Исследование электрических свойств металлов и полупроводников

Исследование электрических свойств металлов и полупроводников 

План курсовой работы

1. Введение
2. Металлические проводниковые и полупроводниковые материалы, магнитные материалы
1. Классификация электротехнических материалов
2. Проводниковые материалы
3. Полупроводниковые материалы
4. Магнитные материалы

 

Введение

В данном курсовом проекте будет  освещен материал по темам «Цветные металлы: классификация, области применения»  и «Металлические проводниковые  и полупроводниковые материалы, магнитные материалы», вторую из них  совместил из трех тем, чтобы показать основу по роду моей профессии, т.к. занят  в энергетической области.

2.         Металлические проводниковые и полупроводниковые материалы, магнитные материалы

2.1 Классификация электротехнических  материалов

Электротехнические материалы  представляют собой совокупность проводниковых, электроизоляционных, магнитных и  полупроводниковых материалов, предназначенных  для работы в электрических и  магнитных полях. Сюда же можно отнести  основные электротехнические изделия: изоляторы, конденсаторы, провода и  некоторые полупроводниковые элементы. Электротехнические материалы в  современной электротехнике занимают одно из главных мест. Всем известно, что надежность работы электрических  машин, аппаратов и электрических  установок в основном зависит  от качества и правильного выбора соответствующих электротехнических материалов. Анализ аварий электрических  машин и аппаратов показывает, что большинство из них происходит вследствие выхода из строя электроизоляции, состоящей из электроизоляционных материалов.

Не менее важное значение для электротехники имеют магнитные материалы. Потери энергии и габариты электрических машин и трансформаторов определяются свойствами магнитных материалов. Довольно значительное место занимают в электротехнике полупроводниковые материалы, или полупроводники. В результате разработки и изучения данной группы материалов были созданы различные новые приборы, позволяющие успешно решать некоторые проблемы электротехники.

При рациональном выборе электроизоляционных, магнитных и других материалов можно  создать надежное в эксплуатации электрооборудование при малых  габаритах и весе. Но для реализации этих качеств необходимы знания свойств всех групп электротехнических материалов.

Все тела, в зависимости от их электрических  свойств, могут быть отнесены к группе диэлектриков, проводников или полупроводников. Различие между проводниками, полупроводниками и диэлектриками наиболее наглядно можно показать с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердых тел [3].

Энергетические уровни.

Схема расположения.

Рис. 1.1 нормальный энергетический уровень атома; 2— заполненная электронами зона; 3 уровни возбужденного состояния атома; 4— свободная зона; 5 — запрещенная зона.

Исследование спектров излучения  различных веществ в газообразном состоянии, когда атомы отстоят  друг от друга на больших расстояниях, показывает, что для атомов каждого  вещества характерны вполне определенные спектральные линии. Это говорит  о наличии определенных энергетических состояний (уровней) для разных атомов. Часть этих уровней заполнена  электронами в нормальном, невозбужденном состоянии атома, на других электроны  могут находиться только тогда, когда  атом подвергнется внешнему энергетическому  воздействию; при этом он возбужден. Стремясь прийти к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии в  момент перехода электронов с возбужденных уровней на уровни, при которых  его энергия минимальна. Сказанное  можно характеризовать энергетической диаграммой атома, приведенной на рис. 1.

При конденсации газообразного  вещества в жидкость, а затем образовании  кристаллической решетки твердого тела все имеющиеся у данного  типа атомов электронные уровни (как  заполненные электронами, так и  незаполненные) несколько смещаются  вследствие действия соседних атомов друг на друга. Таким образом, из отдельных энергетических уровней уединенных атомов в твердом теле образуется целая полоса — зона энергетических уровней.

Рис. 2. показывает различие в энергетических диаграммах (при температуре 0° К) металлических проводников, полупроводников  и диэлектриков. Диэлектриком будет  такое тело, у которого запрещенная  зона настолько велика, что электронной  электропроводности в обычных условиях не наблюдается. Полупроводниками будут  вещества с более узкой запрещенной  зоной, которая может быть преодолена за счет внешних энергетических воздействий. У металлических проводников  заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывается ею. Вследствие этого электроны в металле свободны, так как они могут переходить с уровней заполненной зоны на не занятые уровни свободной зоны под влиянием слабых напряженностей приложенного к проводнику электрического поля.

При отсутствии в полупроводнике свободных  электронов (Т = 0° К) приложенная к нему разность электрических потенциалов не вызовет тока. Если извне будет подведена энергия, достаточная для переброса электронов через запрещенную зону, то, став свободными, электроны смогут перемещаться и под действием электрического поля, создавая электронную электропроводность полупроводника.

 

Рис. 2. Энергетическое отличие металлических  проводников от полупроводников  и диэлектриков

В заполненной зоне, откуда ушел электрон, образовалась «электронная дырка», а  потому в полупроводнике начнется другое «эстафетное» движение электронов, заполняющих  образовавшуюся дырку, причем под воздействием электрического поля дырка будет  двигаться в направлении поля как эквивалентный положительный  заряд.

Процесс перехода электронов в свободное  состояние сопровождается и обратным явлением, т. е. возвратом электронов в нормальное состояние. В результате в веществе наступает равновесие, т. е. количество электронов, переходящих  в свободную зону, становится равным количеству электронов, возвращающихся обратно в нормальное состояние.

С повышением температуры число  свободных электронов в полупроводнике возрастает, а с понижением температуры  до абсолютного нуля — убывает  вплоть до нуля.

Таким образом, вещество, представляющее собой диэлектрик при одних температурах, при других, более высоких, может  приобрести проводимость; при этом происходит качественное изменение  вещества.

Энергию, необходимую для перевода электрона в свободное состояние  или для образования дырки, могут  доставить не только тепловое движение, но и другие источники энергии, например, поглощенная материалом энергия  света, энергия потока электронов и  ядерных частиц, энергия электрических  и магнитных полей, механическая энергия и т. д.

Увеличение числа свободных  электронов или дырок в веществе под воздействием какого-либо вида энергии способствует повышению  электропроводности, увеличению тока, появлению электродвижущих сил.

Электрические свойства определяются условиями взаимодействия атомов вещества и не являются непременной особенностью данного атома. Например, углерод  в виде алмаза является диэлектриком, а в виде графита он обладает большой  проводимостью.

Примеси и связанные с ними дефекты  кристаллической решетки также  играют большую роль в электрических  свойствах твердых тел.

2.2 Проводниковые материалы

К этой группе материалов относятся  металлы и их сплавы. Чистые металлы  имеют малое удельное сопротивление. Исключением является ртуть, у которой  удельное сопротивление довольно высокое. Сплавы также обладают высоким удельным сопротивлением. Чистые металлы применяются  при изготовлении обмоточных и монтажных  проводов, кабелей и пр. Проводниковые  сплавы в виде проволоки и лент используются в реостатах, потенциометрах, добавочных сопротивлениях и т. д.

В подгруппе сплавов с высоким  удельным сопротивлением выделяют группу жароупорных проводниковых материалов, стойких к окислению при высоких  температурах. Жароупорные, или жаростойкие, проводниковые сплавы применяются  в электронагревательных приборах и реостатах. Кроме малого удельного  сопротивления, чистые металлы обладают хорошей пластичностью, т. е. могут  вытягиваться в тонкую проволоку, в  ленты и прокатываться в фольгу толщиной менее 0,01 мм. Сплавы металлов имеют меньшую пластичность, но более упруги и устойчивы механически. Характерной особенностью всех металлических проводниковых материалов является их электронная электропроводность. Удельное сопротивление всех металлических проводников увеличивается с ростом температуры, а также в результате механической обработки, вызывающей остаточную деформацию в металле.

Прокатку или волочение используют в том случае, когда нужно получить проводниковые материалы с повышенной механической прочностью, например при  изготовлении проводов воздушных линий, троллейных проводов и пр. Чтобы  вернуть деформированным металлическим  проводникам прежнюю величину удельного  сопротивления, их подвергают термической  обработке — отжигу без доступа  кислорода.

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы твердые  тела, жидкости, а при соответствующих  условиях и газы.

Твердыми проводниками являются металлы. Металлические проводниковые материалы  могут быть разделены на материалы  высокой проводимости и материалы  высокого сопротивления. Металлы с  высокой проводимостью используются для проводов, кабелей, обмоток трансформаторов, электрических машин и т. д. Металлы  и сплавы высокого сопротивления  применяются в электронагревательных  приборах, лампах накаливания, реостатах, образцовых сопротивлениях и т. п.

К жидким проводникам относятся  расплавленные металлы и различные  электролиты. Как правило, температура  плавления металлов высока, за исключением  ртути, у которой она составляет около —39° С. Поэтому при нормальной температуре в качестве жидкого металлического проводника может быть использована только ртуть. Другие металлы являются жидкими проводниками при более высоких температурах (например, при плавке металлов токами высокой частоты).

Механизм протекания тока по металлам в твердом и жидком состояниях обусловлен движением свободных  электронов, вследствие чего их называют проводниками с электронной проводимостью, или проводниками первого рода. Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы (в основном водные) кислот, щелочей и солей. Прохождение  тока через эти проводники связано  с переносом вместе с электрическими зарядами частей молекулы (ионов), 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 превзошла некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с наличием электронной и ионной проводимостей. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов и положительных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.

Металлические проводники являются основным типом проводниковых материалов, применяемых в электротехнике.

Классическая электронная теория металлов представляет твердый проводник  в виде системы, состоящей из узлов  кристаллической ионной решетки, внутри которой находится электронный  газ из коллективизированных (свободных) электронов. В коллективизированное состояние от каждого атома металла  отделяется от одного до двух электронов. При столкновениях электронов с  узлами кристаллической решетки  энергия, накопленная при ускорении  электронов в электрическом поле, передается металлической основе проводника, вследствие чего он нагревается. В качестве опытного факта было установлено, что  теплопроводность металлов пропорциональна  их электропроводности.

При обмене электронами между нагретыми  и холодными частями металла  в отсутствие электрического поля имеет  место переход кинетической энергии  от нагретых частей проводника к более  холодным, т. е. явление, называемое теплопроводностью. Так как механизмы электропроводности и теплопроводности обусловливаются  плотностью и движением электронного газа, то материалы с высокой проводимостью  будут также хорошими проводниками тепла.

Ряд опытов подтвердил гипотезу об электронном  газе в металлах. К ним относятся  следующие:

1.          При длительном пропускании электрического тока через цепь, состоящую из одних металлических проводников, не наблюдается проникновения атомов одного металла в другой.

2. При нагреве металлов до  высоких температур скорость  теплового движения свободных  электронов увеличивается, и наиболее  быстрые из них могут вылетать  из металла, преодолевая силы  поверхностного потенциального  барьера.

3. В момент неожиданной остановки  быстро двигавшегося проводника  происходит смещение электронного  газа по закону инерции в  направлении движения. Смещение  электронов приводит к появлению  разности потенциалов на концах  заторможенного проводника, и подключенный  к ним измерительный прибор  дает отброс по шкале.

4. Исследуя поведение металлических  проводников в магнитном поле, установили, что вследствие искривления  траектории электронов в металлической  пластинке, помещенной в поперечное  магнитное поле, появляется поперечная э. д. с. и изменяется электрическое сопротивление проводника.

К основным характеристикам проводниковых  материалов относятся:

1) удельная проводимость или  обратная величина — удельное  электрическое сопротивление;

2) температурный коэффициент удельного  сопротивления;