандарт, который показывает проводимость медной проволоки, которая стала известна как Международный стандарт отожженной меди. (МАКО). Стандарт гласит, что для медной проволоки, размягченной в процессе отжига, она имеет Длина 1 м, площадь поперечного сечения 1 мм2, электрическое сопротивление не более 0,017241 Ом при комнатной температуре. 20оC, как заявлено, имеет 100% -ную электрическую проводимость IACS.
Однако благодаря технологическим достижениям в процессе производства меди, достигнутым сегодня, уровень чистоты меди в проводе проводимости намного выше, чем в 1913 году, то электрическая проводимость медной проволоки сегодня может достигать более 100% МАКО.
Для алюминиевой проволоки электропроводность обычно сравнивают со стандартной медной проволокой. Согласно стандарту ASTM B 609 для алюминиевой проволоки класса EC или серии AA 1350 (*), электропроводность находится в пределах 61,0–61,8% IACS, в зависимости от твердости или условий отпуска. Что касается токопроводящей проволоки из алюминиевого сплава серии AA 6201, согласно стандарту ASTM B 3988 требование к электропроводности не должно быть менее 52,5% IACS. Провод 6201 обычно используется для материала кабеля типа проводник из алюминиевого сплава (AAAC).
В дополнение к требованиям к электрическим свойствам, таким как указанная выше электропроводность, другие критерии качества. также должны соблюдаться все или часть следующих характеристик или условий: это:
а. химический состав.
б) свойства при растяжении, такие как прочность на разрыв (предел прочности) и деформация при растяжении (удлинение).
- свойства изгиба
- допустимые диаметры и вариации.
- состояние поверхности провода должно быть без дефектов и т. д.
Свойства материала проводника:
Электротехнические материалы обладают важными свойствами, такими как:
- Электрическая проводимость
- Температурный коэффициент сопротивления
- теплопроводность
- Прочность на растяжение и
- Появление термо-электродвигателя мощности
- а)Электрическая проводимость
Ток, протекающий по проводнику, всегда испытывает сопротивление со стороны самого проводника. Величина сопротивления зависит от материала. Сопротивление на метр с площадью поперечного сечения 1 мм2 при температуре 200C называется удельным сопротивлением. Величину удельного сопротивления материала можно рассчитать по формуле:
R = 1 / А
Где :
R: Сопротивление в проводе, единица Ом (Ом)
: сопротивление типа материала, в единицах Ом.мм2 / м
l: длина жилы, единица измерения - метры (м)
А: площадь поперечного сечения токопроводящей жилы, мм.2
- б)Коэффициент барьерной температуры
Мы уже знаем, что материал будет испытывать изменение объема при изменении температуры. Материал будет расширяться при повышении температуры и сжиматься при понижении температуры. Величину изменения сопротивления из-за изменений температуры можно узнать из уравнения;
R = R0 {1 + (t - t0)},
Где :
R: большое сопротивление после изменения температуры
R0: начальное сопротивление до изменения температуры.
Q: конечная температура, дюйм 0C
т0: начальная температура, дюйм 0C
: температурный коэффициент сопротивления
Значение удельного сопротивления, удельного веса и температуры плавления различных материалов можно увидеть в таблице 6.1.
| Название материала | Тип заключенного | Удельный вес | Температура плавления |
| Серебро. Медь Кобальт Золото алюминий Молибдин Вольфрам Цинк Латунь Никель Платина Никелин белая жесть Стали Ванадий Висмут Марганец Вести Дюралюминий Манганин Постоянный Меркурий |
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 |
Наиболее широко используемый материал проводников - это медь, потому что медь является лучшим проводником после серебра, а цена невысока, поскольку она широко доступна повсюду. В последнее время в качестве проводников широко используются алюминий и сталь, хотя удельное сопротивление довольно велико, оно считается очень большим, и цена становится дешевле.
- в) Теплопроводность
Теплопроводность показывает количество тепла, которое проходит через слой материала в единицу времени. Вычисляется в Ккал / час. 0С. Особенно учитываются при использовании электрических машин и их оборудования. В целом металлы имеют высокую теплопроводность, а неметаллы - низкую.
- г)Предел прочности
Механические свойства материалов очень важны, особенно при наземной транспортировке. Следовательно, материал, используемый для этой цели, должен быть известен своей прочностью. Особенно это касается использования в распределительных сетях высокого напряжения. Проводники могут быть твердыми, жидкими или газовыми. В твердой форме проводниками обычно являются металлы, электролиты и жидкий металл (ртуть). жидкий, ионизированный воздух и благородные газы (неон), криптон и др.) газ.
- д) Производство энергии термо-электродвигателя.
Это свойство очень важно для двух точек соприкосновения из двух разных металлов, потому что В цепи ток будет вызывать собственную мощность термо-электродвигателя при изменении температуры. температура.
Мощность термоэлектродвигателя может быть выше, поэтому настройки тока и напряжения могут отличаться, даже если они очень малы. Величина разницы в генерируемом напряжении зависит от свойств двух используемых материалов и пропорциональна разнице температур. Мощность электродвигателя, генерируемая разницей температур, называется мощностью термо-электродвигателя.
Различные материалы проводников
Функция проводника в электротехнике заключается в распределении электрической энергии, то есть в распределении электрической энергии от одной точки к другой. Обычно используемые проводники включают:
Медь и алюминий. Некоторые из существующих дирижеров и их актуальность включают:
- алюминий
Чистый алюминий имеет плотность 2,7 г / см.3 , температура плавления составляет 658 ° C и не вызывает коррозии. Электропроводность алюминия составляет 35 м / ом.мм2 или примерно 61,4% от проводимости меди. Алюминий имеет мягкую форму, его предел прочности составляет всего 9 км / мм2. По этой причине, если алюминий используется в качестве проводника с достаточно большими размерами, его всегда армируют сталью или алюминиевым сплавом. Такое использование, например, на: ACSR (алюминиевый проводник, армированный сталью). Конструкция проводника из алюминия и стали показана на Рисунке 6.1.
Другое использование алюминия - это бустар, и по определенным причинам, например, для экономии, изготавливаются изолированные алюминиевые проводники, такие как: ACSR - OW. Согласно ASA (Американская ассоциация стандартов), алюминиевые сплавы имеют маркировку в следующей таблице:
Таблица 6.1 Маркировка алюминиевого сплава
| Название материала | Финансирование |
| Алюминий (чистота не менее 99%)
Большинство сплавов состоят из: Медь Марганец Силикон Магний Магний и кремний Цинк Так далее Неиспользованная серия |
1ххх. 2ххх 3ххх 4ххх 5ххх 6ххх 7ххх 8ххх 9ххх |
- Медь
Медь обладает высокой электропроводностью 57 мм.2/ м в 20 оС. Температурный коэффициент меди 0,004 на оС. Кривая удельного сопротивления меди в зависимости от температуры не является линейной.
Наиболее важное применение меди в электротехнике - это проводник, например: проволока. изолированный (NYA, NYAF), кабель (NYM, NYY, NYFGbY), шина, пластина двигателя постоянного тока, тормозное кольцо на двигателе переменного тока и и т.п. Медь обладает стойкостью к коррозии и окислению. Плотность чистой меди при 200C 8,96 г / см3, точка замерзания 10830С. Предел прочности меди невысокий - от 20 до 40 кг / мм2, предел прочности прутка медь поднимется после того, как медный стержень уменьшится в поперечном сечении, чтобы использовать его в качестве изолированного провода или кабель. Как уменьшить поперечное сечение медной катанки до проволоки с помощью съемника.
Для уменьшения поперечного сечения медного прутка используется растяжной камень.умри), которые различаются по размеру, тем меньше сечение точилки. Чем меньше требуется поперечное сечение проволоки, тем больше используется ступенек из камня. В качестве растяжимого каменного материала для изготовления проволоки достаточно большого диаметра используется карбид вольфрама, а для изготовления проволоки малого диаметра - алмаз. Во время вывода будет увеличение длины. По этой причине тяговое колесо, установленное за тяговым камнем, имеет круглый или больший диаметр.
После затягивания медного стержня в проволоку медь станет более пластичной. Это условие не подходит для использования в качестве изолированного провода или кабеля. Чтобы медь снова стала мягкой, ее нужно нагреть. Однако во время процесса вывода необходимо соблюдать осторожность, чтобы не произошло окисления. После завершения процесса нагрева можно приступать к изготовлению изолированного провода или кабеля.
Для проводов с поперечным сечением менее 16 мм2 используются одножильные проводники, а для проводов с поперечным сечением> 16 мм2 используются скрученные волоконно-оптические проводники. Обеспечение изоляции на изолированном проводе.
Проволока из катушки A протягивается через экструдер B. затем ПВХ, который выходит из C, охлаждается в охлаждающей ванне D. Изолированный провод вне D испытывают искровым испытанием E, вытягивают съемником F и затем скручивают роликом G.
- Стали
Сталь - это металл, сделанный из железа со смесью углерода. В зависимости от состава углеродистой смеси сталь подразделяется на три типа, а именно: низкоуглеродистую сталь ( 0-25%), сталь со средним содержанием углерода (0,25-0,55%) и сталь с высоким содержанием углерода (более 0,55%). %). Несмотря на низкую проводимость стали, а именно:
но он используется в проводниках передачи, а именно ACSR, где функция стали в этом случае заключается в механическом упрочнении алюминиевого проводника после гальванизации цинком. Преимущество использования стали в ACSR заключается в экономии алюминия. Исходя из вышеизложенных соображений, биметаллический проводник (отличающийся от термического биметалла безопасностью) изготавливается, как показано на рисунке 6.5.
К преимуществам использования биметаллического проводника можно отнести:
- В переменном токе ток имеет тенденцию проходить через внешнюю часть проводника (скин-эффект).
- Покрытие стали медью защищает сталь как проводник от коррозии. Биметаллические жилы используются помимо токопроводящих проводов для сборных шин, соединительных ножей и прочего.
- Вольфрам
Этот металл серо-белого цвета, имеет плотность 20 г / см3, температуру плавления 34100C, точка кипения 59000C,? = 4.4.10–6 за 0 C, удельное сопротивление 0,055? мм2 / м. Вольфрам получают из шахт, разделенных магнитными или химическими процессами. При реакции восстановления вольфрамовой кислоты (H2WO4) при температуре 7000C получен вольфрамовый порошок. Затем из порошка вольфрама формируются слитки с помощью процесса, называемого порошковой металлургией, при котором используются высокое давление и температура (2000 атм, 1600 атм).0В) без окисления. С помощью вытяжной машины диаметр вольфрамового стержня можно уменьшить до 0,01 мм (вытягивание осуществляется в горячих условиях). Использование walfram в электротехнике, в частности, для: нитей накаливания (лампы накаливания, галогенные лампы, двойные лампы), электродов, электронных ламп и т. Д.
- Молибден
Свойства этого металла аналогичны вольфраму, как и способы его получения. Молибден имеет плотность 10,2 г / см3, температуру плавления 2620 г.0C, точка кипения 37000C,? = 53. 10–7 чел. 0 C, удельное сопротивление 0,048? мм2 / м, температурный коэффициент 0,0047 на 0 С. Использование молибдена, среди прочего: рентгеновская трубка, вакуумная трубка, потому что молибден может образовывать прочный слой со стеклом. В качестве металлического сплава используется для изготовления прочных, устойчивых к коррозии деталей, работающих при высоких температурах.
- Платина
Платина - это тяжелый металл серовато-белого цвета, не вызывает коррозии, трудно плавится и устойчив к большинству химикатов. Плотность 21,4 г / см3, температура плавления 1775 г.0C, температура кипения 45300C,? = 9. 10–6 чел. 0 C, удельное сопротивление 0,1? мм2 / м, температурный коэффициент 0,00307 на 0 С. Платина может быть сформирована в виде тонких нитей и тонких стержней.
Использование платины в электротехнике, среди прочего, для нагревательных элементов в лабораториях духовок или горелок, требующих высоких температур, превышающих 1300 ° С.0C, для платино-родиевой термопары (работа выше 16000C), платина диаметром +1 микрон используется для подвешивания движущихся частей на электросчетчиках и других чувствительных инструментах, а также для материалов потенциометров. Ниже приводится таблица констант для проводящих материалов.
- Меркурий
Ртуть - единственный металл, который находится в жидком состоянии при комнатной температуре. Удельное сопротивление составляет 0,95 Ом. мм2 / м, температурный коэффициент 0,00027 на 0 С. При нагревании на воздухе ртуть очень легко окисляется. Ртуть и ее специальные смеси паров ртути токсичны. Использование ртути включает: газ для наполнения электронных трубок, разъемы на ртутных переключателях, жидкость в диффузионных насосах, электроды на приборах для измерения электрических свойств диэлектрических материалов твердый. Другие логаны, которые также широко используются в электротехнике, включают тантал и ниобий.
Тантал и ниобий в сочетании с алюминием широко используются в качестве электролитических конденсаторов.
- Материалы с высоким удельным сопротивлением
Материал с высоким удельным сопротивлением, используемый для оборудования, которое требует большого сопротивления, поэтому при подаче электрического тока будет большое падение напряжения. Примеры использования материалов с высоким удельным сопротивлением включают: в электрических нагревателях, реостатах и резисторах. Эти материалы должны иметь низкий температурный коэффициент. У ТЭНов при высоких температурах долгое время не должно происходить окисления и плавления.
К материалам с высоким удельным сопротивлением относятся: константан, марганец, никель и фехраль, состав которых приведен в таблице 6.3.
Таблица 6.3 Материалы с высоким сопротивлением
| Название сплава | Состав. (%) |
Масса. тип |
удельное сопротивление. ? мм2 / м |
температурный коэффициент. 10– 5 чел. 0 C |
| Постоянный. хромель Манганин нихром Фехраль Никель |
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, остальное Fe 0,7 Mn, 0,6 Ni, 12-15 Cr, 3,5-5 Al, остальное 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 |
- Вести
Свинец имеет плотность 11,4 г / см3, слегка мягкий, плавится при 327 ° С.0C, точка кипения 15600C, серого цвета, очень пластичный, устойчивый к коррозии материал с проводимостью 4,5 м /? .мм2. Свинец используется в электротехнике, в том числе в аккумуляторных ячейках, оболочках заземляющих кабелей, а также в качестве защиты в атомной промышленности. Свинец не устойчив к вибрационным воздействиям и легко связывается с остаточными кислотами. Для использования в качестве защиты кабеля заземления, если он установлен в этом месте, необходима дополнительная защита. Мокрая известь, морская вода и влажный цемент могут вступать в реакцию со свинцом. Вот почему в дополнение к свинцу в качестве экрана заземляющего провода также используется сплав свинца, который имеет более гладкую, прочную и устойчивую к вибрации кристаллическую структуру. Но этот материал более подвержен коррозии и содержит токсины.
Определение полупроводника
Полупроводник - это материал, удельная электропроводность которого находится между изоляцией и проводником. Полупроводник действует как изолятор при очень низких температурах.
Основные принципы полупроводников
Полупроводники обладают проводящими свойствами между проводниками и изоляторами. Примерами полупроводниковых материалов являются кремний, германий, сульфид свинца, арсенид галлия, антиоксид индия и селен. Материалы, которые обладают полупроводниковыми свойствами, имеют значение удельного сопротивления (ρ) между проводником и изолятором, которое составляет 10-6 – 104 ом.
Поле проводимости 10-6 – 104 ом-2 м-2 с запрещенной зоной менее 6 эВ. Энергетическая щель - это энергия, необходимая электронам для разрыва ковалентных связей, чтобы они могли перемещаться с валентного пути на путь проводимости. Полупроводниковые основные материалы можно разделить на три типа, а именно:
- Трехвалентный, имеет атом с числом валентных электронов 3 штуки, например: бор (B), галлий (Ga) и индий (In).
- -Тетравалентный, имеет атомы с числом валентных электронов 4 штуки, например: кремний (Si) и германий (Ge).
- Пятивалентный, имеет атомы с 5 валентными электронами, например: фосфор (P), мышьяк (As) и сурьма (Sb).
Полупроводниковая атомная система
Широко известными полупроводниковыми материалами являются, например, кремний (Si), германий (Ge) и арсенид галлия (GaAs). Когда-то германий был единственным известным материалом для изготовления полупроводниковых компонентов. Но в последнее время силикон стал популярным после того, как нашел способ извлечь этот материал из природы. Кремний - второй по распространенности материал на Земле после кислорода (O2).
В атомной структуре кристаллов кремния одно атомное ядро (ядро) имеет 4 валентных электрона. Стабильная атомная ядерная связь - это если она окружена 8 электронами, поэтому в атоме 4 электрона. кристалл образует ковалентные связи с ионами соседних атомов при очень низких температурах (0 ° К). Атомная структура кремния представлена на следующем рисунке:
Ковалентные связи предотвращают перемещение электронов от одного атомного ядра к другому. В таких условиях полупроводниковый материал является изолятором, потому что в нем нет электронов, которые могут перемещаться, чтобы проводить электричество. При комнатной температуре некоторые ковалентные связи высвобождаются из-за тепловой энергии, что позволяет электронам высвобождаться из их связей. Однако только небольшое количество может быть вытеснено, что делает невозможным быть хорошим дирижером.
Физики, особенно те, кто в то время освоил квантовую физику, пытались легировать этот полупроводниковый материал. Допирование предназначено для получения все большего и большего количества постоянных свободных валентных электронов, которые, как ожидается, будут способны проводить электричество.
Основной полупроводниковый материал
- Подготовка полупроводниковых материалов
Полупроводники с предсказуемыми и надежными электронными свойствами необходимы для массового производства. Уровень химической чистоты
Требуется очень много, потому что наличие дефектов даже в очень малых пропорциях может иметь большое влияние на свойства материала. Также требуются кристаллы с высокой степенью совершенства из-за ошибок в структуре. кристаллы (например, дислокации, двойникование и растрескивание стопки) нарушают свойство полупроводимости материал.
Кристаллические трещины - основная причина выхода из строя полупроводниковых приборов. Чем больше кристалл, тем сложнее достичь необходимого совершенства. В текущем процессе массового производства используются кристаллические слитки (основные материалы) диаметром от 4 до 12 дюймов (± 30 см), которые выращиваются в виде цилиндров, а затем нарезаются на пластины.
В связи с необходимостью высокой степени химической чистоты и идеальной кристаллической структуры для изготовления полупроводниковых устройств были разработаны специальные методы производства исходных полупроводниковых материалов. Метод достижения высокой чистоты включает выращивание кристаллов с использованием процесса Чохральского. Дополнительный этап, который можно использовать для дальнейшего повышения чистоты, известен как улучшение зоны. При зонном ремонте часть твердого кристалла переводится в жидкое состояние. Примеси имеют тенденцию концентрироваться в сжиженной области, в то время как требуемый материал перекристаллизуется, в результате чего получается более чистый и кристаллический материал с меньшим количеством ошибок.
- Типы полупроводниковых тел и их использование
| Нет | Название полупроводника | Применение |
| 1 | Титинат бария (BaTi) | Термистор (PTC) |
| 2 | Теллурид висмута (Bi2 Te3) | Термоэлектрическое преобразование |
| 3 | Сульфид кадмия (CdS) | Фотопроводящая ячейка |
| 4 | Арсенид галлия (Ga As) | Диоды, транзисторы, лазеры, светодиоды, генераторы волн и Micro |
| 5 | Германий (Ge) | Диоды и транзисторы |
| 6 | Антимонид индия (в Sb) | Магниторезистор, пьезорезисторный детектор и инфракрасное излучение |
| 7 | Арсенид индия (In As) | Пьезорезистор |
| 8 | Кремний (Si) | Диоды, транзисторы и ИС |
| 9 | Карбид кремния (Si Cb) | Варистор |
| 10 | Сульфид цинка (Zn S) | Электроосветительное устройство |
| 11 | Германий Кремний (Ge Si) | Термоэлектрическая генерация |
| 12 | Селен (Se) | Выпрямитель |
| 13 | Алюминий-стибий (Al Sb) | Подсветка диодная |
| 14 | Галлий фосфор (Ga P) | Подсветка диодная |
| 15 | Индий фосфор (In P) | Инфракрасный фильтр |
| 16 | Оксид меди | Выпрямитель |
| 17 | Плюмбун сера (Pb S) | сотовая фотография |
| 18 | Плюмбун селен (Pb Se) | сотовая фотография |
| 19 | Индий-стибий (в Sb) | Инфракрасный детектор, инфракрасный фильтр и генератор Холла |
Кремний - это химический элемент в периодической таблице, который имеет символ Si и атомный номер 14, является вторым по распространенности элементом на Земле. Образовавшееся соединение парамагнитное. Этот химический элемент был открыт (Jons Jakob Berzelius 1923). кремний составляет почти 25,7% по весу. Обычно в виде диоксида кремния (кремнезема) и силикатов. Силикон часто используется для изготовления оптических волокон, а в пластической хирургии он используется для заполнения частей тела пациента в виде силикона.
Виды полупроводников
-
Внутренний полупроводник
Собственный полупроводник - это чистый полупроводник без каких-либо примесей. Кремний и германий - это два типа полупроводников, которые очень важны в электронике. Оба расположены в группе IVA периодической таблицы и имеют четыре валентных электрона. Кристаллическая структура кремния и германия тетраэдрическая, где каждый атом разделяет валентный электрон с соседними атомами.
Энергия, необходимая для разрыва ковалентной связи, составляет 1,1 эВ для кремния и 0,7 эВ для германия. При комнатной температуре (300K), ряд электронов обладают достаточной энергией для разрыва связи и возбуждаются из валентной зоны в зону проводимости, становясь свободными электронами. Количество энергии, необходимое для выведения электрона из валентной зоны в зону проводимости, называется запрещенной энергией (энергетический разрыв). Если ковалентная связь разорвана, появятся вакансии или дыры (отверстие). В области, где есть вакансия, будет избыток положительного заряда, а в области, занятой свободными электронами, будет избыток отрицательного заряда. Эти два заряда способствуют прохождению электричества в чистом полупроводнике. Если валентный электрон из другой ковалентной связи заполняет дырку, дырка возникает новый в другом месте и как будто положительный заряд перемещается из старого отверстия в отверстие новый.
Этот процесс прохождения заряда, обычно называемый «током». дрейф»Можно записать следующим образом:« Электропроводимость в полупроводнике является результатом присутствия двух частиц. каждый с положительным и отрицательным зарядом, который движется в противоположных направлениях из-за влияния поля электричество". Благодаря наличию этих двух носителей заряда плотность тока выражается как проводимость. Поскольку появление дырок и электронов происходит одновременно, то в чистом полупроводнике требуется большое количество энергии для образования электронных и дырочных пар в собственном полупроводнике. определяется энергетической щелью между валентной зоной и зоной проводимости, чем дальше расстояние, тем больше энергии требуется для образования электронов - дырок в качестве носителей. нагрузка.
- Внешний полупроводник
Внешние полупроводники - это полупроводники, процесс которых заключается в легировании или легировании определенных атомарных материалов на полупроводниковый материал для увеличения проводимости полупроводника. Есть два типа внешних полупроводников, а именно полупроводники типа. п полупроводник и -типа п.
- Тип полупроводника п
Тип полупроводника п может быть получен добавлением небольших количеств атомов пятивалентной примеси к чистому кремнию. Эти примесные атомы (легирующие примеси) имеют пять валентных электронов и поэтому эффективно имеют заряд + 5q. Когда пятивалентный атом занимает положение атома кремния в кристаллической решетке, только четыре электрона валентные электроны, которые могут образовывать полную ковалентную связь, оставляя электрон, который не в парах. Имея лишь небольшое количество тепловой энергии, эти оставшиеся электроны станут свободными электронами и готовы стать носителями заряда в процессе электропроводности. Материал, полученный в результате этого процесса легирования, называется типовым полупроводником.п, потому что он производит отрицательные носители заряда из нейтральных кристаллов. А поскольку примесные атомы отдают электроны, эти примесные атомы называются донорными атомами.
-
Тип полупроводника п
Так же, как и в полупроводнике α-типа п, полупроводниковый тип п может быть получен путем добавления небольшого количества трехвалентных примесных атомов к чистому полупроводнику, например: чистый кремний. Эти примесные атомы (легирующие примеси) имеют три валентных электрона, поэтому они могут эффективно образовывать только три ковалентные связи. Когда трехвалентный атом занимает положение атома кремния в кристаллической решетке, образуются три связи полная ковалентная связь, оставляющая положительный заряд на неспаренном атоме кремния, называемом отверстие (отверстие). Материал, полученный в результате этого процесса легирования, называется полупроводником a -типа. п. Поскольку примесный атом принимает электроны, примесный атом называется акцепторным атомом.акцептор).
Как работают полупроводники
Что касается полупроводников, мы берем транзистор в качестве примера того, как работают полупроводники.
По сути, транзисторы и электронные лампы имеют схожую функцию; оба регулируют количество электрического тока. Чтобы понять, как работают полупроводники, рассмотрим стакан, наполненный чистой водой. Если в него вставить пару проводников и приложить постоянное напряжение чуть ниже напряжения электролиза (до того, как вода преобразованы в водород и кислород), ток не будет протекать, потому что вода не имеет носителей заряда (носители заряда). Итак, чистая вода рассматривается как изолятор. Если к нему добавить немного поваренной соли, начнет течь ток проводимости, так как образуется ряд мобильных носителей (ионов). Повышение концентрации соли увеличит проводимость, но ненамного. Сама по себе поваренная соль является непроводником (изолятором), потому что носители заряда несвободны.
Чистый кремний сам по себе является изолятором, но если добавить небольшое количество загрязнителя, такого как мышьяк, с помощью процесса, называемого легированием, количество который достаточно мал, чтобы не нарушать структуру кристалла кремния, мышьяк будет отдавать свободные электроны, и в результате может происходить проводимость тока. электричество. Это связано с тем, что мышьяк имеет 5 валентных электронов на своей внешней орбите, тогда как кремний имеет только 4 валентных электрона. Проводимость возникает из-за того, что были добавлены свободные носители заряда (из-за избытка электронов из мышьяка). В этом случае был сформирован кремний n-типа (n - отрицательный, поскольку носителями заряда являются отрицательно заряженные электроны).
Кроме того, кремний можно смешивать с бором для получения полупроводников p-типа. Поскольку бор имеет только 3 валентных электрона на своей внешней орбите, в структуре кристалла кремния будут формироваться новые носители заряда, называемые «дырками».
В вакуумной трубке носители заряда (электроны) испускаются термоэлектронной эмиссией с катода, нагретого нитью накала. Следовательно, вакуумная трубка не может создавать носители положительного заряда (дырки).
Видно, что носители заряда с одинаковым зарядом будут отталкивать друг друга, так что в отсутствие другие силы, эти носители заряда будут равномерно распределены в материале полупроводник. Но в биполярном транзисторе (или диодном переходе), где полупроводник p-типа и полупроводник n-типа выполнены на одном кремниевом кристалле, эти носители заряда стремятся двигаться к P-N-переходу (граница между полупроводниками p-типа и n-типа), поскольку они притягиваются противоположными зарядами. с другой стороны.
Увеличение количества загрязняющих веществ (уровня легирования) увеличит проводимость полупроводникового материала, пока сохраняется структура кристалла кремния. В биполярном транзисторе область вывода эмиттера имеет большее количество легирования, чем вывод базы. Соотношение между коэффициентом легирования эмиттера и базы является одним из многих факторов, определяющих характеристики усиления транзистора по току.
Количество легирования, необходимое для полупроводника, очень мало, его размер составляет один на сто миллионов, и это ключ к успеху полупроводника. В металле очень много носителей заряда; по одному носителю заряда на каждый атом.
Для получения дополнительной информации перейдите по следующей ссылке:
- 223 Определение и виды энергии по мнению экспертов
- Определение и виды энергии по мнению экспертов
- Понимание и 4 вида потенциальной энергии, надеюсь
- Понимание и 100 источников света и их преимущества по мнению экспертов
Это обзор о Изоляторы, проводники и полупроводники: определение, типы, формы, материалы и принцип работы Надеюсь, это может быть полезно для верных друзей преподавателей образования. Ком, аминь…