Литература: [3], с. 231-245.
3. 12. Активные диэлектрики
Активные (управляемые) диэлектрики не только играют "пассивную" роль, т. е. создают электрическую изоляцию. В различных устройствах, в частности в некоторых радиоэлектронных аппаратах, используется изменяемость параметров этих материалов под действием различных факторов. К активным диэлектрикам относятся сегнетоэлектрики, пъезоэлектрики, электреты и др.
Сегнетоэлектрики - это диэлектрики, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией. Для них характерна резкая зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля. Диэлектрическая проницаемость может достигать высоких и сверхвысоких значений (нескольких тысяч).
Изменения температуры вызывают изменение диэлектрических свойств сегнетоэлектриков, что является их существенным недостатком.
К сегнетоэлектрикам относится сегнетовая соль, дигидрофосфат калия, титанат бария и др. Используются они в нелинейных конденсаторах - варикондах, применяющихся в счетно-решающих устройствах, автоматике и радиотехнике.
Пьезоэлектрики - это диэлектрики, обладающие пьезоэлектрическим эффектом, т. е. образованием электрических зарядов на поверхности диэлектрика и поляризации внутри него, которые происходят в результате воздействия механического напряжения. Эти заряды пропорциональны механическому напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают при его снятии. Каждый пьезоэлектрик есть электромеханический преобразователь. Используют пьезоэлектрики - монокристаллы: кварц, турмалин, сегнетова соль, синтетический кристалл ниобат лития и др., а также пьезоэлектрическую керамику (это, в основном, материалы на основе титаната бария).
Пьезоэлектрики применяются для электроакустических приборов, ультразвуковой техники, некоторых видов радиотехнических фильтров.
Электретом называется тело из диэлектрика, длительно сохраняющее поляризацию и создающее в окружающем его пространстве электрическое поле после удаления внешнего электрического поля.
Различают несколько видов электретов: термоэлектреты, фотоэлектреты и электроэлектреты. Используют электреты из органических материалов (из различных восков и их смесей, из сахара, асфальта, слюды и др.) и неорганических (электреты из керамики, в основном, титансодержащие) и электреты из щелочно-галоидных кристаллов.
Электреты представляют собой источники постоянного электрического поля и в качестве таковых могут быть использованы в различных приборах. Электреты могут использоваться как элементы электрической памяти, электрофотографии, имеются электретные микрофоны и пр.
Диэлектрики для оптической генерации - это материалы, предназначенные для изготовления активных элементов оптических квантовых генераторов ОКГ.
Используются различного рода окислы, фториды, хлорида, стекла, пластмассы и др.
Кристаллы ряда сегнетоэлектриков обладают сильно выраженным электрооптическим эффектом, под которым понимают изменение показателя преломления среды, вызванное внешним статическим электрическим полем.
Электрооптические свойства этих кристаллов используются для модуляции лазерного излучения. Разнообразные конструкции электрооптических модуляторов света созданы на базе кристаллов ниобата лития (LiNbO3), дигидрофосфата калия (KH2PO4). Весьма перспективно применение прозрачной сегнетокерамики системы ЦТСЛ - твердые растворы цирконата - титаната свинца с окисью лантана.
Литература: [5], с. 261-289; [6].
РАЗДЕЛ 4. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ 4. 1. Основные свойства полупроводников
Большая группа веществ с электронной электропроводностью, удельное сопротивление которых при нормальной температуре лежит между удельным сопротивлением проводников и диэлектриков, может быть отнесена к полупроводникам.
Полупроводники обладают собственной электронной и дырочной проводимостью, в сути которой необходимо разобраться, а также понять сущность примесной проводимости.
Сущность эффекта Холла заключена в следующем: если поместить пластину из полупроводника во внешнее магнитное поле и приложить в направлении длины ее разность потенциалов, создающую электрическое поле, то вследствие смещения электрических зарядов, движущихся вдоль пластины, к одной из граней пластины, возникает поперечная э. д. с, измеряемая вольтметром.
При изменении типа электропроводности меняется и направление отклонения указателя вольтметра. Эффект Холла применяется для определения типа электропроводности полупроводника.
На электропроводность полупроводников влияют следующие факторы: температура, воздействие света, воздействие сильных электрических полей. Под действием этих факторов резко возрастает электропроводность различных полупроводников.
В полупроводниковом материале можно создать только электронную или только дырочную электропроводность. Это достигается внесением в очищенный полупроводниковый материал атомов той или иной примеси.
Атомы примеси, снабжающие полупроводник свободными электронами, называют донорами, а полупроводники с такой примесью - проводником n-типа.
Атомы примеси, создающие в полупроводнике дырки, называются акцепторами, а полупроводник - полупроводником р-типа. Например, при добавлении в германий примеси фосфора получается полупроводник n-типа, а примесь бора делает его полупроводником р-типа.
Необходимо разобраться в сути образования электронно-дырочных переходов и ознакомиться с применением вентильного эффекта в электротехнике.
Литература: [3], с. 270-277.
4. 2. Полупроводниковые материалы и их параметры
Технические полупроводники могут быть разбиты на следующие группы: кристаллы с атомной решеткой (графит, кремний, германий) и с молекулярной решеткой (селен, теллур, сурьма, мышьяк, фосфор); различные окислы: меди, цинка, кадмия, титана, молибдена, вольфрама, никеля и др.; сульфиды (сернистые соединения); селениды (соединения с селеном); теллуриды (соединения с теллуром, свинца, меда, кадмия и др.); химические соединения некоторых элементов третьей и пятой групп периодической таблицы элементов. Из этой группы наиболее распространены фосфиты, арсениды и антимониды.
Серьезное практическое значение в настоящее время имеют арсенид и фосфид галлия, антимонид индия.
Основные области применения полупроводниковых материалов: выпрямительные и усилительные приборы различной мощности на разные частоты управляемые и неуправляемые - диоды, транзисторы; тиристоры; нелинейные резисторы - варисторы; терморезисторы; фоторезисторы; фотоэлементы, термоэлектрические генераторы.
В зависимости от специфических свойств полупроводников разного вида они находят преимущественное применение в той или иной области.
Необходимо ознакомиться с основными характеристиками и применением германия, кремния, селена, карбида кремния.
Литература: [3], с. 277-288.
РАЗДЕЛ 5. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
5.1. Основные характеристики магнитных материалов
По особенностям магнитных свойств все материалы могут быть разделены на парамагнетики, диамагнетики и ферромагнетики.
Диамагнетики и парамагнетики практически не намагничиваются.
Способность намагничиваться в магнитных полях в большой мере выражена у ферромагнетиков. К числу ферромагнетиков относятся железо, кобальт, никель, гадолиний и многие их сплавы. Ферромагнитными свойствами обладают также некоторые сплавы и соединения, содержащие алюминий, хром, марганец, медь, серебро.
Необходимо усвоить, что магнитные свойства материалов обусловлены внутренними скрытыми формами движения электрических зарядов, представляющими собой элементарные круговые токи. Такими круговыми токами являются вращение электронов вокруг собственных осей - электронные спины и орбитальное вращение электронов в атомах.
Явление ферромагнетизма связано с доменным строением магнитного материала. Однако хотя в ферромагнетике и образуются самопроизвольно намагниченные области, но направления магнитных доменов получаются самыми разными. Магнитный поток такого тела во внешнем пространстве будет равен нулю. И только под влиянием внешнего магнитного поля материал намагничивается, т. е. происходит процесс смещения границ доменов и процесс ориентации доменов в направлении внешнего магнитного поля.
Из курса ТОЭ следует вспомнить количественное выражение магнитного поля - магнитный поток, интенсивность магнитного поля - магнитную индукцию и способность материалов намагничиваться - магнитную проницаемость.
В связи с нелинейностью процессов намагничивания ферромагнитных материалов их относительная магнитная проницаемость величина переменная. Она довольно быстро увеличивается от начального до максимального значения по мере возрастания напряженности магнитного поля. Но с началом процесса магнитного насыщения магнитная проницаемость уменьшается, приближаясь к единице при полном намагничивании материала.
В зависимости от того, в каких полях (слабых, изменяющихся с малой или большой частотой) работает ферромагнетик, меняются требования, к нему предъявляемые. Поэтому следует знать для каждого материала его начальную и максимальную, статическую и динамическую магнитную проницаемость. У различных магнитных материалов величина максимальной относительной магнитной проницаемости неодинакова и может достигать десятков и даже сотен тысяч. Необходимо проанализировать зависимость магнитных свойств материалов от температуры.
Ферромагнитные материалы нашли широкое применение в качестве основных элементов магнитопроводов электрических машин, трансформаторов, измерительной и вспомогательной аппаратуры, электромагнитов и постоянных магнитов.
Важно разобраться в сути перемагничивания, которое происходит по петле гистерезиса. В предельной петле магнитного гистерезиса следует обратить внимание на индукцию насыщения, остаточную индукцию и коэрцитивную силу (рис. 3). В зависимости от величины двух последних параметров магнитные материалы подразделяются на магнитомягкие и магнитотвердые. Площадь петли гистерезиса позволяет судить о величине потерь энергии на перемагничивание материалов. Следует разобраться в способах уменьшения потерь в магнитных материалах.