Металлы и диэлектрики: физические свойства и их различия

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3
1 КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
(ДИЭЛЕКТРИКОВ) 5
2 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ДИЭЛЕКТРИКАХ 9
2.1. Поляризация диэлектриков 9
2.2 Диэлектрическая проницаемость 11
2.3 Влияние агрегатного состояния и температуры на диэлектрическую
проницаемость 13
3 МЕТАЛЛЫ 15
4 СВОЙСТВА ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ 16
4.1 Температурная зависимость удельного сопротивления металлов 17
4.2 Влияние примесей и дефектов на удельное сопротивление металлов
20
4.3 Удельное сопротивление проводников на высоких частотах 21
4.4 Удельное сопротивление металлических сплавов 23
4.5 Электрическое сопротивление тонких металлических пленок 26
5 ОТЛИЧИЯ ПРОВОДНИКОВ И ДИЭЛЕКТРИКОВ 28
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 29
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 30

ВВЕДЕНИЕ
Диэлектрик (изолятор) — вещество, плохо проводящее или совсем не проводящее электрический ток. Плотность свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 108 шт/см³. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле.
Физическим параметром, который характеризует диэлектрик, является диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость может иметь дисперсию.
К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, стекло, различные смолы, пластмассы непременно сухие. Химически чистая вода также является диэлектриком.
Все металлы и сплавы, применяемые в настоящее время в технике, можно разделить на две основные группы. К первой из них относят черные металлы - железо и все его сплавы, в которых оно составляет основную часть. Этими сплавами являются чугуны и стали. В технике часто используют так называемые легированные стали. К ним относятся стали, содержащие хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан и другие металлы. Иногда в легированные стали входят 5-6 различных металлов. Методом легирования получают различные ценные стали, обладающие в одних случаях повышенной прочностью, в других - высокой сопротивляемостью к истиранию, в третьих – коррозионной устойчивостью, т.е. способностью не разрушаться под действием внешней среды.
Ко второй группе относят цветные металлы и их сплавы. Они получили такое название потому, что имеют различную окраску. Например, медь светло-красная, никель, олово, серебро - белые, свинец - голубовато-белый, золото -желтое. Из сплавов в практике нашли большое применение: бронза - сплав меди с оловом и другими металлами, латунь - сплав меди с цинком, баббит - сплав олова с сурьмой и медью и др.
Это деление на черные и цветные металлы условно.
Наряду с черными и цветными металлами выделяют еще группу благородных металлов: серебро, золото, платину, рутений и некоторые другие. Они названы так потому, что практически не окисляются на воздухе даже при повышенной температуре и не разрушаются при действии на них растворов кислот и щелочей
1 КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (ДИЭЛЕКТРИКОВ)
Назначение электроизоляционных материалов в электрооборудовании и заключаются в создании между частями, имеющими разные электрические потенциалы, такой среды, которая препятствовала бы прохождению тока между этими частями. Поэтому наличие их является необходимым условием функционирования каждого электротехнического устройства.
Особенно велико значение электроизоляционных материалов в силовом
электрооборудовании, где от их качества в решающей степени зависят срок службы и надежность большинства видов оборудования. Эффективность использования электрических установок целиком определяется качеством использования электроизоляционных материалов. Электроизоляционные материалы широко используются для изолирования проводов и кабелей, в электроизоляционных системах электрических машин и трансформаторов, для изготовления изоляторов и различных деталей в слаботочной электронике.
Для оценки качества электроизоляционных материалов и их применимости для определенных практических целей необходимы сведения от их характеристиках, количественно определяющих электрические свойства (электропроводность, диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери, электрическую прочность) и общие физико-химические свойства (механическую прочность, нагревостойкость, химическую стойкость и т.д.)
Для того, чтобы облегчить изучение разнообразных электроизоляционных материалов, необходимо их классифицировать, т.е. разбить их на группы со сходными свойствами. Ниже приведена классификация диэлектриков, наиболее часто встречающихся в учебной литературе.
I. По назначению:
Пассивные (изолирующие);
Активные.
Пассивные или изолирующие электроизоляционные материалы служат для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и разделяет друг от друга части, находящиеся под различными электрическими потенциалами.
Назначение этой изоляции – не допускать прохождения электрического тока по каким-либо нежелательным путям, помимо тех путей, которые предусмотрены электрической схемой. Кроме того, пассивные диэлектрики не изменяют характеристики электрической цепи. Сюда относятся главная и продольная изоляция электрических машин и трансформаторов, изоляция проводов и кабелей и т.д.
Активные диэлектрики – диэлектрики, которые преобразуют один вид энергии в другой. К ним можно отнести такие как сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики и др.
Пьезоэлектрический эффект состоит в непосредственном преобразовании механической энергии в электрическую или наоборот. Так, например, под действием механических напряжений на диэлектрик на его поверхности появляются электрические заряды, величина которых линейно зависит от механического напряжения и на противоположных плоскостях возникает разность потенциалов. Замкнув электроды, нанесенные на противоположные поверхности этого диэлектрика, можно получить ток и таким образом преобразовать механическую работу в электрическую энергию.
II. По способу получения:
Природные (слюда, мрамор, дерево и т.д.);
Искусственные (слоистые пластинки, хлопчатобумажная, шелковая и капроновая ткани и пряжа, текстолит, гетинакс, резиновая и эмалевая изоляция и т.д.).
III. По агрегатному состоянию:
Твердые;
Жидкие;
Газообразные.
К твердым диэлектрикам относятся: бумага, картон, пряжа, резина, электроизоляционные пленки, стекла и т.д.
К жидким диэлектрикам можно отнести нефтяные электроизоляционные масла и синтетические жидкости (например, савол).
Область их применения – масленые трансформаторы и выключатели, конденсаторы, силовые кабели и т.д.
Газообразные диэлектрики, особенно воздух, играет весьма важную роль в системе электрической изоляции. Например, провода линий высокого и низкого напряжений на всем протяжении между мачтами изолированы один от другого слоем воздуха.
IV. По химическому составу:
Органические;
Не органические.
Электроизоляционные материалы органического происхождения содержит в своих молекулах углерод, например, бумага, картон, текстолитовые материалы, натуральный шелк и др. Многие органические электроизоляционные материалы обладают ценными механическими свойствами: гибкостью и эластичностью. Из них могут быть изготовлены волокна, пленки и изделия других разнообразных форм. Поэтому они нашли весьма широкое применение. Однако органические электроизоляционные материалы имеют относительно низкую нагревостойкость.
Неорганические материалы в основном содержат кремний. К этим материалам относится: слюда, электротехническое стекло, асбест, стеклянное волокно и др.
Неорганические электроизоляционные материалы в большинстве случаев не обладают гибкостью и эластичностью, часто они хрупкие. Технология их обработки сравнительно сложна. Однако, как правило, они обладают более высокой нагревостойкостью. Поэтому они применяются в тех случаях, когда требуется обеспечить высокую рабочую температуру изоляции.
V. По строению молекул:
Нейтральные;
Полярные;
Ионные.
Нейтральные молекулы обладают симметричным строением, т.к. у них совпадают центры положительных и отрицательных зарядов, и отсутствует дипольный момент. Вещества нейтрального строения являются хорошими диэлектриками в любом агрегатном состоянии.
Материалы, имеющие нейтральное строение молекул, не смачиваются водой, например, парафин.
Если же в молекулах центры противоположных по знаку зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга, то такие молекулы называются полярными или дипольными. Материалы с полярным соединением молекул притягивают молекулы воды, смачиваются водой и другими полярными жидкостями.
VI. По температурному воздействию:
Термопластичные;
Термореактивные.
Термопластичные материалы при нагревании могут размягчаться, а при остывании – затвердевают. Они допускают неоднократную термообработку без существенных изменений своих свойств, например, различные смолы.
Термореактивные – которые при нагреве вначале переходят в вязко – текучее состояние, но затем затвердевают и далее процесс не обратим. К термореактивным материалам относятся различные лаки.
2 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ДИЭЛЕКТРИКАХ
2.1. Поляризация диэлектриков
Основным, наиболее характерным процессом, протекающим в любом диэлектрике под воздействием электрического поля, является поляризация.
Поляризацией называется процесс смещения связанных электрических зарядов в диэлектрике под действием электрического поля.
Процесс поляризации можно пояснить, представив диэлектрик в виде пластин (рис. 2.1, а), помещенный между двумя металлическими электродами 2, образующими конденсатор.
Рисунок 2.1–Пояснение к процессу поляризации диэлектриков
Если конденсатор подключить к источнику постоянного напряжения, то на его электродах появятся электрические заряды с противоположными знаками. Эти заряды создают в диэлектрике электрическое поле Е. Под действием сил этого поля электроны атомов сместятся относительно своих ядер в сторону положительного электрода – анода, а положительные заряды (ядра атомов) – в сторону отрицательного электрода. Таким образом, на поверхности диэлектрика появятся заряды противоположного знака, т.е. образец диэлектрика, помещенный в электрическое поле, приобретает полярность: одна его поверхность, прилегающая к положительному электроду, заряжается отрицательно, другая поверхность, прилегающая к отрицательному электроду – положительно (рис. 2.1, б). Отсюда и термин “поляризация”. При поляризации по цепи протекает электрический ток.
По природе электрических зарядов и структуре молекул различают электронную, ионную и дипольные поляризации.
Электронная поляризация протекает мгновенно, порядка 10-15 сек и сопровождается без потерь энергии. Смещение электронов является упругим, исчезающим после снятия напряжения.
Электронная поляризация от температуры не зависит, если плотность вещества сохраняется постоянной.
Электронная поляризация наблюдается для всех видов диэлектриков.
Ионная поляризация состоит в упругом смещении связанных ионов из положения их равновесия на очень малые расстояния, меньшее, чем расстояние между соседними ионами. Ионная поляризация имеет место только у диэлектриков, представляющих собой ионные кристаллы. Эта значительная более сильная поляризация, чем электронная. Поскольку размеры и инерция ионов больше, чем у электронов, поэтому поляризация происходит медленнее, но все, же достаточно быстро (10-12– 10-13 сек).
При повышении температуры расстояние между ионами в решетке возрастают, поэтому поляризация ионов увеличивается.
Ионная поляризация, как и электронная, не связана с потерями энергии. К диэлектрикам с ионной поляризацией относятся слюда, некоторые виды керамики и др.
Дипольная поляризация – это поворот дипольных молекул под действием электронного поля. В природе имеются диэлектрики, молекулы которых состоят из положительных и отрицательных ионов и находящиеся на определенном расстоянии друг от друга. Дипольная поляризация свойственна, главным образом газам и жидкостям, но наблюдается, так же в твердых органических диэлектриках, например, в материалах на основе целлюлозы.
Дипольная поляризация происходит относительно медленно (в увлажненных диэлектриках процесс поляризации достигает до 60 сек) и сопровождается потерями энергии, затрачиваемой на преодоление внутреннего трения в материале при повороте диполей, т.е. дипольная поляризация протекает с нагревом диэлектрика.
С увеличением температуры величина дипольной поляризации сначала возрастает (за счет ослабления молекулярных сил), затем, когда хаотическое движение, увеличиваемое продолжающимся ростом температуры, становиться интенсивнее, величина дипольной поляризации начинает падать.
2.2 Диэлектрическая проницаемостьЯвление поляризации диэлектрика представляет интерес для инженера потому, что оно обуславливает величину емкости. Любую электрическую цепь, изолированную друг от друга каким-нибудь диэлектриком, можно представить себе, как конденсатор, имеющий определенную емкость (емкость между витками обмотки в электрической машине, емкость между кожухом трансформатора и его обмоткой и т.д.).
Рисунок 2.2– Пояснение к процессу диэлектрическая проницаемость
где а – вакуумный конденсатор; б– конденсатор с диэлектриком
При подключении напряжения к его обкладкам на них образуются определенный заряд Q, зависящий как от напряжения U и от размеров конденсатора (от зазора и площади обкладок). Емкость конденсатора будет равна:
5361305324485(2.1)
00(2.1)
C0=QUНе меняя обкладок и расстояния между ними, введем между обкладками диэлектрик. В диэлектрике произойдет поляризация и у поверхности обкладок выступят заряды противоположного знака, которые свяжут (нейтрализуют) часть заряда на обкладках. За счет этого, при неизменном напряжении U, на обкладках можно добавить некоторый заряд ∆Q, причем емкость конденсатора увеличивается и будет равна:
5361305323215(2.2)
00(2.2)
Cq=Q+∆QU>C0Следовательно, степень поляризации диэлектрика оценивается увеличением емкости конденсатора, если между пластинами конденсатора вместо вакуума поместить диэлектрик.
Отношение емкости конденсатора с данным диэлектриком к емкости того же конденсатора, когда диэлектриком является вакуум, называется относительный диэлектрической проницаемостью и обозначаются буквой ε.
5361305361950(2.1)
00(2.1)
ε=CqC0Таким образом, чем больше поляризация диэлектрика, тем больше будет емкость конденсатора, тем будет больше ε. Следовательно, диэлектрическая проницаемость – это количественная мера процесса поляризации. Поэтому для конденсаторного производства выгодно подбирать диэлектрики с высоким значением ε. Наоборот, для изоляции высоковольтных кабелей, нужна малая емкость, тогда выбирается диэлектрик с малой ε. Наименьшей величиной ε обладают газы, у которых ε ≈ 1,0; так, для сухого воздуха при нормальном давлении и температуре ε = 1,0006. Неполярные твердые диэлектрики имеют ε=1,9…2,3, а полярные – от 3 до нескольких десятков.
2.3 Влияние агрегатного состояния и температуры на диэлектрическую проницаемостьДиэлектрическая проницаемость зависит от температуры у всех диэлектрических материалов. На рис. 2.3 показаны типичные кривые температурной зависимости при электронной (εэ), ионной (εи) и дипольной (εд) поляризациях для твердого, жидкого и газообразного состояний.
Рисунок 2.3– Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры и агрегатного состояния диэлектрика
Как было отмечено выше, поляризуемость диэлектрика при электронной поляризации не зависит от температуры. Однако величина εэ уменьшается с повышением температуры, что можно объяснить тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице объема. Кривая, показывающая зависимость εэ от температуры подобно кривой изменения плотности вещества из твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное.
С превышением температуры величина ионной поляризации, а, следовательно, и εи возрастает, поскольку тепловые расширение, удаляя ионы друг от друга, ослабляет действующие между ними упругие силы.
Для диэлектриков с ионным строением имеет смысл рассматривать температурную зависимость εи только в пределах твердого состояния, т.к. при расплавлении, ионные соединения становятся проводниками второго рода.
В области низких температур вязкость вещества велика и поэтому дипольные молекулы неподвижны; при нагреве материал размягчается (вязкость материала падает) и диполи начинают поворачиваться, обуславливая рост εд. В области высоких температур, выше температуры плавления, правильной ориентации диполей мешает усилившееся тепловое движение и εд начинает снижаться с ростом температуры.
Температурная зависимость относительной диэлектрической проницаемости диэлектриков является, как правило, нежелательным явлением, хотя она в большинстве случаев и не угрожает работоспособности оборудования.
Относительная диэлектрическая проницаемость всех диэлектриков сильно зависит от частоты переменного поля. Относительная диэлектрическая проницаемость уменьшается от более высокого значения до очень низкого значения.
Высокое значение относительной диэлектрической проницаемости при низких частотах объясняется тем, что в этой области частот полностью реализуются все виды поляризации. С ростом частоты доля дипольных поляризации медленно убывает и в области высоких частот диэлектрическая проницаемость определяется только электронной и ионной поляризациями.
3 МЕТАЛЛЫВалентные электроны металла слабо связаны со своими атомами. Когда атомы металла, конденсируясь из металлического пара, образуют жидкий или твердый металл, внешние электроны оказываются уже не связанными с отдельными атомами и могут свободно перемещаться по всему телу.
Эти электроны обусловливают хорошо известную значительную проводимость металлов, они так и называются электронами проводимости.
Атомы металла, лишенные своих валентных электронов, т.е. положительные ионы, составляют кристаллическую решетку.
В кристаллической решетке ионы совершают хаотические колебания около своих наложений равновесия, называемых узлами решетки. Эти колебания представляют собой тепловое движение решетки и усиливаются с повышением температуры.
Электроны проводимости в отсутствие электрического поля в металле совершают беспорядочное движение со скоростями порядка тысяч километров в секунду.
При приложении напряжения к металлическому проводнику электроны проводимости, не ослабляя своего хаотического движения, сравнительно медленно сносятся электрическим полем вдоль проводника.
При таком сносе все электроны получают, дополнительно к хаотической скорости, еще и небольшую скорость упорядоченного движения (порядка, например, миллиметров в секунду). Именно это слабое упорядоченное движение к обусловливает электрический ток в проводнике.
4 СВОЙСТВА ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Современные представления об электронном строении металлов, распределении электронов по энергетическим состояниям, их взаимодействии с другими элементарными частицами и кристаллической решеткой дает квантовая теория.
Металлы согласно квантовой теории имеют кристаллическое строение: в узлах кристаллической решетки находятся положительные ионы, окруженные коллективизированными атомами (электронным газом).
Свободные электроны хаотически перемещаются по кристаллу со средней тепловой скоростью 5u10 м/с. В электрическом поле напряженностью E электроны получают добавочную скорость упорядоченного движения – скорость дрейфа, благодаря чему и возникает электрический ток.
Согласно квантовой теории величина определяется выражением
5237183437045(4.1)
0(4.1)
σ=qe2nmn*VF или σ=8π313qe2n23λhгде q – заряд электрона; – длина свободного пробега электрона (расстояние, которое проходит электрон за время между столкновениями с узлами кристаллической решетки); n – концентрация свободных электронов; h – постоянная Планка; VF– тепловая скорость электронов, обладающих энергией, близкой к энергии Ферми EF ; mn *– эффективная масса электрона в кристалле.
Концентрация свободных электронов в чистых металлах, характер их распределения по энергиям и энергия Ферми с повышением температуры почти не изменяются. Поэтому электропроводность металла определяется в основном средней длиной свободного пробега электронов, которая зависит от электронного строения атомов и типа кристаллической решетки.
Наибольшая длина свободного пробега наблюдается в металлах с гранецентрированной кубической кристаллической решеткой (Ag, Cu, Au), которые и являются лучшими проводниками.
Переходные металлы (Fe, Ni, Co, Mn, V, Zr, Nb, Mo, W, Hf, Ta, Re, Pt и др.) имеют меньшую электропроводность, что связано с их специфическим электронным строением. В этих элементах внутренние d- или f-оболочки заполнены электронами. В электрическом поле часть валентных электронов из внешней s-оболочки переходит на свободные уровни внутренних оболочек, что приводит к уменьшению числа свободных электронов, участвующих в проводимости.
Особенности электронного строения переходных металлов являются причиной их специфических свойств: тепловых, магнитных, склонности к полиформизму, переменной валентности и др.
4.1 Температурная зависимость удельного сопротивления металлов
Квантовая теория показывает, что в идеальном кристалле электронная волна (движение свободных электронов в виде плоских электромагнитных волн, длина которых определяется соотношением де Бройля) распространяется в строго периодическом потенциальном поле без рассеяния энергии. Это означает, что в идеальном кристалле длина свободного пробега электронов равна бесконечности, а удельное электрическое сопротивление такого кристалла равно нулю. Реальные металлы не являются идеальными кристаллами.
Причинами рассеяния электронов в реальных металлах, создающего удельное электрическое сопротивление, являются:
тепловые колебания узлов кристаллической решетки (т – тепловая составляющая удельного электрического сопротивления);
примеси и дефекты структуры (ост – составляющая , обусловленная нетепловыми факторами).
Согласно эмпирически установленному правилу Маттиссена, удельное сопротивление реальных металлов представляет собой сумму двух составляющих:
5320146224996(4.2)
0(4.2)

ρ=ρT+ρOCTИзвестно, что эффективное рассеяние энергии электронов происходит в том случае, если размер рассеивающих центров (дефектов) превышает 1/4 длины волны. В металлах энергия электронов проводимости составляет 3 15 эВ. Этой энергии соответствует длина электронной волны 0,3 0,7 нм . Поэтому любые дефекты кристаллического строения вызывают снижение электропроводности.
Относительное изменение удельного электрического сопротивления металлов при изменении температуры характеризует температурный коэффициент удельного сопротивления (чаще используют обозначение ТК ):
5320030390945(4.3)
0(4.3)
aρ=1ρdρdTТемпературный коэффициент удельного сопротивления ТК характеризует относительное изменение удельного электрического сопротивления при изменении температуры на один градус и имеет размерность, обратную температуре.
У металлов значение ТК положительное, что связано с увеличением амплитуды тепловых колебаний узлов кристаллической решетки. Температурная зависимость удельного сопротивления металлов приведена на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 – Температурная зависимость удельного электрического сопротивления металла
В области сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю, значение практически не зависит от температуры (участок I) и определяется остаточным сопротивлением ост . В этой области у некоторых металлов наблюдается состояние сверхпроводимости (Tсв – критическая температура сверхпроводимости). В узкой переходной области II (до температуры Дебая D ) удельное сопротивление растет по степенной зависимости n Tn . Экспериментально установлено, что линейная зависимость (T) справедлива от T=23θD (для металлов θD 400 К) и сохраняется у большинства металлов вплоть до температуры плавления. В диапазоне температур, где зависимость f(T) близка к линейной (область III), допустима линейно-кусочная аппроксимация этой зависимости и величина удельного электрического сопротивления может быть рассчитана по формуле
ρ=ρ01+aρT-T0где 0 – удельное электрическое сопротивление при начальной температуре (например, при температуре T0 293 К).
При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается резкое увеличение удельного сопротивления (в 1,5–2 раза), связанное с нарушением ближнего порядка в расположении атомов. Исключение составляют висмут, сурьма, галлий, объем которых при плавлении уменьшается, что сопровождается уменьшением удельного сопротивления.
4.2 Влияние примесей и дефектов на удельное сопротивление металлов
Примеси вносят наиболее существенный вклад в величину остаточного сопротивления ост . Атомы любого элемента примеси повышают , даже если сама примесь обладает большей электропроводностью.
Рассеяние электронов проводимости на атомах примеси тем сильнее, чем больше разница ΔZ в валентности элемента примеси и металла-растворителя.
На удельное сопротивление металлических материалов влияет термообработка. Так, при закалке стали образуется неравновесная структура с большими искажениями кристаллической решетки и внутренними напряжениями.
Плотность дефектов по всему объему кристалла резко возрастает, что приводит к значительному росту удельного сопротивления. При отжиге металлов и сплавов создается термодинамическая устойчивая равновесная структура, внутренние напряжения исчезают, плотность дефектов уменьшается до минимума (в 2 раза и более), поэтому резко снижается.
Пластическая деформация вызывает увеличение плотности дефектов и снижение проводимости.
Для чистых металлов это снижение составляет несколько процентов, поэтому пластическую деформацию можно использовать как способ упрочнения этих металлов без существенных потерь в электропроводности. Для металлических сплавов снижение электропроводности в результате наклепа может составлять до 25 %. Для восстановления электропроводности после пластической деформации проводят рекристаллизационный отжиг.
4.3 Удельное сопротивление проводников на высоких частотах
При протекании по проводнику быстроизменяющегося тока наблюдается неравномерное распределение плотности тока по сечению проводника: плотность тока максимальна на поверхности проводника и убывает по мере проникновения вглубь него. Это явление называется скин-эффектом или поверхностным эффектом.
Скин-эффект обусловлен тем, что при распространении электромагнитной волны в проводящей среде возникают вихревые токи, в результате чего часть электромагнитной энергии преобразуется в теплоту. Это и приводит к затуханию напряженностей электрического и магнитного полей по экспоненциальному закону.
Плотность тока изменяется по тому же закону, что и напряженность электрического поля, так как j E . Следовательно, закон изменения плотности тока в зависимости от расстояния x от поверхности также имеет вид затухающей экспоненты:
5237018319405(4.4)
0(4.4)
j=j0exp-x∆где – глубина проникновения поля в проводник; 0 j – плотность тока на поверхности (при x 0).
Чем выше частота электромагнитного поля и больше магнитная проницаемость , тем сильнее вихревое электрическое поле, а чем больше проводимость проводника, тем больше плотность тока и рассеиваемая в единице объема мощность. Другими словами, чем больше , и , тем сильнее проявляется скин–эффект.
Связь глубины проникновения поля с физическими параметрами вещества определяется выражением:
∆=2ωσμμ0=1πvσμμ05355771-546900(4.5)
0(4.5)
где μ0=4π∙10-7 Гн/м – магнитная постоянная; – круговая частота.
Физический смысл глубины проникновения поля (глубины скин-слоя) – это расстояние, на котором плотность тока уменьшается в 2,72 e раза по отношению к значению на поверхности. Например, величина скин-слоя в зависимости от частоты для медного проводника составляет: при 50 Гц глубина проникновения поля 9,39 мм; при 10 кГц 0,66 мм; при 100 кГц 0,21 мм.
Величину скин-эффекта можно охарактеризовать коэффициентом увеличения сопротивления переменному току
kR=RR0где R – 0 сопротивление проводника при частоте 0; R – сопротивление проводника при частоте 0.
Следует отметить, что сопротивление проводников протеканию изменяющегося тока может быть значительно выше сопротивления протеканию постоянного тока, а эффективное сопротивление проводников при несинусоидальной форме тока также существенно превышает сопротивление постоянному току при синусоидальной форме тока.
Для борьбы со скин-эффектом применяют проводники различного сечения: плоские (в виде лент), трубчатые (полые внутри), наносят на поверхность проводника слой металла с более низким удельным сопротивлением. Также с целью подавления скинэффекта используют литцендрат – систему из нескольких изолированных и специальным образом переплетенных проводников.
Влияние частоты на сопротивление проводников может быть связано не только со скин-эффектом, но и с макроскопической формой проводника. Сопротивление криволинейного проводника может значительно отличаться от сопротивления прямолинейного проводника при всех прочих равных условиях, особенно если некоторые участки проводника близко расположены друг к другу и появляется возможность их взаимного влияния посредством изменяющихся магнитных полей. Указанное явление называется эффектом близости и особенно сильно проявляется в проводниках, свернутых в виде спирали, например, в проводах магнитных элементов электронных устройств.
Эффект близости вызывает дополнительные потери в проводниках, находящихся в непосредственной близости от других проводников с током. Эти потери являются результатом вихревых токов, создаваемых в проводнике под действием токов, протекающих в близлежащих проводниках. Следует отметить, что эффект близости имеет тенденцию становиться доминирующим в образовании потерь в проводах магнитных элементов электронных устройств, особенно когда обмотки многослойные.
4.4 Удельное сопротивление металлических сплавов
Сплавом называется механическая или химическая смесь не менее двух металлов. Электрическое сопротивление сплава всегда выше, чем сопротивление любого его компонента. Характер изменения электропроводности сплава зависит от фаз и структур в нем, что определяется диаграммой состояния.
В сплавах со структурой твердых растворов ост может значительно превосходить тепловую составляющую т . Для большинства твердых растворов с неограниченной растворимостью (Au-Ag, Ag-Cu, Cu-Au и др.) изменение остаточного сопротивления в зависимости от состава сплава хорошо описывается параболической функцией в соответствии с законом Нордгейма (рисунок 4.2)
ρOCT=cxAxB=cxA1-xAгде , A B x x атомные доли компонентов в сплаве; c постоянная, зависящая от природы сплава.
Рисунок 4.2 – Зависимости удельного электрического сопротивления и температурного коэффициента удельного электрического сопротивления от состава сплава
Если ни один из компонентов не является переходным металлом, то max и min соответствуют 50 %-ному соотношению компонентов 0,5 A B x x (см. рисунок 4.2). Если один из компонентов относится к металлам переходных групп, как, например, в сплавах Cu-Ni, то характер изменения и имеет некоторые особенности (рисунок 4.3):
max существенно выше, чем в системе с непереходными металлами, что связано с переходом части валентных электронов на незаполненные уровни внутренней d-оболочки переходного металла и уменьшением концентрации электронов проводимости;
max и min не соответствуют 50 %-ному соотношению компонентов;
достигает в некоторых сплавах нулевых и даже отрицательных значений.
Сплавы со структурой твердых растворов используют как проводниковые материалы высокого удельного сопротивления для изготовления резисторов.
В сплавах с гетерофазной структурой удельное сопротивление, согласно правилу Н.С. Курнакова, в первом приближении линейно изменяется с изменением состава сплава. Такие сплавы сохраняют высокую электропроводность, близкую к проводимости чистых металлов, но по сравнению с чистыми металлами могут обладать более высокими механическими и технологическими свойствами.
Рисунок 4.3 – Зависимости удельного электрического сопротивления и температурного коэффициента удельного электрического сопротивления от состава сплава
При образовании в сплаве промежуточных фаз или химических соединений удельное сопротивление резко изменяется. Химические соединения с металлическим типом связи (интерметаллидные электронные соединения, фазы внедрения) достаточно электропроводны. При упорядоченном расположении атомов проводимость резко возрастает, так как восстанавливается периодичность кристаллической решетки и увеличивается длина свободного α 34 пробега электронов. В химических соединениях с ионной и ковалентной связью удельное сопротивление возрастает из-за дефектности структуры.
4.5 Электрическое сопротивление тонких металлических пленок
Металлические пленки, наносимые на диэлектрическую или полупроводниковую подложку, широко используются в микроэлектронике. По выполняемым функциям различают резистивные пленки (тонкопленочные резисторы) и пленки высокой проводимости (контактные площадки, межэлементные соединения, обкладки конденсаторов).
Для получения тонких пленок используют следующие методы:
термическое испарение металла с последующей конденсацией на подложку;
испарение электронным лучом;
катодное или ионно-плазменное осаждение;
эпитаксиальное наращивание.
Современные технологии позволяют получать пленки толщиной от десятых долей микрометра до нескольких десятков нанометров. В зависимости от условий осаждения (конденсации) может сформироваться структура пленки от аморфного состояния до монокристаллического строения. Размерный и структурный факторы обусловливают существенные отличия электрических свойств тонких пленок от свойств объемных металлов. Особенно сильно проявляется размерный эффект в том случае, когда толщина пленки соизмерима с длиной свободного пробега электронов.
На рисунке 4.4 показаны зависимости параметров и от толщины пленки, где можно выделить три области: область I – толщина пленки составляет 10-3-10-2 мкм; область II 10-2 -10-1 мкм; область III – 0.1 мкм.
Малой толщине пленки 10-3-10-2 мкм соответствует высокое значение и отрицательное значение . Это объясняется тем, что на ранних стадиях конденсации структура пленки не сплошная. Сопротивление такой пленки во многом определяется поверхностным сопротивлением участков диэлектрической подложки. Для этих пленок характерно понижение с увеличением температуры (0 ), как у диэлектриков.
Рисунок 4.4 – Зависимости удельного электрического сопротивления и температурного коэффициента удельного электрического сопротивления от толщины тонкой металлической пленки
При толщине пленки 10-2 -10-1 мкм диэлектрические промежутки между островками осажденного металла исчезают, пленка становится сплошной, а 0 . Однако удельное электрическое сопротивление пленки еще велико из-за высокой концентрации дефектов, образующихся в процессе роста пленки (вакансии, дислокации, границы зерен, атомы примеси, поглощаемые из газовой среды при конденсации металла).
При толщине пленки 0,1 мкм ее сопротивление близко к сопротивлению массивного образца, структура пленки и размерный эффект уже не оказывают значительного влияния на электрические свойства.
Для оценки проводящих свойств тонких пленок пользуются параметром удельного поверхностного сопротивления или сопротивления квадрата поверхности R, Ом:R0=ρδδ, где δ – удельное сопротивление пленки толщ?