Электрорадиоматериалы - Тареев Б.М.

Автор: Тареев Б.М.

Теги: электротехника радиотехника

Год: 1978

Похожие

Электроматериаловедение

Радиотехнические материалы

Электротехнические материалы

Материаловедение и технология конструкционных материалов

Текст

ШАЖЖЖАЖЛ
Под редакцией
профессора Б. М. Тареева
Допущено
Министерством высшего и среднего
специального образования СССР
в качестве учебного пособия
для студентов высших
технических учебных заведений
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1978
32.843
Э45
УДК 621.3.002.3(075)
Б. М Тареев, Н. В. Короткова, В. М. Петров, А. А. Преображенский
Рецензенты:
Лауреат Государственной премии СССР,
доктор технических наук, профессор X. С. Валеев
Кафедра электроизоляционной и кабельной техники
Томского политехнического института им. С. М. Кирова
Электрорадиоматериалы/Б. М. Тареев, Н. В. Корот-
345 кова, В. М. Петров, А. А. Преображенский; Под.
ред. Б. М. Тареева: Учеб, пособие для студентов вту-
зов.— М.: Высш, школа, 1978. — 336 с., ил.
Авт. указ, на обороте тит. л.
В пер.: 1 р.
В книге изложены физические свойства различных классов электротехни-
ческих материалов, применяемых в радиоэлектронике, природа этих свойств,
области применения материалов и технические требования к ним, свойства
важнейших видов конкретных электрорадиоматериалов. В части I книги рас-
смотрены проводниковые, в части И — полупроводниковые, в части III—ди-
электрические материалы, в части IV активные диэлектрики, в части V —
магнитные материалы.
30407—162
9 001(01)—78 1,0—78
32.843
6П2.1.06
© Издательство «Высшая школа», 1978 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В принятых XXV съездом КПСС
«Основных направлениях развития народного хозяйства СССР на
1976—1980 годы» предусмотрено создание и широкое внедрение прин-
ципиально новой техники, новых конструкционных, магнитных, полу-
проводниковых, сверхпроводящих и других материалов, технически
ценных кристаллов; намечено также расширение исследований в облас-
ти синтеза химических соединений для получения веществ и материалов
с новыми свойствами.
Научно-технический прогресс связан прежде всего с разработкой
и использованием новых более совершенных материалов. Особенно это
справедливо для радиоэлектроники, одной из наиболее быстро разви-
вающихся областей техники. Надежность, чувствительность, избира-
тельность, быстродействие, верхний и нижний пределы допустимых
при эксплуатации температур, стойкость к ударам, вибрациям, иони-
зирующим излучениям и другие важнейшие параметры радиоэлектрон-
ных приборов в конечном счете определяются не столько конструкцией
или электрической схемой сколько использованными в них материа-
лами.
Качественный скачок в развитии радиоэлектроники возможен
лишь за счет новых материалов или новых физических принципов ис-
пользования известных материалов. Так, внедрение в 50-х годах фер-
ритов позволило создать первые переносные радиоприемники, элект-
ронные вычислительные машины (ЭВМ) с большим объемом памяти
и другие устройства. Подлинная революция в радиоэлектронике про-
изошла в 60-х годах, когда началось широкое внедрение полупровод-
ников. 70-е годы характеризуются широким использованием сверх-
проводников и активных диэлектриков.
Настоящая книга состоит из пяти частей. В каждой части излагают-
ся физические процессы в веществах и их физические свойства, области
применения и технические требования к материалам, кратко описы-
ваются важнейшие материалы рассматриваемого класса.
Особое внимание в книге уделено физической сущности явлений
в электрорадиоматериалах при их взаимодействии с электромагнит-
ным полем; параметрам, характеризующим свойства материалов;
закономерностям, определяющим зависимости этих параметров от раз-
личных факторов. Лишь небольшая часть книги посвящена свойствам
1*
з
и технологии производства конкретных видов материалов. Это пред-
ставляется оправданным, так как существует подробная справочная
литература по различным видам электротехнических материалов, а
сортамент многих материалов и технические требования к ним предус:
матриваются государственными стандартами.
В конце книги дан краткий список дополнительной литературы для
более глубокого изучения тех или иных разделов курса. Регулярно
следить за текущими публикациями в области материалов радиоэлект-
роники можно по реферативному журналу ('Электротехника и энерге-
тика. Вып. 21 Б: Электротехнические материалы, электрические кон-
денсаторы, провода и кабели», издаваемому Всесоюзным институтом
научной и технической информации (ВИНИТИ).
Часть I книги написана заслуженным деятелем науки и техники
РСФСР, проф., докт. техн, наук Б. М. Тареевым, часть II — канд.
техн, наук, доц. Н. В. Коротковой, часть IV — канд. техн, наук, доц.
В. М. Петровым, часть V — канд. техн, наук, доц. А. А. Преображен-
ским; введение и часть III — Б. М. Тареевым и В. М. Петровым.
Авторы приносят глубокую благодарность за ценные замечания
по рукописи рецензентам — лауреату Государственной премии СССР,
докт. техн, наук, проф. X. С. Валееву, коллективу кафедры электро-
изоляционной и кабельной техники Томского политехнического инсти-
тута им. С. М. Кирова, руководимой доц. В. С. Дмитревским, и коллек-
тиву кафедры электрорадиоматериалов, кабелей и конденсаторов
Ереванского политехнического института им. К. Маркса, руководимой
доц. Ю. С. Чатиняном.
Все замечания и предложения просим направлять по адресу:
Москва, К-51, Неглинная ул., дом 29/14, издательство «Высшая школа».
Авторы
ВВЕДЕНИЕ
Материалы, используемые в раз-
личных отраслях электротехники, можно подразделить на конструк-
ционные и электротехнические или, с учетом практического примене-
ния в радиоэлектронике, электрорадиоматериалы.
Из конструкционных материалов изготовляют вспомогательные
детали и элементы радиоприборов, выполняющих в основном роль
механических нагрузок, — корпусы, шасси, шкалы, элементы управ-
ления и т. п.
Электрорадиоматериалы необходимы для изготовления проводов,
кабелей, волноводов, антенн, изоляторов, конденсаторов, резисторов,
катушек индуктивности, трансформаторов, электродвигателей и гене-
раторов, магнитов, диодов и транзисторов, электронных ламп, электро-
механических преобразователей, лазеров и мазеров, приемников света,
запоминающих устройств ЭВМ и т. д. От их свойств зависит работа
электрической схемы прибора: генерация, передача, выпрямление,
усиление и модуляция электрического тока, образование электричес-
кой изоляции и др.
В различных случаях при работе приборов на электрорадиомате-
риалы воздействуют электрическое и магнитное поля, как отдельно,
так и в совокупности. По поведению в электрическом поле эти матери-
алы подразделяют на три класса: проводниковые, полупроводниковые
и диэлектрические, а по поведению в магнитном поле — на магнитные
и немагнитные.
Основным свойством вещества по отношению к электрическому
полю является электропроводность, т. е. способность проводить элект-
рический ток под воздействием постоянного (не изменяющегося во вре-
мени) электрического напряжения. Если вещество находится в элект-
рическом поле с напряженностью В, то имеющиеся в веществе свобод-
ные заряженные частицы — носители заряда — под действием силы
F = qE (где q — заряд частицы) приобретают ускорение в направлении
вектора Е (для носителей, имеющих положительный заряду) или в про-
тивоположном направлении (для носителей с отрицательным зарядом q).
Возникающее таким образом упорядоченное в пространстве (в отличие
от хаотического теплового) движение электрических зарядов и есть
электрический ток в веществе.
5
Для случая, когда в веществе существуют свободные носители за-
ряда только одного вида, плотность тока J, т. е. электрический заряд,
переносимый за единицу времени через единицу площади, перпенди-
кулярной к Е,
J = qNVs, (В.1)
где А — число находящихся в единице объема вещества свободных
носителей заряда (концентрация носителей), м~3; о3 — средняя скорость
упорядоченного движения носителей, возникшего под действием элект-
рического поля. Обычно скорость v3 пропорциональна напряженности
поля Е\
уэ = |х£, (В.2)
где |л — коэффициент пропорциональности, м2/(В *с), называемый по-
движностью носителя.
С учетом (В.2) уравнение (В.1) можно представить в виде
J = уЕ = Е/р, (В.З)
где у = qN\i — удельная электрическая проводимость, См/м; р =
= 1/у — удельное электрическое сопротивление, Ом *м.
В более общем случае, когда в веществе присутствуют носители
заряда различных видов qh характеризуемые концентрациями Aj
и подвижностями |ль удельная проводимость
Т = £|<МЛ^. (В.4)
причем суммирование распространяется на все виды носителей.
Уравнение (В.З) представляет собой дифференциальную форму
закона Ома. Удельная проводимость и удельное сопротивление опре-
деляют плотность тока в веществе при заданной напряженности элект-
рического поля, т. е. количественно характеризуют явление электро-
проводности.
Параметры у или р определяют также рассеяние электрической
энергии в веществе, В соответствии с дифференциальной формой закона
Джоуля—Ленца энергия электрического поля (в Вт/м3) с напряжен-
ностью £, превращающаяся в тепло за единицу времени в единице
объема вещества,
р = уЕ2 = Е2/р. (В.5)
От формул (В.З) и (В.5) легко перейти к формулам для проводи-
мости G, сопротивления /? и рассеиваемой мощности Р для тела любых
размеров и формы, изготовленного из данного материала. Если к телу
из однородного и изотропного материала приложено постоянное напря-
жение U, то
G = уА = А/p; R = р/А = (уА)-1; Р = U2G = U2/R. (В.6)
Здесь А — геометрический параметр тела, м, называемый приве-
денной длиной. Для тела с постоянным по всей длине поперечным сече-
нием S и длиной h (например, жила провода или кабеля, диэлектрик
6
плоского конденсатора)
X = S/h. (В.7)
Для цилиндра с внешним и внутренним диаметрами Dad соответ-
ственно и осевой длиной I (диэлектрик цилиндрического конденсатора;
изоляция коаксиального кабеля)
Л = <В-8)
Значения р и у разных электрорадиоматериалов резко различны.
У веществ в сверхпроводящем состоянии удельное сопротивление прак-
тически равно нулю, а у разреженных газов стремится к бесконечности.
Даже если ограничиться рассмотрением лишь твердых веществ, нахо-
дящихся в нормальных условиях, то значения р охватывают 25 по-
рядков — от ^10"8 Ом *м для лучших металлических проводников
(медь, серебро, алюминий) до ^1017 Ом *м для лучших диэлектриков
(некоторые полимеры).
Обычно к проводникам относят вещества с удельным сопротивлением
менее 10"5 Ом -м, а к диэлектрикам — ср более 107 Ом -м; удельное
сопротивление полупроводников составляет 1О'в—109 Ом *м. Однако
при классификации веществ по электрическим свойствам кроме значе-
ния р необходимо учитывать и физическую природу электропровод-
ности, в частности вид свободных носителей заряда и характер зависи-
мости р от температуры.
Необходимо иметь в виду, что в зависимости от структуры и внеш-
них условий порядок значений р вещества может различаться весьма
существенно. Так, углероде аллотропической модификации графита —
проводник, а в модификации алмаза — диэлектрик; такие типичные
(при нормальных условиях) полупроводники, как германий и кремний,
при воздействии очень высоких гидростатических давлений становятся
проводниками, а при воздействии очень низких температур — диэлект-
риками; твердые и жидкие металлы — проводники, но пары метал-
лов — диэлектрики.
Проводниковые материалы служат для проведения
электрического тока. Они, как правило, обладают весьма малым или
заданным удельным сопротивлением. К ним относятся, с одной стороны,
сверхпроводниковые и криопроводниковые материалы, р которых при
очень низких (криогенных) температурах весьма мало, а с другой —
материалы высокого сопротивления, применяемые для изготовления
резисторов и электронагревательных элементов.
Полупроводниковые материалы используют
в технике в тех случаях, когда необходима управляемая напряжением,
температурой, освещенностью и другими факторами проводимость.
Из этих материалов изготовляют диоды, транзисторы, термисторы, фо-
торезисторы и другие полупроводниковые приборы.
Диэлектрики как вещества с высоким удельным сопротив-
лением используют, в частности, в качестве электроизоляционных ма-
териалов. Их назначение в этом случае — препятствовать прохожде-
нию тока путями, нежелательными для работы данного прибора. В кон-
7
денсаторах диэлектрические материалы служат для создания заданной
емкости.
Активные диэлектрики отличаются от обычных ди-
электриков (электроизоляционных материалов) тем, что принимают
активное участие в работе электрической схемы: в соответствующих
компонентах служат для генерации, усиления, модуляции, преобразо-
вания электрических сигналов. К активным диэлектрикам относятся
материалы для лазеров и мазеров, сегнето-, пьезо- и пироэлектрики
электрооптические и нелинейнооптические материалы, электреты и др.
Рис. В.1. Системы кристаллов:
/ — триклинная (афЬфг, а ф 3 ф у ф 90°); II — моноклинная {а ф b ф с\ а = у = 90°;
рф 90°); III — ромбическая (афЬ ф с\ а = (3 = у = 90°); IV — тетрагональная (а — Ь ф с\
а = р = у = 90°); V — тригональная (а = b = с\ а=Р = ут5 90°); VI — гексагональ-
ная (а = Ь ф с\ а = р = 90°; у = 120°); VII — кубическая (а = Ъ ф с\ а = р = у = 90°)
Магнитные материалы в отличие от немагнитных (ко-
торые практически не приобретают намагниченности при внесении
в магнитное поле) обладают способностью намагничиваться, а неко-
торые из них сохраняют свою намагниченность и после прекращения
воздействия магнитного поля. Из магнитных материалов делают
сердечники катушек индуктивности и трансформаторов, магнитные
запоминающие устройства, постоянные магниты и т. д.
По агрегатному состоянию электрорадиоматериалы подразделяют
на твердые, жидкие и газообразные. В радиоэлектронике используют
и четвертое состояние вещества — плазму, возникающую, в частности,
после пробоя диэлектриков.
Твердые материалы по структуре могут быть монокристалличес-
кими, поликристаллическими, аморфными и смешанными.
Монокристаллы — это однородные анизотропные тела,
которые характеризуются правильным порядком в расположении ато-
мов во всем объеме и состоят из периодически повторяющихся одина-
ковых кристаллических ячеек. По виду симметрии все кристаллы мож-
но подразделить на 32 класса, составляющие 7 кристаллографических
8
систем (сингоний). Системы (рис. В.1) отличаются друг от друга фор-
мой элементарной ячейки: соотношениями между длинами ребер а,
b и с и углами а, р и у между гранями. В кубической системе такая
ячейка представляет собой куб; в гексагональной — прямую призму,
основанием которой является ромб с углами 120 и 60°, а три ячейки
составляют шестигранную призму; в тригональной (или ромбоэдри-
ческой) — ромбоэдр, стороны которого равны, а углы одинаковы, но
отличны от 90° и меньше, чем 120°, в тетрагональной — прямоуголь-
ный параллелепипед, в основании которого лежит квадрат; в ромби-
ческой (или орторомбической) — прямоугольный параллелепипед
с неравными ребрами; в моноклинной — наклонный параллелепипед;
в триклинной (где нет осей и плоскостей симметрии) — параллелепи-
пед, все ребра и углы которого не равны между собой. Электрические
и магнитные свойства кристаллов разных сингоний и классов сущест-
венно различны, о чем будет упомянуто в соответствующих разделах
книги.
Поликристаллические материалы состоят из большого
числа сросшихся друг с другом мелких кристаллических зерен (крис-
таллитов), хаотически ориентированных в разных направлениях. К по-
ликристаллическим материалам относятся металлы, многие керами-
ческие материалы. Поликристаллические тела обычно изотропны.
Однако если в ориентации кристаллитов создать упорядоченность (на-
пример, механической обработкой металла, поляризацией сегнетоке-
рамики), то материал становится анизотропным. Такие тела с искусст-
венно созданной анизотропией называют текстурами.
В аморфных материалах отсутствует строго упорядоченное
расположение атомов. Аморфные тела — это затвердевшие жидкости,
которые образуются с понижением температуры при сравнительно быст-
ром повышении вязкости, затрудняющем перемещение молекул, необ-
ходимое для формирования и роста кристаллов. К аморфным материа-
лам относятся, например, стекла и смолы.
Смешанные (аморфно-кристаллические) ма-
териалы — частично закристаллизованные аморфные. Частично крис-
таллическую структуру имеют многие полимеры. Стекло определенных
составов при выдержке при повышенных температурах начинает крис-
таллизоваться; благодаря образующимся мелким кристалликам оно
теряет прозрачность, превращаясь в аморфно-кристаллический мате-
риал — ситалл.
Химические связи между атомами вещества делят на ионные, атом-
ные (или ковалентные), металлические и молекулярные. Материалы,
полученные из веществ с разными связями, сильно различаются по
своим электрическим и другим свойствам.
Ионные связи обусловлены кулоновским притяжением противо-
положно заряженных ионов. Такие связи наиболее характерны для
неорганических диэлектриков, имеющих в своем составе ионы проти-
воположных знаков, например Na+—СГ, Li+—F'.
Атомные (ковалентные) связи возникают между атомами
путем образования общих пар валентных электронов — по одному от
каждого атома. Такая пара электронов устойчива в результате обмен-
9
ного взаимодействия при противоположной ориентации спиновых
и соответствующих орбитальных магнитных моментов электронов.
В отличие от ионной атомная связь имеет направленный характер —
она образуется в том направлении, в котором расположена наибольшая
плотность объединенных электронов. Поэтому вещества с атомными
связями обычно твердые и хрупкие. К ним относятся кристаллы гер-
мания, кремния, алмаза, соединения элементов из средних групп таб-
лицы Д. И. Менделеева — SiC, BN. Атомные связи характерны и для
молекул таких газов, как Н2, О2, N2, а также молекул многих органи-
ческих соединений — полиэтилена (С2Н4)П, политетрафторэтилена
(C2F4)n и Др- (связи между отдельными молекулами этих соединений —
молекулярные).
Металлические связи — это связи положительно заряжен-
ных ионов металла, образуемые оторвавшимися от атомов коллективи-
зированными валентными электронами. «Электронный газ» оказывает
цементирующее действие на кристаллическую структуру металлов и
приводит к их высокой теплопроводности и электропроводности. Не-
направленный характер связи обусловливает высокую пластичность
металлов.
Молекулярные связи существуют между отдельными моле-
кулами за счет электростатического притяжения имеющимися в них
зарядами противоположных знаков (силы Ван-дер-Ваальса). Эти связи
удерживают вместе молекулы в твердом водороде (Н2), азоте (N2),
углекислом газе (СО2), во многих органических соединениях — поли-
этилене, политетрафторэтилене и т. д. Ввиду слабости молекулярных
связей эти вещества легко разрушаются при тепловом движении моле-
кул и имеют низкие температуры плавления и кипения.
Особым видом молекулярной связи является водородная связь,
осуществляемая через ион водорода (протон), расположенный между
двумя ионами (О”", F", СГ) соседних молекул. Водородная связь имеется
в воде Н2О и некоторых органических соединениях, а также в кристал-
лах типа КН2РО4.
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Глава 1
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА
ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
§ 1.1. Общие сведения
Важнейшими применяемыми в элект-
ротехнике твердыми проводниковыми материалами
являются металлы и их сплавы.
Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены
металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление р
[см. формулу (В.З)] при нормальной температуре не более 0,1 мкОм -м,
и сплавы высокого сопротивления с р при нормальной температуре не
менее 0,3 мкОм -м. Металлы высокой проводимости используют для
проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических ма-
шин и трансформаторов и т. п. Сплавы высокого сопротивления приме-
няют при изготовлении резисторов, электронагревательных элементов
и т. п.
Особый интерес представляют материалы, обладающие очень малым
удельным сопротивлением при весьма низких (криогенных) температу-
рах, — сверхпроводники и криопроводники (см. гл. 3).
К жидким проводникам относятся расплавленные
металлы, а также различные электролиты. Для большинства металлов
температура плавления высока (см. табл. 1.1, в которой даны ориенти-
ровочные значения некоторых физических свойств для важнейших по
тематике настоящей книги металлов); только ртуть, а также некоторые
специальные сплавы (например, сплавы системы индий — галлий)
могут быть использованы в качестве жидких проводников при нормаль-
ной температуре.
Как уже отмечалось, в металлах как в твердом, так и в жидком
состояниях, имеется весьма большое количество свободных электронов
11
(электронов проводимости), которые являются носителями заряда
при прохождении через металл электрического тока. Так, при нормаль-
ной температуре концентрация электронов проводимости N в серебре
составляет 5,9 • 1028, в меди 8,5 *1028, в алюминии 8,3 -1028 м-3; значения
подвижности зарядов для этих же металлов соответственно 6,6‘Ю-5;
4,3-10~5 и 2,7 -КГ5 м2/(В *с).
Таким образом, механизм прохождения тока через твердые и жид-
кие металлы обусловлен дрейфом (направленным движением) свобод-
ных электронов под воздействием электрического поля, создаваемого
в металле приложенным извне напряжением. Поэтому металлы назы-
вают проводниками с электронной (металлической) электропровод-
ностью, иначе проводниками первого рода.
Проводниками второго рода, или электролитами, являются раство-
ры (в частности, водные) и расплавы солей, кислот, щелочей и других
веществ с ионным строением молекул. Прохождение тока через элект-
ролиты связано с явлением электролиза; при этом электрические заряды
переносятся вместе с частицами молекул (ионами) электролита, на элек-
тродах в соответствии с законами Фарадея выделяются продукты элект-
ролиза, а состав электролита при прохождении через него тока изме-
няется (в то время как в металлах при прохождении через них то-
ка изменений массы металла и его химического состава не наблю-
дается).
Все газы и пары,в том числе и пары металлов, при достаточно
малых значениях напряженности электрического поля являются
диэлектриками и обладают очень высоким удельным сопротивлением р.
Однако если напряженность поля превысит некоторое критическое зна-
чение, обеспечивающее начало ионизации, то газ может стать провод-
ником с электронной и ионной электропроводностью. Сильно ионизи-
рованный газ при равенстве количества электронов и положительных
ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду,
называемую плазмой.
Согласно классической электронной теории металлов твердый про-
водник представляют в виде системы из узлов кристаллической ионной
решетки, внутри которой находится «электронный газ», состоящий из
коллективизированных (свободных) электронов. В коллективизирован-
ное состояние от каждого атома металла отделяется от одного до двух
электронов. Ранее к электронному газу применялись представления
и законы статистики обычных газов, что дало возможность математи-
чески вывести и объяснить найденные ранее экспериментальным путем
основные законы электропроводности (закон Ома) и потерь электри-
ческой энергии (закон Джоуля — Ленца), а также связь между элект-
ропроводностью и теплопроводностью металлов [закон Видемана —
Франца — Лорентца, формула (1.5)].
Кроме того, ряд опытов подтверждал гипотезу об электронном газе
в металлах, а именно:
1) при длительном пропускании электрического тока через сложен-
ные вместе диски из различных металлов не наблюдается ни изменения
массы отдельных дисков, ни проникновения атомов одного металла
в другой;
12
2) при нагреве металлов до высоких температур скорость теплового
движения свободных электронов увеличивается, и наиболее быстрые
электроны могут вылетать из металла, преодолевая поверхностный
потенциальный барьер №в.э;
3) при резком торможении быстро двигавшегося проводника про-
исходит смещение электронного газа по закону инерции в направлении
движения, что приводит к появлению разности потенциалов на концах
заторможенного проводника;
4) в металлической пластинке, помещенной в поперечное магнитное
поле, появляется поперечная э. д. с. и изменяется электрическое
сопротивление проводника (эффект Холла; более подробно — см. ч. III,
§ 13.2).
Однако, хотя ряд вопросов был удачно разрешен с помощью клас-
сической электронной теории металлов, обнаружились противоречия
с опытными данными: различие зависимостей удельного сопротивления
от температуры, теоретических и наблюдаемых на опыте; несоответствие
теоретически полученных значений теплоемкости металлов опытным
данным (наблюдаемая теплоемкость металлов меньше теоретической).
Эти затруднения удалось преодолеть благодаря квантовой механике.
В отличие от классической электронной теории согласно квантовой
механике электронный газ в металлах при обычных температурах
находится в состоянии «вырождения». В этом состоянии энергия элект-
ронного газа почти не зависит от температуры, т. е. тепловое движение
мало изменяет энергию электронов. В состояние, аналогичное обыч-
ным газам, электронный газ приходит лишь при температурах порядка
тысяч кельвинов.
Представляя металл как систему, в которой положительные ионы
скрепляются посредством свободно движущихся электронов, легко
понять природу всех основных свойств металлов: пластичности, ков-
кости, высокой теплопроводности и удельной электрической прово-
димости.
§ 1.2. Удельное сопротивление и удельная проводимость
проводников
Для измерения р проводниковых материалов кроме единицы СИ
Ом -м часто используют внесистемную единицу Ом -мм2/м:
1 Ом-м=106 мкОм-м=106 Ом-мм2/м.
Диапазон значений р металлических проводников (при нормальной
температуре) — от 0,016 для серебра и до 10 мкОм -м для некоторых
сплавов, т. е. он охватывает всего три порядка. Значения р некоторых
металлов даны в табл. I.I.
Удельная проводимость у проводников выражается в единицах,
обратных единицам р, обычно — в МСм/м.
Согласно классической теории металлов под действием электри-
ческого поля напряженностью Е свободные электроны помимо скорости
тепловых движений vT приобретают компонент «электрической» ско-
рости v9, имеющий направление, противоположное направлению век-
13
Свойства металлов
Таблица 1.1
Металл т . пл’ °C D, Мг/м’ с, ДжДкгХ ХК) %, Вт/(м-К) тк/, 10-вК-1 Р, мкОм-м ТКр, 10— "V,- эВ
Ртуть Hg —38,9 13,55 138 10 61 0,958 9 4,5
Галлий Ga 29,7 5,91 385 183 0,56
Натрий Na 97,7 0,97 1260 125 70 0,046 50 2,3
Индий In 156 7,28 243 25 25 0,09 47
Олово Sn 232 7,31 226 65 23 0,12 44 4,4
Кадмий Cd 321 8,65 230 93 30 0,076 42 4,0
Свинец РЬ 327 11,4 130 35 29 0,21 37
Цинк Zn 420 7,14 390 111 31 0,059 40 4,4
Магний Mg 651 1,74 1040 167 26 0,045 42 3,6
Алюминий А1 657 2,70 922 209 24 0,028 42 4,3
Серебро Ag 961 10,5 234 415 19 0,016 40 4,4
Золото Au 1063 19,3 126 293 14 0,024 38 4,8
Медь Си 1083 8,94 385 390 16 0,0172 43 4,3
Бериллий Be 1284 1,83 200 167 13 0,04 3,9
Никель Ni 1455 8,90 444 95 13 0,073 65 5,0
Кобальт Со 1490 8,71 435 79 12 0,062 60 —
Железо Fe 1535 7,87 452 73 11 0,098 60 4,5
Палладий Pd 1554 12,2 243 72 12 0,11 38 4,8
Титан Ti 1680 4,5 577 15 8 0,42 44 4,1
Платина Pt 1773 21,4 134 71 9 0,105 39 5,3
Торий Th 1850 11,5 113 — 11 0,186 23 3,3
Цирконий Zr 1860 6,4 276 17 5,4 0,41 45 3,8
Ниобий Nb 2415 8,6 272 50 7,2 0,18 30 4,0
Молибден Мо 2620 10,2 264 151 5,1 0,057 46 4,2
Тантал Та 2970 16,6 142 54 6,5 0,135 38 4,1
Рений Re 3180 20,5 138 71 4,7 0,21 32 4,8
Вольфрам W 3380 19,3 218 168 4,4 0,055 46 4,5
Примечание. Металлы расположены в порядке возрастающей температуры плавле-
ния Тпл> Для Тпл даны значения при нормальном давлении; плотность D, удельная тепло-
емкость с, коэффициент теплопроводности к и др. — при нормальных температуре и давлении
тора Е. При геометрическом сложении скоростей свободных электро-
нов в некотором объеме металла хаотически направленные скорости
vT дают в сумме нуль, a v9 определяют дрейф электронов. В промежут-
ках между двумя последовательными соударениями свободного элект-
рона с узлами кристаллической решетки v9 равномерно возрастает
от нуля с ускорением а = F/m, где F — действующая на электрон
сила, равная F = Eq\ е — заряд электрона и т — его масса. При
обычных условиях для металлов (^т порядка 10б м/с, a v9 при
Е = 1 В/м порядка всего лишь 10“3 м/с), так что среднее время свобод-
ного пробега между двумя соударениями с узлами решетки т опреде-
ляется как отношение средней длины свободного пробега I к средней
скорости теплового движения электронов: т = //ут. Полагая, что кине-
тическая энергия теплового движения электрона mv?/2 определяется,
как и энергия молекулы идеального газа, выражением 1,5 kT (где k —
постоянная Больцмана, Т — термодинамическая температура) и ис-
14
пользуя формулы (В.1) и (В.З), получаем выражение для удельного
сопротивления металла, в которое входит и температура Т:
р = 2 (3mkT) ^ДНе-2/-1. (1.1)
Таким образом, при независимости N и I от температуры р метал-
лов должно быть обратно пропорционально f/T. Современная кван-
товая физика вносит существенные уточнения в изложенные элементар-
ные рассуждения (в частности, изменяется форма зависимости р от Т),
но сущность решения не изменяется.
Для различных металлов р в основном определяется значением /,
которое в свою очередь зависит от структуры проводника. Чистые
металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характе-
ризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; примеси,
искажая решетку, приводят к увеличению р. Такой же вывод можно
сделать, исходя из волновой природы электронов. Рассеяние электрон-
ных волн происходит на дефектах кристаллической решетки, которые
соизмеримы с расстоянием порядка четверти длины волны электрона;
нарушения меньших размеров не вызывают заметного рассеяния волн.
В металлическом проводнике, где длина волны электрона порядка 5 А,
микродефекты создают значительное рассеяние, уменьшающее подвиж-
ность электронов и, следовательно, приводят к росту р.
Зависимость удельного сопротивления металлов от температуры.
Введем понятие температурного коэффициента, которым будем поль-
зоваться и в дальнейшем. Температурный коэффициент (ТК) какого-
либо параметра z материала или радиоэлектронного компонента — это
логарифмическая производная этого параметра по температуре:
™*-4-£ = wlnz- с-2»
Размерность ТК обратна размерности температуры и все ТК выра-
жаются в (К-1). Положительный знак ТК г при г> 0 соответствует
случаю, когда z при возрастании Т в окрестностях данной точки воз-
растает, и наоборот. Если г, в свою очередь, является функцией не-
скольких зависящих от Т величин вида
z = Ахтуп...,
где А, /и, п... — постоянные, то
TKz = /nTKx + nTK//+ ••• (1-3)
Как отмечалось, р металлов при повышении Т возрастает (см.
рис. 1.1, 1.2 и 3.6). Следовательно, температурный коэффициент удель-
ного сопротивления металлов
величина положительная. Согласно классической теории, ТКр чистых
металлов в твердом состоянии должен быть близок к ТК объема идеаль-
ных газов, т. е. к 1/273 = 0,00367 К"1.
15
При фазовом переходе из одного агрегатного состояния в другое
удельное сопротивление металлов изменяется скачкообразно. При
плавлении металлов р обычно возрастает (рис. 1.2). Однако у метал-
Рис, 1. 1. Зависимости удельного
сопротивления металлов и сплавов
от температуры:
/ — железо; 2 — электротехническая
сталь с содержанием 4 % Si (см. гл.
29); 3 — сплав Fe— Ni — Сг (см. § 5.1)
лов, плотность которых при плав-
лении уменьшается (висмут, сурьма
и галлий), р при плавлении снижается.
Изменение удельного сопротивле-
ния металлов при деформациях. Из-
менение р при упругом растяжении
или сжатии можно приближенно оце-
нивать формулой
р = р0(1± so), (1.4)
где р — удельное сопротивление ме-
талла при механическом напряжении
о; Ро — удельное сопротивление ме-
талла, не подверженного механическо-
му воздействию; s — коэффициент,
характеризующий данный металл.
Знак «плюс» в (1.4) соответствует
растяжению, «минус» — сжатию.
Изменение р при упругих дефор-
мациях объясняется изменением ам-
плитуды колебаний узлов кристаллической решетки металла. При
растяжении эти амплитуды увеличиваются, при сжатии — уменьшают-
ся. Увеличение амплитуды колебаний узлов обусловливает уменьшение
подвижности носителей зарядов и,
Уменьшение амплитуды колеба-
ний, наоборот, приводит к умень-
шению р.
Пластическая деформация, как
правило, повышает р металлов в
результате искажения кристалли-
ческой решетки. При рекристалли-
зации путем термической обработ-
ки (отжига) р может быть вновь
снижено до первоначального зна-
чения.
Иногда наблюдающееся при де-
формациях сжатия уменьшение
удельного сопротивления объяс-
Рис. 1.2. Зависимость удельного соп-
ротивления меди от температуры; ска-
чок при температуре плавления 1083° С
няется вторичными явлениями —
уплотнением металла, разрушением
оксидных пленок и т. д.
При воздействии высоких гид-
ростатических давлений характер
изменения р у различных металлов может быть весьма различным:
при этом могут наблюдаться повышения, понижения и обусловлен-
ные полиморфическими переходами (изменениями кристаллической
16
структуры вещества) скачкообразные изменения р. Такие скачки р
(висмута, бария, таллия, свинца и др.) при изменении гидростатичес-
кого давления используют в качестве
реперных точек при измерениях вы-
соких давлений.
Удельное сопротивление сплавов.
Как указывалось, примеси и нару-
шения правильной структуры метал-
лов ведут к увеличению их удельно-
го сопротивления.
Значительное возрастание р на-
блюдается при сплавлении двух ме-
таллов в том случае, если они об-
разуют твердый раствор, т. е. со-
здают при отвердевании совместную
кристаллизацию и атомы одного ме-
талла входят в кристаллическую ре-
шетку другого.
Зависимость удельного сопротив-
ления сплава двух металлов, обра-
зующих твердый раствор, от процент-
ного содержания каждого из них
Рис. 1.3. Зависимости р (а) и ТК
р (б) сплавов системы Си — Ni от
состава (в процентах по массе)
представлена на рис. 1.3 (кривая а).
Кривая имеет максимум, соответствующий некоторому соотношению
сплаве; при уменьшении содержания
содержаний компонентов в
каждого из них р падает,
аг. °/0Mg
приближаясь к соответствующим значе-
ниям р чистых металлов. Обычно на-
блюдается определенная закономер-
ность и в изменении ТК р: относи-
тельно высокими значениями ТКр
обладают чистые металлы, а у спла-
вов ТКр меньше и даже может приоб-
ретать небольшие по абсолютной ве-
личине отрицательные значения (рис.
1.3, кривая б). Это объясняется тем,
что у сплавов изменение р вызывается
не только изменением подвижности но-
сителей заряда, но в некоторых слу-
чаях и возрастанием концентрации но-
сителей при повышении температуры.
Рис. 1.4. Зависимости р сплавов системы
Mg—Zn от состава (в атомных процентах):
/ — чистый Mg; 2 — интерметаллид MgZn; 3 —
Mg2Zn3; 4 — MgZn4; 5 — MgZne; 6 — чистый Zn
Н. С. Курнаков открыл, что в тех случаях, когда при определенных
соотношениях компоненты сплава образуют друг с другом явно выра-
женные химические соединения — интерметаллиды (дальтониды), на
17
кривых р (а также ТКр) в функции состава наблюдаются сингуляр-
ные точки (рис. 1.4); между этими точками (для сплавов — бертолли-
дов) график р в функции состава — плавная кривая. А. Ф. Иоффе
показал, что многие интерметаллиды являются не веществами с метал-
лическим характером электропроводности, а электронными полупро-
водниками.
Если же сплав двух металлов создает раздельную кристаллизацию
(т. е. компоненты сплава не образуют твердого раствора, и искажение
кристаллической решетки каждого из компонентов не имеет места),
то р сплава приближенно определяется арифметическим правилом
смешения.
§ 1.3. Теплопроводность металлов
Тепло через металл передается в основном теми же свободными
электронами, которые определяют и электропроводность металлов;
количество их в единице объема металла весьма велико. Поэтому,
как правило, коэффициент теплопроводности X металлов много боль-
ше, чем X диэлектриков. Очевидно, что при прочих равных условиях,
чем больше удельная электрическая проводимость у металла, тем
больше его коэффициент теплопроводности X. При повышении тем-
пературы, когда подвижность электронов в металле и соответственно
его удельная проводимость у уменьшаются, отношение коэффициента
теплопроводности металла к его удельной электрической проводи-
мости Х/у должно возрастать. Математически это выражается зако-
ном Видемана — Франца — Лорентца:
h/y = LQT, (1.5)
где Т — абсолютная температура, К; Ьо — число Лорентца,
равное
т л2 k2 /1
Ьо=з--^. (1-6)
Подстановка в (1.6) значений постоянной Больцмана k = 1,38 X
X 10"23 Дж/К и заряда электрона е =—1,6 *10"19 Кл дает £0 =
= 2,45 -10'8 В2/К2.
Закон Видемана — Франца — Лорентца для большинства металлов
хорошо подтверждается при температурах, близких к нормальной
или несколько повышенных.
Проверим справедливость этого закона для меди при нормальной
температуре. Подставляя в формулу (1.5) параметры меди: у =
= 57 *106 См/м и X = 390 Вт/(м*К), получаем (при Т = 293 К) LQ =
= 2,54 -10"8 В2/К2, что весьма близко к теоретическому значению. При
нормальной температуре для алюминия Lo = 2,1 *10-8, для свинца
и олова 2,5-10'8, для железа 2,9-10'8 В2/К2.
Однако в области низких температур коэффициент при Т в урав-
нении (1.5) уже не остается неизменным: так, для меди при охлажде-
нии он проходит через минимум, а при приближении к абсолютному
нулю вновь близок к теоретическому значению LQ.
18
§ 1.4. Термоэлектродвижущая сила
При соприкосновении двух различных металлов (или полупровод-
ников, см. часть II) между ними возникает контактная разность
потенциалов, обусловленная различием значений работы выхода элект-
ронов и различием значений концентрации свободных электронов
соприкасающихся металлов.
Если температуры точек соприкосновения («спаев», как часто гово-
рят, имея в виду применение рассматриваемого явления в термопарах)
различны, то сумма разностей потенциалов в замкнутой цепи из двух
(или большего числа) металлов равна нулю. Если же один из спаев
(для случая цепи из двух металлов А и В) имеет температуру 7\,
а другой Т2, причем Л#2 Т2, между спаями возникает термо-э. д. с.
t/=4(7\-T2)ln^. (1.7)
е пв
где пА и пв — концентрации свободных электронов в металлах А и В
соответственно; k и е — постоянная Больцмана и заряд электрона.
Формулу (1.7) можно записать в виде
1/ = К(7\-Т2), (1.8)
где К — постоянный для данной пары проводников коэффициент
(«коэффициент термо-э. д. с.»), т. е. термо-э. д. с. должна быть про-
порциональна разности температур спаев (см. рис. 5.1).
Провод, составленный из двух изолированных по длине друг от
друга проволок из различных металлов или сплавов («термопара»),
может быть использован для измерения температур. В термопарах
используют проводники, имеющие большой по величине и стабильный
коэффициент термо-э. д. с. Наоборот, для обмоток измерительных
приборов и эталонных резисторов стремятся применять проводнико-
вые металлы и сплавы с возможно меньшим коэффициентом термо-
э. д. с. относительно меди, чтобы избежать появления в измерительных
схемах паразитных термо-э. д. с., которые могли бы вызвать ошибки
при точных измерениях.
§ 1.5. Температурный коэффициент линейного расширения
проводников
Значение этого коэффициента
ТК/ = }.^,[К-Ч
(где / — произвольный линейный размер изделия из данного материа-
ла) интересно не только с точки зрения работы различных сопряжен-
ных материалов в той или иной конструкции (возможность растрески-
вания или нарушения вакуум-плотного соединения со стеклами, кера-
микой и др. при изменении температуры и т. п.). Оно необходимо
также для расчета температурного коэффициента электрического сопро-
19
тивления провода
ТКЯ = ТКр-ТК/. (1.9)
Для чистых металлов, как это видно из табл. 1.1, обычно
ТК/ ТКр, т. е. для них можно считать приближенно ТК^? = ТКр.
Однако для сплавов, имеющих малый ТКр (ср. рис. 1.1, б и § 5.1),
формула (1.9) имеет существенное практическое значение. Формулу
1.9) можно легко вывести путем сопоставления уравнений (1.3)
и (В.6).
Значение ТК/ твердых металлов возрастает при повышении тем-
пературы и приближении к температуре плавления. Поэтому при нор-
мальной температуре легкоплавкие металлы обычно имеют сравни-
тельно высокие, а тугоплавкие сравнительно низкие значения ТК/
(табл. 1.1).
§ 1.6. Механические свойства проводников
Эти свойства характеризуются пределом прочности при растяже-
нии ор, относительным удлинением при разрыве AZ/Z, хрупкостью, твер-
достью и другими параметрами.
Механические свойства металлических проводников в весьма боль-
шой степени зависят от механической и термической обработки, от
наличия примесей и т. п. Отжиг приводит к существенному уменьше-
нию ор и увеличению AZ/Z; это можно видеть на примере меди (см.
рис. 2.1).
Глава 2
МЕТАЛЛЫ ВЫСОКОЙ ПРОВОДИМОСТИ
К наиболее распространенным металлам высокой проводимости
относятся медь и алюминий.
§ 2.1. Медь
Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение
в качестве проводникового материала, следующие:
1) малое удельное сопротивление (из всех металлов только серебро
имеет р несколько меньшее, чем медь);
2) достаточно высокая механическая прочность;
3) удовлетворительная коррозионная стойкость; медь окисляется
на воздухе даже в условиях высокой влажности значительно медлен-
нее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит
только при повышенных температурах (см. рис. 4.1);
4) хорошая обрабатываемость; медь прокатывается в листы и ленты
и протягивается в проволоку;
5) относительная легкость пайки и сварки.
Медь получают чаще всего путем переработки сульфидных руд.
Медь, предназначенная для электротехнических целей, обязательно
подвергается электролитической очистке. Полученные в результате
20
электролиза катодные пластины меди переплавляют в болванки мас-
сой 80—90 кг, которые прокатывают и протягивают, создавая изделия
требующегося поперечного сечения.
При изготовлении проволоки болванки сначала подвергают горя-
чей прокатке в катанку диаметром 6,5—7,2 мм, которую затем протя-
гивают без подогрева, получая проволоку нужных диаметров.
В качестве проводникового материала используют медь марок Ml
и МО. Медь марки Ml содержит 99,9% Си, а в общем количестве при-
месей (0,1%) кислорода должно быть не более 0,08%. Наличие в меди
кислорода ухудшает ее механические свойства. Лучшими механичес-
кими свойствами обладает медь
марки МО, в которой содержится
не более 0,05% примесей, в том
числе не свыше 0,02% кислорода.
Из меди марки МО может быть
изготовлена особо тонкая прово-
лока (до диаметра 0,01 мм).
При холодной протяжке полу-
чают твердую (твердотянутую)
медь (МТ), которая благодаря на-
клепу имеет высокий предел проч-
ности при растяжении, если удлине-
ние мало, а также твердость и уп-
ругость; при изгибе проволока из
твердой меди несколько пружинит.
Если же медь подвергнуть от-
жигу, т. е. нагреву до нескольких
Рис. 2.1. Зависимости параметров ме-
ди от температуры отжига (при про-
должительности отжига 1 ч):
а — удельное сопротивление, мкОм «м; б—
предел прочности при растяжении; в —
относительное удлинение при разрыве
сотен градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая
(отожженная) медь (ММ), которая сравнительно пластична, имеет
пониженную твердость и небольшую прочность, но весьма большое
удлинение при разрыве и (в соответствии с рассмотренными общими
закономерностями) более высокую удельную проводимость.
Влияние отжига на свойства меди показано на рис. 2.1. Изменение
механических свойств —ор и AZ/Z при отжиге выражено сильнее, чем
изменение р.
Электропроводность меди весьма чувствительна к наличию при-
месей (рис. 2.2).
Твердую медь употребляют там, где надо обеспечить высокую меха-
ническую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию: для
контактных проводов, для шин распределительных устройств, для кол-
лекторных пластин электрических машин и пр.
Мягкую медь в виде проволок круглого и прямоугольного сечения
применяют главным образом в виде токопроводящих жил кабелей и
обмоточных проводов, где важна гибкость и пластичность (отсутствие
«пружинения» при изгибе), а прочность не имеет существенного зна-
чения.
Медь — сравнительно дорогой и дефицитный материал. Поэтому
она должна расходоваться весьма экономно. Отходы меди на электро-
технических предприятиях необходимо собирать; и важно не смеши-
21
вать их с другими металлами, а также с менее чистой (не электротех-
нической) медью, чтобы можно было их переплавить и вновь исполь-
зовать в этом качестве. Медь как проводниковый материал в ряде слу-
чаев заменяют другими металлами, чаще всего алюминием.
В отдельных случаях помимо чистой меди в качестве проводникового
материала применяют ее сплавы с небольшим содержанием легирую-
щих примесей: Sn, Si, Р, Be, Cr, Mg, Ca и др. Такие сплавы, называе-
мые бронзами, при правильно подобранном составе имеют зна-
чительно более высокие механические свойства, чем чистая медь;
Рис. 2.2. Влияние различных приме-
сей (в процентах по массе) на удель-
ную проводимость у меди (значение у
для чистой меди принято за 100%)
ор бронз может доходить до 800—
1200 МПа и более. Бронзы широко
применяют для изготовления токо-
проводящих пружин и т. п.
Введение в медь кадмия при
сравнительно малом снижении уде-
льной проводимости у дает сущест-
венное повышение механической
прочности и твердости. Кадмиевую
бронзу применяют для контактных
проводов и коллекторных пластин
особо ответственного назначения.
Еще большей механической проч-
ностью обладает бериллиевая брон-
за (ор до 1350 МПа).
Латунь (сплав меди с цин-
ком) обладает достаточно высоким
относительным удлинением при по-
вышенном пределе прочности на растяжение по сравнению с чистой
медью. Это дает латуни технологические преимущества при обработке
штамповкой, глубокой вытяжкой и т. п.
Латунь применяют в электротехнике для изготовления различных
токопроводящих деталей.
§ 2.2. Алюминий
Алюминий — важнейший представитель так называемых
легких металлов, т. е. металлов с плотностью менее 5000 кг/м3:
плотность литого алюминия около 2600, прокатанного — 2700 кг/м3.
Таким образом, алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди.
Удельное сопротивление р алюминия (см. табл. 1.1) примерно
в 1,63 раза больше р меди. Поэтому замена меди алюминием не всегда
возможна, особенно в радиоэлектронике. Однако если сравнить по
массе два отрезка алюминиевого и медного проводов одной и той же
длины и одного и того же сопротивления, то окажется, что алюминие-
вый провод хотя и толще медного, но легче его приблизительно в 2 раза.
Поэтому для изготовления проводов одной и той же проводимости
на единицу длины алюминий выгоднее меди в том случае, если тонна
алюминия дороже тонны меди не более чем в два раза. Важно и то, что
алюминий менее дефицитен, чем медь.
22
Для электротехнических целей используют алюминий марки А1,
содержащий не более 0,5% примесей. Еще более чистый алюминий
марки AB00 (не более 0,03% примесей) применяют для изготовления
алюминиевой фольги, электродов и корпусов электролитических кон-
денсаторов. Алюминий наивысшей чистоты AB0000 содержит не более
0,004% примесей.
Прокатка, протяжка и отжиг алюминия аналогичны соответствую-
щим операциям для меди. Из алюминия может прокатываться тонкая
(до 6—7 мкм) фольга, применяемая в качестве обкладок в бумажных
и пленочных конденсаторах.
Алюминий на воздухе активно окисляется и покрывается тонкой
оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением (§20.14).
Эта пленка предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но соз-
дает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминие-
вых проводов и сильно затрудняет пайку алюминия обычными спосо-
бами. Для пайки алюминия применяют специальные пасты — припои
или используют ультразвуковые паяльники.
§ 2.3. Железо
Сталь (железо) как наиболее дешевый и доступный металл,
обладающий высокой механической прочностью, в ряде случаев исполь-
зуют в качестве проводникового материала. Даже чистое железо имеет
более высокое по сравнению с медью и алюминием удельное сопротив-
ление р (порядка 0,1 мкОм*м); значение р стали, т. е. железа с при-
месью углерода и других элементов, еще выше (см. рис. 1.1, б, в и г).
При переменном токе в стали, как магнитном материале, сильно
сказывается поверхностный эффект, поэтому активное сопротивление
стальных проводников для переменного тока выше, чем для постоян-
ного. Кроме юго, при переменном токе в стальных проводниках появ-
ляются потери мощности на гистерезис.
Обычная сталь обладает малой коррозионной стойкостью: даже при
нормальной температуре, особенно в условиях повышенной влажности,
она быстро ржавеет; при повышении температуры скорость коррозии
резко возрастает. Поэтому поверхность стальных проводов должна быть
защищена слоем более стойкого материала, например цинка.
Железо имеет высокий температурный коэффициент удельного со-
противления ТКр (см. табл. 1.1 и рис. 1.1). Поэтому тонкую железную
проволоку, помещенную для защиты от окисления в баллон, запол-
ненный водородом, можно применять в барретерах, т. е. в приборах,
в которых используется зависимость сопротивления от силы тока,
нагревающего помещенную в них проволоку. Этот прибор сохраняет
постоянную силу тока при колебаниях напряжения.
§ 2.4. Натрий
Интересным и перспективным проводниковым материалом является
металлический натрий. Натрий может быть получен путем элект-
ролиза расплавленного хлористого натрия NaCl в практически неогра-
23
ниченных количествах. Удельное сопротивление натрия в 2,8 раза
больше р меди и в 1,7 раз больше р алюминия. Но благодаря очень
малой плотности натрия (он легче воды; плотность его примерно в 9 раз
меньше плотности меди) провод из натрия при данной проводимости
на единицу длины (при нормальной температуре) должен быть значи-
тельно легче, чем провод из любого другого металла.
Однако натрий весьма активен химически — он интенсивно окис-
ляется на воздухе и бурно реагирует с водой, кроме того, натрий весьма
мягок и имеет малый предел прочности при растяжении и других
деформациях. Поэтому натриевый провод должен быть защищен герме-
тизирующей оболочкой, которая должна также придавать проводу
необходимую механическую прочность. Натриевые провода и кабели
изготовляют в пластмассовых (полиэтиленовых) оболочках, что по-
мимо герметизации и повышения механической прочности провода или
кабеля создает его электрическую изоляцию.
Глава 3
СВЕРХПРОВОДНИКИ И КРИОПРОВОДНИКИ
§ 3.1. Сверхпроводники
Как уже отмечалось, при понижении температуры удельное сопро-
тивление р металлов уменьшается. Представляет большой интерес
электропроводность металлов при весьма низких (криогенных) темпе-
ратурах, приближающихся к абсолютному нулю.
В 1911 г. голландский ученый Г. Каммерлинг-Оннес обнаружил,
что при охлаждении до температуры 4,2 К сопротивление кольца из
замороженной ртути внезапно падает до очень малой, практически
не измеряемой величины. Это исчезновение электрического сопротив-
ления, т. е. появление бесконечной удельной проводимости материала,
было названо сверхпроводимостью, а критическая температура охлаж-
дения, при которой совершается переход вещества в сверхпроводящее
состояние, — температурой сверхпроводникового перехода Ткр. Пере-
ход в сверхпроводящее состояние является обратимым; с повышением
температуры до Ткр материал приобретает нормальное (не сверхпрово-
дящее) состояние с конечным значением удельной проводимости у.
В дальнейшем были обнаружены помимо ртути и многие другие
материалы, причем не только чистые металлы (химические элементы),
но и различные сплавы и химические соединения, способные при
охлаждении до достаточно низкой температуры переходить в сверх-
проводящее состояние. Такие материалы получили название сверх-
проводников. Известно 27 простых сверхпроводников (чистых
металлов) и более тысячи сложных (сплавов и соединений). Параметры
некоторых сверхпроводников приведены в табл. 3.1.
Однако многие вещества, в том числе такие наилучшие (т. е.
обладающие наименьшими значениями р при нормальной температуре)
проводниковые материалы, как серебро и медь, при самых низких
24
достигнутых в настоящее время температурах перевести в сверхпрово-
дящее состояние не удалось.
Таблица 3.1!
Ориентировочные значения свойств некоторых сверхпроводников
Мягкие Твердые
Материал гкро- К Вкро- т Материал гкро- К вкро* Т
Алюминий (А1) 1,2 0,010 Сплав 44% Nb+56% Ti 8,7 12
Ртуть (Hg) 4,2 0,041 Сплав 50% Nb4~50% Zr 9,5 11
Свинец (РЬ) 7,2 0,080 Галлид ванадия V3Ga 14 50
Ниобий (Nb) 9,4 0,195 Станпид ниобия Nb3Sn 18 22
Следует отметить,
что сверхпроводниками могут быть соединения
сверхпроводниковых металлов друг с другом,
и сплавы не только
Рис. 3.1. Изменение относительного
удельного сопротивления ртути Hg
и платины Pt при глубоком охлаж-
дении
но и сверхпроводниковых элементов с несверхпроводниковыми и даже
соединения, в молекулы которых входят атомы исключительно несверх-
проводниковых элементов. Так, со-
единение CuS — сверхпроводник с
Ткр = 1,6 К» хотя ни медь Си, ни се-
ра S не являются сверхпроводниками.
Ферромагнитные материалы не яв-
ляются сверхпроводниками.
На рис. 3.1 представлено измене-
ние р при глубоком охлаждении рту-
ти Hg, являющейся, как уже отме-
чалось сверхпроводником, и платины
Pt, не принадлежащей к сверхпро-
водникам (по оси абсцисс отложена
абсолютная температура, а по оси ор-
динат— отношение удельного сопро-
тивления р при данной температуре к
удельному сопротивлению р273 при
Т = 273 К).
Электрический ток, однажды на-
веденный в сверхпроводящем конту-
ре, будет длительно (годами) цирку-
лировать по этому контуру без замет-
ного уменьшения своей силы и притом без всякого подвода энер-
гии извне (если не учитывать неизбежного расхода энергии для
работы охлаждающего устройства); этот контур подобно постоянному
магниту создает в окружающем пространстве магнитное поле.
Таким образом, обтекаемый электрическим током сверхпроводящий
соленоид должен представлять собой «сверхпроводниковый электро-
магнит», не требующий питания током. Однако первоначальные попыт-
ки изготовить практически пригодный сверхпроводниковый электро-
магнит неизменно заканчивались неудачей. Оказалось, что сверхпро-
25
водимость нарушается не только при повышении температуры свыше
температуры перехода Ткр, но также и при возникновении на поверх-
ности сверхпроводника магнитного поля со значением магнитной ин-
дукции выше некоторого критического значения индукции Вкр (в первом
приближении безразлично, создается ли
Рис. 3.2. Диаграмма состояния
мягкого сверхпроводника
индукция Вкр током, идущим по самому
сверхпроводнику, или сторонним ис-
точником магнитного поля). Это объяс-
няет диаграмма состояния сверхпровод-
ника, схематически изображенная на
рис. 3.2. Каждому значению температу-
ры данного материала, находящегося в
сверхпроводящем состоянии, соответст-
вует свое значение Вкр.
Наибольшее возможное значение тем-
пературы перехода Ткр0 (критическая
температура перехода) данного сверх-
проводи и нового мате риала достигается
лишь при ничтожно малой магнитной
индукции, т. е. в случае сверхпровод-
никового электромагнита при весьма
малой силе тока, идущего через обмотку этого электромагнита. Наи-
большее возможное значение магнитной индукции перехода Вкр0
(критическая магнитная индукция) также соответствует температуре
сверхпроводника, лишь ничтожно отличающейся от абсолютного нуля
(в табл. 3.1 приведены соответствующие
критические значения параметров сверх-
проводников Ткр0 и Вкр0).
На рис. 3.2 заштрихованная область
представляет сверхпроводящее состоя-
ние, а незаштрихованная область вне
кривой PQ — нормальное состояние ма-
териала. Если материал используется в
условиях температуры и магнитной ин-
дукции, соответствующих точке X диа-
граммы состояния, то сверхпроводимость
может быть нарушена при нагреве (пе-
реход через кривую PQ в точке У), или
Рис. 3.3. Диаграммы состояния
сверхпроводниковых металлов
при повышении магнитной индукции (пе-
реход через кривую PQ в точке Z), а
в более общем случае в результате од-
новременного повышения как темпера-
туры, так и магнитной индукции, с пересечением пограничной кривой
PQ в любой ее точке между точками Y и Z. Так как впервые ставшие
известными сверхпроводники (простые сверхпроводники) имели лишь
весьма малые значения Вкр0 (рис. 3.3; левая часть табл. 3.1), попытки
практического использования явления сверхпроводимости были остав-
лены почти на 50 лет, вплоть до открытия твердых сверхпроводников
(см. далее).
26
В 1933 г. немецкие физики В. Майснер и Р. Оксенфельд сделали
второе фундаментальное открытие в области сверхпроводимости. Они
обнаружили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее
состояние становятся «идеальными диамагнетиками», т. е. их магнит-
ная проницаемость р скачком падает с р ~ 1 до р = 0. Поэтому внеш-
нее магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело (рис. 3.4);
Рис. 3.4. Магнитное поле с
введенным в него сверхпро-
водящим телом
Рис. 3.5. Опыт В. К. Ар-
кадьева с «висящим магни-
том»
если же переход тела в сверхпроводящее состояние произошел в маг-
нитном поле, то поле «выталкивается» из
сверхпроводника. Этот эффект был проде-
монстрирован советским ученым В. К. Ар-
кадьевым в его знаменитом опыте с «вися-
щим магнитом». Когда магнит 1 (рис. 3.5)
опускают в чашку 2 из материала, обла-
дающего сверхпроводящим состоянием,
этот магнит отталкивается от чашки и ос-
тается в уравновешенном состоянии в воз-
духе, не касаясь чашки. Аналогично мож-
но заставить сверхпроводящее тело висеть
над поверхностью магнита.
В 50-х годах нашего столетия были от-
крыты новые виды сверхпроводников, ко-
торые в отличие от ранее известных мягких
сверхпроводников, представлявших собой чистые металлы, были на-
званы твердыми сверхпроводниками.
Твердые сверхпроводники представляют собой не чистые металлы,
а сплавы или химические соединения. Некоторые из твердых сверх-
проводников обладают не только сравнительно высокими значениями
критической температуры перехода 7\р0, но и относительно высокими
значениями критической магнитной индук-
ции Вкр0 (см. табл. 3.1), что дало возмож-
ность применять эти материалы как для
производства сверхпроводниковых электро-
магнитов, создающих сильные магнитные
поля, так и для других практических це-
лей (см. далее).
Твердые сверхпроводники обладают ря-
дом особенностей: при охлаждении переход
в сверхпроводящее состояние происходит
не резко, как у мягких сверхпроводников,
а на протяжении некоторого температурного
диапазона; при изменениях магнитной индукции могут также наблю-
даться промежуточные состояния между сверхпроводящим и нормаль-
ным; эффект Майснера — Оксенфельда — Аркадьева у них выражен
не полностью; замечается тенденция к рассеянию энергии при пропус-
кании через них переменного тока; сверхпроводниковые свойства их
в большой степени зависят от технологического режима изготовления
и т. п.
Открытие твердых сверхпроводников вызвало большой интерес
к явлению сверхпроводимости, так как благодаря высоким значениям
27
Ткр0 и особенно Вкр0 представляются широкие возможности его прак-
тического использования. Проблема исследования и применения сверх-
проводников является одной из важнейших проблем физики и техники
вообще.
Помимо сверхпроводниковых электромагнитов, которые производят
в большом количестве и применяют для самых разнообразных целей,
можно отметить возможности использования сверхпроводников для
создания электрических машин, трансформаторов и других устройств
малых массы и габаритов и с высоким к. п. д.; кабельных линий для
передачи весьма больших мощностей на произвольно большие расстоя-
ния; волноводов с особо малым затуханием; накопителей энергии и пр.
Ряд устройств памяти и управления основывается на переходе сверх-
проводника в сверхпроводящее или нормальное состояние при изме-
нении магнитной индукции (или, соответственно, тока) или температу-
ры. Эффект Майснера — Оксенфельда — Аркадьева может исполь-
зоваться в работающих практически без трения подшипниках с «маг-
нитной смазкой» (с взаимным отталкиванием вала и подшипника),
для «магнитной подвески» вагонов сверхскоростного железнодорож-
ного транспорта и т. п.
Для изготовления обмоток сверхпроводниковых электромагнитов
и других технических целей применяют главным образом две группы
материалов:
1) сравнительно легко деформируемые (дуктильные), из которых
возможно изготовление проволок и лент с последующей намоткой их
в производстве требуемых изделий; таковы, в частности, сплавы в сис-
темах Nb—Ti и Nb—Zr, а также чистый ниобий;
2) трудно поддающиеся деформациям из-за хрупкости, таковы,
в частности, интерметаллические соединения типа Nb3Sn (станнид
ниобия) и аналогичные ему.
Провод из Nb3Sn можно получить путем заполнения ниобиевой труб-
ки смесью взятых в нужном соотношении порошков ниобия и олова
и протяжки такой трубки через фильеру для уплотнения порошка
и получения нужной формы сечения провода. Затем из провода выпол-
няют обмотку, которая подвергается термической обработке при тем-
пературе порядка 1000° С. При такой температуре происходит хими-
ческая реакция между порошками Nb и Sn с образованием соединения
Nb3Sn; из-за хрупкости этого соединения обмотка уже не должна под-
вергаться дальнейшим деформациям.
Часто сверхпроводниковые провода покрывают «стабилизирующей»
оболочкой из меди или другого хорошо проводящего электрический ток
и тепло металла. Это дает возможность избежать повреждения основ-
ного материала сверхпроводника при случайном повышении темпера-
туры и нарушении сверхпроводимости в отдельных участках провода.
Более того, в ряде случаев с успехом применяют композитные («много-
филаментные») сверхпроводниковые провода, в которых большое число
тонких (нитевидных) сверхпроводников заключено в массивную «мат-
рицу» из меди или другого несверхпроводникового материала.
Как видно из приведенных примеров, известные сверхпроводники
имеют весьма низкие температуры перехода 7\р. Поэтому устройства,
28
в которых использована сверхпроводимость, должны работать в усло-
виях охлаждения жидким гелием (температура сжижения гелия при
нормальном давлении составляет примерно 4,2 К), что сложно и дорого
из-за высокой стоимости и дефицитности гелия, а также трудности полу-
чения столь низких («гелиевых») температур. Было бы очень заманчиво
иметь сверхпроводники с температурой перехода выше температуры
сжижения водорода (20,3 К) или, тем более, выше температуры сжиже-
ния азота (77,4 К). Исключительные возможности дали бы материалы,
сохраняющие состояние сверхпроводимости при нормальной или более
высоких температурах.
До недавнего времени сверхпроводником с наиболее высокой Ткр0
был станнид ниобия, открытый в 1954 г. американским исследователем
Б. Т. Маттиасом. Недавно Маттиас получил материал состава Nb0,79
(А10,750^0,25)0,21 со значением Ткр, близким к температуре сжи-
жения водорода и Вкр0, превышающим 40Т; германид ниобия Nb3Ge
имеет Ткр = 23,2 К, что выше температуры сжижения водорода. Поис-
ки «теплых» сверхпроводников усиленно продолжаются. Особый
интерес представляют теоретические предположения о том, что «метал-
лический» водород (который согласно теории может быть получен
из «обычного» твердого водорода, имеющего температуру плавления
14 К, путем воздействия на него чрезвычайно высокого давления —
в миллионы раз превышающего атмосферное) может явиться идеальным
высокотемпературным сверхпроводником, который сохранит состояние
сверхпроводимости при нагреве до нескольких сот кельвинов.
§ 3.2. Криопроводники
Помимо сверхпроводимости в ряде случаев успешно используют
явление криопроводимости, т. е. достижение некоторыми металлами при
криогенных температурах (но при температурах выше Ткр, если данный
металл принадлежит к сверхпроводникам) весьма малого значения р,
в сотни и тысячи раз меньшего, чем р при нормальной температуре.
Материалы, обладающие особо благоприятными характеристиками
для использования их криопроводимости, называют к р и о п р о -
водниками (гиперпроводниками). Важно понимать, что с физи-
ческой точки зрения явление криопроводимости не сходно с явлением
сверхпроводимости.
Конечное значение р криопроводника при его рабочей темпе-
ратуре ограничивает допустимую плотность тока в нем, хотя эта плот-
ность может быть намного выше, чем в обычных проводниках при нор-
мальной или повышенной температуре. Криопроводники, у которых
при изменении температуры в широких пределах значение р изменяется
плавно (без скачков) нельзя использовать в ряде устройств, основан-
ных на триггерном эффекте появления и нарушения сверхпроводи-
мости. Однако применение криопроводников в электрических машинах,
аппаратах, кабелях и т. п. имеет существенные преимущества. Так,
если в сверхпроводниковых устройствах в качестве охлаждающего
агента применяют жидкий гелий, рабочая температура криопровод-
ников достигается за счет более высококипящих и дешевых хладо-
29
агентов — жидкого водорода или даже жидкого азота. Это значительно
упрощает и удешевляет выполнение и эксплуатацию устройства.
Кроме того, в сверхпроводниковом устройстве, например электро-
магните, по обмотке которого проходит сильный ток, накапливается
большое количество энергии магнитного поля, равное LI*I2 (L — ин-
дуктивность; / — ток). Если случайно повысится температура или же
магнитная индукция, хотя бы в малом участке сверхпроводящего кон-
тура, сверхпроводимость будет нарушена, внезапно освободится боль-
шое количество энергии, что может вызвать серьезную аварию. В случае
Рис. 3.6. Зависимости р от темпе-
ратуры для:
/ — меди; 2 — алюминия; 3 — берил-
лия; 4 — натрия (сплошные кривые
относятся к особо чистым металлам, а
пунктирные /'и 2' к обычным про-
водниковым меди и алюминию). Вер-
тикальными стрелками Н2 и N2 отме-
чены температуры сжижения водоро-
да и азота
же криопроводниковой цепи повыше-
ние температуры может вызвать лишь
постепенное возрастание сопротивле-
ния этой цепи без эффекта «взрыва».
На рис. 3.6 в билогарифмическом
масштабе дана зависимость удельного
сопротивления р меди, алюминия, бе-
риллия и натрия от температуры.
Значительный интерес для использо-
вания в качестве криопроводника по-
мимо обычных проводниковых мате-
риалов — алюминия и меди — пред-
ставляет бериллий, параметры
которого приведены в табл. 1.1. Срав-
нительно более распространенные и
дешевые алюминий и медь могут ра-
ботать в качестве криопроводников
при охлаждении жидким водородом,
что требует преодоления определен-
ных технических трудностей и, в ча-
стности, учета взрывоопасности сме-
сей водорода с воздухом в некоторых
пределах соотношения компонентов
смеси. Бериллий и его соединения то-
ксичны; но бериллий при охлаждении
жидким азотом имеет наименьшее возможное значение р, а работа с
жидким азотом значительно проще, чем работа с жидким водородом.
Во всех случаях для получения криопроводников требуются высо-
кая чистота металла и отсутствие наклепа (отожженное состояние).
Вредное влияние примесей (сравните 1 с Г и 2 с 2' на рис. 3.6) и на-
клепа на р металлов при криогенных температурах сказываются на-
много сильнее, чем при нормальной температуре.
Глава 4
РАЗНЫЕ МЕТАЛЛЫ
§ 4.1. Вольфрам
Вольфрам — чрезвычайно тяжелый твердый металл серого
цвета. Среди металлов он обладает наиболее высокой температурой
плавления (см. табл. 1.1). Вольфрам получают из руд различного
30
Рис. 4.1. Зависимость скорости
окисления металла (количество
окисляющегося металла за час
с квадратного метра поверхно-
сти металла, соприкасающейся с
воздухом) от температуры
состава; промежуточным продуктом является вольфрамовая кислота
H2WO4, из которой путем восстановления водородом при нагреве
до 900° С получают металлический вольфрам в виде мелкого порошка.
Из этого порошка прессуют стержни, которые подвергают сложной тер-
мической обработке в атмосфере водорода, ковке и волочению в про-
волоку (диаметром до 0,01 мм), прокатке в листы и т. п.
Для вольфрама характерна слабая связь между отдельными крис-
таллами, поэтому сравнительно толстые вольфрамовые изделия хрупки.
При механической обработке ковкой и волочением вольфрам приобре-
тает волокнистую структуру; этим объ-
ясняется гибкость тонких вольфрамовых
нитей. При уменьшении толщины воль-
фрамовой проволоки возрастает и ее пре-
дел прочности при растяжении ор (при-
мерно от 500—600 МПа для стержней
диаметром 5 мм до 3000—4000 МПа для
тонких нитей; удлинение при разрыве
AZ/Z таких нитей — около 4%).
Вольфрам является одним из важней-
ших металлических* материалов электро-
вакуумной техники. Применение вольф-
рама для изготовления нитей ламп на-
каливания было впервые предложено
русским изобретателем А. Н. Лодыги-
ным в 1890 г.
Вследствие тугоплавкости и большой
механической прочности при повышен-
ных температурах вольфрам можно ис-
пользовать при температуре выше 2000°С,
но лишь в высоком вакууме или в атмо-
сфере инертного газа (азот, аргон и т. п.),
так как уже при нагреве до температуры в несколько сот градусов
Цельсия в присутствии кислорода он сильно окисляется (рис. 4.1).
Вольфрам применяют также для изготовления контактов.
К преимуществам вольфрамовых контактов можно отнести:
а) устойчивость в работе;
б) малый механический износ ввиду высокой твердости материала;
в) способность противостоять действию электрической дуги и отсут-
ствие приварив аемости вследствие большой тугоплавкости;
г) малую подверженность электрической эрозии (т. е. износу с обра-
зованием кратеров и наростов в результате местных перегревов и плав-
ления металла).
Недостатками вольфрама как контактного материала являются:
а) трудная обрабатываемость; б) образование в атмосферных условиях
оксидных пленок; в) необходимость в больших давлениях для обеспе-
чения малых значений электрического сопротивления контакта.
Для контактов с большими значениями разрываемой мощности
используют металлокерамические материалы. Заготовку прессуют
из порошка вольфрама под большим давлением, спекают в атмосфере
31
водорода, получая достаточно прочную, но пористую основу, которую
затем пропитывают расплавленным серебром или медью для увеличе-
ния проводимости.
§ 4.2. Молибден
Молибден широко применяют в электровакуумной технике
при менее высоких температурах, чем вольфрам. Но накаливаемые де-
тали из молибдена также должны работать в вакууме, в инертном газе
или в восстановительной атмосфере.
Параметры молибдена приведены в табл. 1.1. Механическая проч-
ность молибдена в очень большой степени зависит от механической обра-
ботки материала, вида изделия, диаметра стержней или проволоки
и последующей термообработки. Предел прочности при растяжении ор
молибдена — от 350 до 2500 МПа, а относительное удлинение при раз-
рыве AZ/Z — от 2 до 55%. Плотность молибдена почти в два раза мень-
ше, чем вольфрама.
В электровакуумной технике наиболее распространены марки мо-
либдена МЧ (молибден чистый) и МК (молибден с кремнещелочной при-
садкой). Последний обладает повышенной механической прочностью
при высоких температурах.
Молибден применяют также в качестве материала для электричес-
ких контактов.
§ 4.3. Благородные металлы
Золото — металл желтого цвета, обладающий высокой пластич-
ностью (относительное удлинение при разрыве 40%). В электротех-
нике золото используют как контактный материал для коррозионно
устойчивых покрытий, для электродов фотоэлементов, для вакуум-
ного напыления пленочных микросхем и т. п.
Серебро — белый, блестящий металл, стойкий против окис-
ления при нормальной температуре. Серебро имеет самое малое удель-
ное сопротивление р (при нормальной температуре) (ср. в табл. 1.1).
Механические свойства серебряной проволоки: ор около 200 МПа,
AZ/Z порядка 50%. Такую проволоку используют для изготовления кон-
тактов, рассчитанных на небольшие токи.
Серебро применяют также для непосредственного нанесения на
диэлектрики, в качестве обкладок в производстве керамических и слю-
дяных конденсаторов. Для этой цели используют метод вжигания или
испарения в вакууме.
Недостатком серебра является склонность к миграции по поверх-
ности и внутрь диэлектрика, на который его наносят, в условиях вы-
сокой влажности, а также при высоких температурах. Химическая
стойкость у серебра ниже, чем у других благородных металлов.
Платина — металл, практически не соединяющийся с кисло-
родом и весьма стойкий к самым разнообразным химическим реагентам.
Платина прекрасно поддается механической обработке, вытягивается
в очень тонкие нити и ленты. Предел прочности при растяжении ор
32
платины после отжига — порядка 150 МПа, a AZ/Z составляет 30 —
35%.
Платину применяют, в частности, при изготовлении термопар
для измерения высоких температур — до 1600° С (в паре со сплавом
платинородий, см. § 5.2), а также при изготовлении пасты, используе-
мой для вжигания электродов на монолитные керамические конден-
саторы.
Особо тонкие нити из платины (диаметром около 1 мкм) для подве-
сок подвижных систем в электрометрах и других чувствительных при-
борах получают многократным волочением биметаллической проволоки
платина — серебро с последующим растворением наружного слоя
серебра в азотной кислоте (на платину азотная кислота не действует).
Вследствие малой твердости платина редко применяется для кон-
тактов в чистом виде, но служит основой для ряда контактных сплавов.
Сплавы платины с иридием стойки к окислению и к износу, имеют вы-
сокую твердость и допускают большую частоту выключений, однако
дороги и применяются только для особо ответственных деталей.
Палл ади й по многим свойствам близок к платине и в ряде слу-
чаев служит ее заменителем; его используют в электровакуумной тех-
нике для поглощения водорода. Палладий и его сплавы с серебром
и медью применяют в качестве контактных материалов. Палладиевую
пасту, как и платиновую, используют для нанесения электродов на
керамические конденсаторы.
Палладий в отожженном состоянии имеет предел прочности при рас-
тяжении ор порядка 200 МПа при относительном удлинении при раз-
рыве AZ/Z до 40%.
§ 4.4. Никель и кобальт
Никель — серебристо-белый металл, широко применяемый в
электровакуумной технике; его достаточно легко получить в очень чис-
том виде (99,99% Ni) ; иногда в него вводят специальные легирующие
присадки (кремний, марганец и др.).
Получаемый из руд никель подвергают электролитическому рафи-
нированию. Очень чистый порошкообразный никель можно получить
путем термического разложения пентакарбонила никеля Ni (СО)5
при температуре порядка 220° С.
Никель выпускают различных марок (в зависимости от чистоты)
в виде полос, пластин, лент, трубок, стержней и проволоки. К положи-
тельным свойствам никеля следует отнести достаточную механическую
прочность после отжига (ор = 400—600 МПа при AZ/Z = 35—50%).
Никель легко поддается даже в холодном состоянии механической
обработке: ковке, прессовке, прокатке, штамповке, волочению и т. п.
Из никеля могут быть изготовлены различные по размерам, сложные
по конфигурации изделия с жестко выдержанными допусками. Стой-
кость никеля к окислению наглядно видна из рис. 4.1.
Помимо применения в электровакуумной технике никель исполь-
зуют в качестве компонента ряда магнитных и проводниковых сплавов,
а также для защитных и декоративных покрытий и т. п.
2 п/р. Тареева
33
Кобальт получают металлургическим путем с последующей
очисткой или восстановлением окислов кобальта водородом.
В отожженном состоянии кобальт имеет ор порядка 500 МПа при
AZ/Z более 50%.
Кобальт мало активен химически. Он находит применение в каче-
стве составной части многих магнитных и жаростойких сплавов, а
также сплавов с небольшим температурным коэффициентом длины.
§ 4.5. Свинец
Свинец — металл сероватого цвета; имеет на свежем срезе
сильный металлический блеск, но затем быстро тускнеет вследствие
поверхностного окисления. Он обладает крупнокристаллическим строе-
нием; если протравить свинец азотной кислотой, его кристаллы ста-
новятся видны даже невооруженным глазом.
Свинец представляет собой мягкий, пластичный, малопрочный
металл; предел прочности при растяжении ар всего лишь около 15 МПа
при относительном удлинении AZ/Z более 55%. Он имеет высокое р
(см. табл. 1.1). Свинец обладает довольно высокой коррозионной стой-
костью, поэтому его в больших количествах применяют для изготов-
ления кабельных оболочек, защищающих кабель от влаги; часто сви-
нец для этой цели заменяют весьма чистым (особо пластичным) алюми-
нием, а также пластмассами. Свинец используют также для изготов-
ления плавких предохранителей, пластин свинцовых аккумуляторов
и т. д. Его употребляют и как материал, поглощающий рентгеновские
лучи. Рентгеновские установки с напряжением 200 и 300 кВ по нормам
безопасности должны иметь свинцовую защиту толщиной соответствен-
но 4 и 9 мм.
Свинец и его соединения ядовиты.
§ 4.6. Олово
Олово — серебристо-белый металл, обладающий ярко выражен-
ным крупнокристаллическим строением. При изгибе палочки олова
слышен треск, вызываемый трением кристаллов друг о друга, Олово
является мягким, тягучим металлом, из которого получают путем про-
катки тонкую фольгу. Предел прочности при растяжении белого олова
колеблется от 16 до 38 МПа.
Кроме обыкновенного (устойчивого при температуре выше 13,2° С)
белого олова, кристаллизующегося в тетрагональной системе, сущест-
вует серое порошкообразное олово (плотность 5,6 Мг/м3). При низких
температурах на белом олове появляются серые пятна (выделение се-
рого олова), получившие название «оловянной чумы». При нагреве
серое олово снова переходит в белое. Если нагреть олово выше 160° С,
то оно переходит в третью (ромбическую) модификацию и становится
хрупким.
При нормальной температуре олово на воздухе не окисляется,
вода на него не влияет, а разведенные кислоты действуют очень мед-
ленно.
34
Олово используют в качестве защитных покрытий металлов (лг/-
экение)\ оно входит в состав бронз и припоев. Тонкая оловянная фольга
(6—8 мкм), применяемая в производстве некоторых типов конденса-
торов, обычно содержит присадки: до 15% свинца и до 1% сурьмы
для облегчения прокатки и улучшения механической прочности. Оло-
вянно-свинцовую фольгу толщиной 20—40 мкм применяют в качестве
обкладок в слюдяных конденсаторах.
§ 4.7. Цинк и кадмий
Цинк — светлый металл, получаемый металлургическими мето-
дами и очищаемый электролитически. Цинк марки ЦВ (высокоочищен-
ный) содержит не менее 99,99% Zn.
Цинк применяют для защитных покрытий, в качестве составной
части латуней и как материал для электродов гальванических элемен-
тов. Кроме того, его используют в фотоэлементах и для металлизации
бумаги в металлобумажных конденсаторах. Нанесение металлического
слоя на бумагу производят путем испарения цинка в вакууме при тем-
пературе порядка 600° С.
Кадмий — серебристо-белый металл, являющийся постоянным
спутником цинка в его рудах и добываемый как побочный продукт
при металлургии цинка; подвергается электролитической очистке.
Кадмий выпускают нескольких марок в зависимости от чистоты
(наиболее высокая степень чистоты — 99,997%).
Кадмий применяют для изготовления фотоэлементов и покрытий
СВЧ-волноводов вместо серебра. Он входит в состав ряда припоев
и бронз, используется в производстве гальванических элементов, а
также в атомных реакторах — в качестве замедлителя.
§ 4.8. Индий и галлий
Индий — металл с низкой температурой плавления, исполь-
зующийся в качестве акцепторной примеси (см. ч. III) и контактного
материала в производстве транзисторов и полупроводниковых диодов.
Галлий интересен тем, что он плавится почти при комнатной
температуре. Как и индий, его применяют в полупроводниковой тех-
нике в качестве легирующей примеси для германия.
Сплавы индия с галлием, имеющие температуру плавления ниже
нормальной, используют как жидкие проводниковые материалы для
нанесения электродов на различные диэлектрические и полупроводни-
ковые материалы.
§ 4.9. Ртуть
Ртуть — единственный чистый металл, при нормальной темпе-
ратуре находящийся в жидком состоянии. Получаемую металлурги-
ческим путем ртуть подвергают многократной очистке, заканчиваю-
щейся вакуумной перегонкой при температуре порядка 200° С.
Ртуть легко испаряется даже при комнатной температуре. Пары
ртути отличаются более низким потенциалом ионизации по сравнению
2*
35
с обычными и инертными газами, что и обусловливает применение
ртути в газоразрядных приборах.
Ртуть и ее соединения весьма ядовиты; очень вредны пары ртути.
Щелочные и щелочноземельные металлы, магний, алюминий, цинк,
олово, свинец, кадмий, платина, золото и серебро растворяются
в ртути, образуя амальгамы. Слабо растворяются в ртути медь и ни-
кель. Приборы, содержащие ртуть, должны иметь металлическую
арматуру из вольфрама, железа или тантала, так как эти металлы
не растворимы в ртути.
Ртуть применяют в качестве жидкого катода в ртутных выпрями-
телях, в ртутных лампах и газоразрядных приборах, в лампах днев-
ного света, а также для ртутных контактов в реле и др.
Глава 5
РАЗЛИЧНЫЕ ПРОВОДНИКОВЫЕ СПЛАВЫ, ПРИПОИ
И ФЛЮСЫ
§ 5.1. Сплавы высокого сопротивления
О сплавах высокого сопротивления и области их применения уже
говорилось в § 1.1. При использовании этих сплавов для электроизме-
рительных приборов и образцовых резисторов помимо высокого
удельного сопротивления р требуются также высокая стабильность
значения р во времени, малый температурный коэффициент удель-
ного сопротивления ТКр и малый коэффициент термо-э. д. с. в паре
сплава с медью. Сплавы для электронагревательных элементов должны
длительно работать на воздухе при высоких температурах (иногда
до 1000° С и даже выше). Кроме того, для многих случаев применения
требуется технологичность сплавов — возможность изготовления из
них тонкой гибкой проволоки. Желательно, чтобы сплавы, исполь-
зуемые для приборов широкого потребления — реостатов, электро-
плиток, электрических чайников, паяльников и т. п.,— были деше-
выми и по возможности не содержали дефицитных компонентов.
Манганин, названный так из-за наличия в нем марганца (ла-
тинское manganum), — широко применяемый для изготовления об-
разцовых резисторов и других приборов сплав. Примерный состав
его: Си — 85%, Мп — 12%, Ni — 3%; желтоватый цвет объясняется
большим содержанием меди. Значение р манганина 0,42—0,48 мкОм • м;
ТК р весьма мал — порядка (6 4- 50) • 10"6 К”1; коэффициент термо-э.д.с.
в паре с медью всего лишь 1—2 мкВ/K. Манганин может вытягиваться
в тонкую (до диаметра 0,02 мм) проволоку; часто манганиновая про-
волока выпускается с эмалевой изоляцией. Для обеспечения малого
значения ТКр и стабильности р манганиновую проволоку подвергают
специальной термообработке (отжиг в вакууме при температуре по-
рядка 550—600° С с последующим медленным охлаждением; намо-
танные катушки иногда дополнительно отжигаются при 200° С).
Предельная длительно допустимая рабочая температура сплавов типа
36
манганина не более 200° С; механические свойства: ор = 450—600 МПа,
AZ/Z = 15—30%. Плотность манганина — 8400 кг/м3.
Манганин применяют для изготовления датчиков, которыми изме-
ряют высокие гидростатические давления. Сопротивление мангани-
новой проволоки линейно возрастает с повышением давления [ср. фор-
мулу (1.4)] от 0 до 1 ГПа; увеличение сопротивления при 1 ГПа —
около 2,5% от исходного сопротивления при отсутствии давления.
Константан — сплав, содержащий около 60% меди и 40%
никеля, что соответствует минимуму ТКр при довольно высоком
значении р в системе Си—Ni (см. рис. 1.2). Название «константан»
объясняется значительным постоянством
р при изменении температуры, т. е.
малостью ТКр (порядка минус (5 -ь
ч-25)-10'6 К"1).
Для константана при нормальной
температуре р составляет 0,48—
0,52мкОм-м, Ор = 400—500МПа, AZ/Z =
= 20—40%, плотность — 8900 кг/м3.
Нагревостойкость константана выше,
чем манганина: константан можно при-
менять для изготовления реостатов и
электронагревательных элементов, дли-
тельно работающих при температуре
450° С.
Существенным отличием от мангани-
на является высокая термо-э.д.с. кон-
стантана в паре с медью, а также с
железом; его коэффициент термо-э. д. с.
в паре с медью составляет 44—55 мкВ/К.
Это является недостатком при исполь-
Рис. 5.1. Зависимости термо-
э. д. с. от разности температур
спаев для термопар:
зовании константановых резисторов в
измерительных схемах. Так как при на-
личии разности температур в местах кон-
такта константановых проводников с
/ — платинородий-платина; 2— хро-
мель-алюмель; 3 — медь-констан-
тан; 4 — железо-константан; 5 —
медь-копель; 6 — железо-копель;
7 — хромель-копель
медными возникают термо-э. д. с., которые могут явиться источни-
ком ошибок, особенно при нулевых измерениях в мостовых и по-
тенциометрических схемах. Однако константан с успехом может быть
применен при изготовлении термопар, служащих для измерения тем-
пературы, если последняя не превышает нескольких сот градусов
Цельсия (см. 3 и 4 на рис. 5.1).
Широкому применению константана препятствует большое содер-
жание в его составе дорогого и дефицитного никеля.
Сплавы высокого сопротивления на основе железа применяют
в основном для электронагревательных элементов. Высокая нагре-
востойкость таких элементов объясняется введением в их состав до-
статочно больших количеств металлов, образующих при нагреве
на воздухе практически сплошную оксидную пленку. Такими металлами
являются в основном никель, хром и алюминий. Железо, как уже
отмечалось, при нагреве легко окисляется (см. рис. 4.1); чем больше
37
содержание железа в сплаве, например, с Ni и Сг, тем менее нагрево-
стоек («жаростоек») этот сплав.
Сплавы системы Fe—Ni—Сг называют нихромами или (при
повышенном содержании Fe) ферронихромами; сплавы си-
стемы Fe—Сг—А1 — фехралями и хромалями.
По принятым в СССР стандартам различные сплавы имеют услов-
ные обозначения, составляемые из букв и чисел. Буквы обозначают
наиболее характерные элементы состава сплава, причем буква, вхо-
дящая в название элемента, не всегда является первой буквой этого
названия (например, Б означает ниобий, В — вольфрам, Г — марга-
нец, Д — медь, К — кобальт, Л — бериллий, Н — никель, Т — ти-
тан, X — хром, Ю — алюминий и т. п.), число соответствует прибли-
зительному содержанию данного компонента в сплаве (в массовых
процентах); дополнительные цифры в начале обозначения определяют
повышенное (цифра 0) или пониженное количество сплава. "Так,
в табл. 5.1 обозначение 0Х25Ю5 соответствует сплаву особо высокой
жаростойкости с содержанием хрома около 25% и алюминия —
около 5% (см. также табл. 5.2).
Таблица 5.1
Свойства хромоалюминиевых сплавов
Марка Состав, масс. %* Р, мкОмХ Хм ТКр, io-6 К"1 ^тах раб’ °C**
Сг А1 С S1 Ni Мп
Х13Ю4 12—15 3,5—5,5 0,15 1,0 0,7 1,26 150 750
1X17105 16—19 4,0—6,0 0,12 1,2 — 0,7 1,30 60 850
ОХ 17105 16—19 4,0—6,0 0,06 0,6 0,6 0,7 1,30 60 950
1X25IO5 23—27 4,5—6,5 0,12 1,2 — 0,7 1,40 50 1000
0Х25Ю5 23—27 4,5—6,5 0,06 0,6 — 0,7 1,40 50 1400
* Остальное — Fe.
** За предельную рабочую температуру сплавов, указанных в табл. 5.1 и 5.2, принимают
температуру, при которой электронагревательный элемент может длительно работать на воздухе
без заметного окисления и без механических деформаций («ползучести» или «крипа»).
Таблица 5.2
Свойства сплавов типа нихром
Марка сплава Состав, масс. %* Плот- ность, Мг/м8 р, мкОм*м ТКр, 10-6 к-1 Тщах раб» °C**
Сг Ni Мп
Х15Н60 15—18 55—61 1,5 8,2—8,3 1,1-1,2 100—200 1000
Х20Н80 20—23 75—78 1,5 8,4—8,5 1,0—1,1 100—200 1100
* Остальное Fe
** См. примечание ** к табл. 5.1.
Помимо скорости окисления того или иного чистого металла или
компонента сплава большое влияние на срок жизни нагревательного
38
элемента, работающего на воздухе, оказывают свойства образующегося
оксида. Если оксид летуч, то он не может защитить оставшийся металл
от дальнейшего окисления. Легко улетучиваются, например, оксиды
вольфрама и молибдена, поэтому такие металлы не могут работать
в накаленном состоянии при доступе кислорода (см. § 4.1 и 4.2). Если
же оксид нелетуч, то он при окислении образует слой на поверхности
металла.
Существенным являются близкие значения ТК/ этих сплавов и их
оксидных пленок. Этим объясняется стойкость хромоникелевых спла-
вов при высокой температуре на воздухе. Растрескивание оксидных
пленок имеет место в основном при резких сменах температуры; тогда
при последующих нагревах кислород воздуха проникает в образо-
вавшиеся трещины и производит дальнейшее окисление сплава. Так,
при многократном кратковременном включении электронагреватель-
ного элемента из нихрома он может перегореть значительно скорее,
чем в случае непрерывной работы элемента при той же темпера-
туре.
Срок жизни элементов из нихрома и других жаростойких спла-
вов значительно меньше также при наличии колебаний значений
сечения проволоки по ее длине; в местах с уменьшенным сечением
элементы перегреваются и легче перегорают.
Длительность работы электронагревательных элементов из нихрома
и аналогичных сплавов может быть во много раз увеличена, если
исключить доступ кислорода к поверхности проволоки. В трубчатых
нагревательных элементах проволоку из сплава с высоким сопротив-
лением помещают в трубках из стойкого к окислению металла; проме-
жуток между проволокой и трубкой заполняют порошком диэлектрика
с высокой теплопроводностью (например, магнезией MgO). При до-
полнительной протяжке этих трубок их внешний диаметр уменьша-
ется, магнезия уплотняется и образует механически прочную изо-
ляцию внутреннего проводника. Такие нагревательные элементы при-
меняют, например, в электрических кипятильниках; они могут рабо-
тать длительное время без повреждений.
Свойства сплавов типа нихрома даны в табл. 5.1; их механические
параметры: ор = 650—700 МПа, AZ/Z = 25—30%. Нихромы весьма
технологичны и имеют высокую рабочую температуру, их можно
легко протягивать в сравнительно тонкую проволоку или ленту.
Однако, как и в константане, в этих сплавах велико содержание
дорогого и дефицитного компонента — никеля.
Хромоалюминиевые сплавы (фехраль, хромаль), намного дешевле
нихромов, так как хром и алюминий сравнительно дешевы и легко
доступны. Однако они менее технологичны, более тверды и хрупки,
из них могут быть получены проволоки и ленты с поперечным сечением
крупнее, чем из нихромов. Поэтому эти сплавы в основном исполь-
зуют в электротермии для электронагревательных устройств большой
мощности и промышленных электрических печей. Свойства этих спла-
вов приведены в табл. 5.2. Они имеют высокую механическую проч-
ность (ор порядка 700—800 МПа при AZ/Z порядка 10—20%). Хромо-
алюминиевые сплавы имеют плотность от 6900 до 7500 кг/м3.
39
§ 5.2. Сплавы для термопар
Для изготовления термопар применяют следующие сплавы:
1) копель (44% Ni и 56% Си);
2) алюмель (95% Ni, остальное — Al, Si и Mg);
3) хромель (90% Ni и 10% Сг);
4) платинородий (90% Pt и 10% Rh).
На рис. 5.1 приведены кривые зависимости термо-э. д. с. от раз-
ности температур горячего и холодного спаев для наиболее употреби-
тельных термопар.
Термопары могут применяться для измерения следующих темпе-
ратур:
а) платинородий — платина — до 1600° С;
б) медь — константан и медь — копель — до
350° С;
в) железо — константан, железо — копель и
хромель — копель — до 600° С;
г) хромель — алюмель — до 900—1000° С.
Для измерения криогенных температур можно использовать термо-
пару железо — золото.
Наибольшую термо-э. д. с. при данной разности температур можно
получить от термопары хромель—копель. Для значений термо-э. д. с.,
данных на рис. 5.1, предполагается, что в холодном спае ток идет
от первого названного в термопаре материала ко второму (т. е. от
хромеля к копелю и т. д.), а в горячем спае — в обратном направлении.
Значительными коэффициентами термо-э. д. с. обладают некоторые
полупроводниковые материалы, которые, в частности, могут исполь-
зоваться для изготовления термоэлектрических генераторов (см. ч. II).
§ 5.3. Тензометрические сплавы
Тензометрические сплавы применяют для датчиков деформации
различных конструкций под действием механических (обычно растя-
гивающих) усилий. Действие таких датчиков основано на изменении
сопротивления при растяжении тензометрического элемента.
Коэффициент тензочувствительности опре-
деляют из выражения
КР = (ДЯ/Я):(Д///), (5.1)
где Д/? — изменение сопротивления R при изменении Д/ длины эле-
мента /.
Основным материалом для тензометрических датчиков, работающих
при сравнительно невысоких температурах, является уже описанный
константан. Для высокотемпературных датчиков применяют сплавы
системы Fe—Сг—Ni.
§ 5.4. Контактные материалы
Наиболее ответственными контактами, применяемыми в электро-
технике, являются контакты, служащие для периодического замыка-
ния и размыкания электрических цепей (разрывные, а также сколь-
зящие контакты).
40
Материалы для разрывных контактов, применяемые для размы-
кания цепей при больших силах тока и высоких напряжениях, должны
обеспечивать высокую надежность: не допускать возможности эрозии
(обгорания) контактирующих поверхностей, приваривания их друг
к другу под действием возникающей в случае разрыва контакта
электрической дуги при малом переходном электрическом сопротивле-
нии контакта в замкнутом состоянии.
В качестве контактных материалов для разрывных контактов
помимо чистых тугоплавких металлов применяют различные сплавы
и металлокерамические композиции. Широко распространен материал
системы Ag—CdO при содержании окиси кадмия 12—20 масс. %. Такой
материал получается при нагреве в окислительной атмосфере бинар-
ного сплава серебро-кадмий. Для разрывных контактов в установках
большой мощности применяют следующие композиции: Ag с Со, Ni,
Сг, Mo, W и Та; Си с W и Mo; Au с W и Мо.
В качестве материалов для скользящих контактов, которые должны
обладать высокой стойкостью к истиранию, используют твердую медь,
бериллиевую бронзу (см. § 2.1), а также материалы системы Ag—CdO.
§ 5.5. Припои и флюсы
Припои представляют собой специальные сплавы, применяе-
мые при пайке. Пайку осуществляют или с целью создания механи-
чески прочного (иногда герметичного) шва, или с целью получения
постоянного (не разрывного или скользящего) электрического контакта
с малым переходным сопротивлением. При пайке места соединения
и припой нагревают. Так как припой имеет температуру плавления
значительно ниже, чем соединяемые металлы, то он плавится, в то
время как основные металлы остаются твердыми. На границе сопри-
косновения расплавленного припоя и твердого металла происходят
сложные физико-химические процессы. Припой растекается по металлу
и заполняет зазоры между соединяемыми деталями. При этом припой
диффундирует в основной металл, а основной металл растворяется
в припое, в результате чего образуется промежуточная прослойка,
которая после застывания соединяет детали в одно целое.
Припои принято делить на две группы: мягкие с температурой
плавления Тпл до 400° С и твердые с Тпл выше 500° С. Кроме темпера-
туры плавления припои существенно различают и по механическим
свойствам. Мягкие припои имеют предел прочности при растяжении
ар не выше 50—70 МПа, а твердые — до 500 МПа.
Тип припоя выбирают в зависимости от рода спаиваемых металлов
или сплавов, требуемой механической прочности, коррозионной стой-
кости, стоимости и (при пайке токоведущих частей) удельной электри-
ческой проводимости припоя.
Мягкими в основном являются припои оловянно-свинцовые с со-
держанием олова от 18% (ПОС-18) до 90% (ПОС-90). Удельная про-
водимость этих припоев составляет 9—13% от удельной проводимости
чистой меди, а ТК/ = (26-4- 27)-10"6 К'1. Существуют также мягкие
припои с добавками алюминия, серебра. Так более легкоплавки
41
припои, в состав которых входят висмут и кадмий. Эти применяют
в тех случаях, когда требуется пониженная температура пайки; меха-
ническая прочность их незначительна. Сплав Вуда (50% Bi, 25% Pb,
12,5% Sn, 12,5% Cd) имеет температуру плавления всего 60,5° С.
Наиболее распространенные твердые припои — медно-цинковые
(ПМЦ) и серебряные (ПСр).
В электровакуумной технике для вводов, вплавляемых в стекло
и работающих при сравнительно низких температурах, не требуются
очень тугоплавкие и дорогие металлы (вольфрам, молибден, платина
и т. п.); здесь используют особые виды металлических материалов.
Для этих материалов наиболее важным является ТК/, который
при получении вакуум-плотного ввода должен соответствовать ТК/
стекла.
Ковар (марка 29НК), применяемый для впая в твердые стекла,
имеет следующий примерный состав: Ni — 29%, Со—18%, Fe —
остальное; его р равно 0,49 мкОм-м, ТК/ составляет (4 4-5)* 10-6 К'1.
Платинит представляет собой биметаллическую проволоку
с сердечником из никелевой стали марки Н42 (с содержанием Ni
42—44 масс. %) и наружным слоем из меди марки МО (см. § 2.1).
Меди в платините содержится 25—30% от общей массы проволоки.
Название «платинит» объясняется тем, что ТК/ платинитовой прово-
локи близок к значению ТК/ платины (см. табл. 1.1).
Вспомогательными материалами для получения надежной пайки
являются флюсы, которые должны:
1) растворять и удалять окислы и загрязнения с поверхности
спаиваемых металлов;
2) защищать в процессе пайки поверхность металла, а также
расплавленный припой от окисления;
3) уменьшать поверхностное натяжение расплавленного припоя;
4) улучшать растекаемость припоя и смачиваемость им соединяе-
мых поверхностей.
По действию, оказываемому на припаиваемый металл, флюсы под-
разделяют на несколько групп.
1. Активные (кислотные) флюсы приготовляют на основе актив-
ных веществ — соляной кислоты, хлористых и фтористых соедине-
ний металлов и т. д. Эти флюсы интенсивно растворяют оксидные
пленки на поверхности металла, благодаря чему обеспечивается хо-
рошая адгезия и высокая механическая прочность спая. Но остаток
флюса после пайки вызывает интенсивную коррозию спая и основного
металла. Поэтому применяют такие флюсы только в том случае, когда
возможна тщательная промывка и полное удаление остатков флюса.
При монтажной пайке радиоаппаратуры использование активных
флюсов недопустимо.
2. Бескислотные флюсы — это канифоль и флюсы, приготовляемые
на ее основе с добавлением неактивных веществ (спирта, глицерина).
3. Активированные флюсы изготовляют на основе канифоли с до-
бавкой активаторов — небольших количеств солянокислого или фос-
форнокислого анилина, салициловой кислоты, солянокислого диэтила-
мина и т. п. Высокая активность некоторых активированных флюсов
42
позволяет производить пайку без предварительного удаления окислов
после обезжиривания.
4. Антикоррозионные флюсы изготовляют на основе фосфорной
кислоты с добавлением различных органических соединений и раство-
рителей, а также флюсы на основе органических кислот. Остатки
этих флюсов не вызывают коррозии (например, флюс ВТС).
Глава 6
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
§ 6.1. Электроугольные изделия
Среди твердых неметаллических проводниковых материалов наи-
большее значение имеют материалы на основе углерода электротех-
нические угольные изделия, сокращенно «электроугольные изделия».
Из угля изготовляют щетки электрических машин, электроды для
прожекторов, для дуговых электрических печей и электролитических
ванн, аноды гальванических элементов. Угольные порошки исполь-
зуют в микрофонах для создания сопротивления, изменяющегося от
звукового давления. Из угля делают высокоомные резисторы, разряд-
ники для телефонных сетей; угольные изделия применяют в электро-
вакуумной технике.
В качестве сырья для производства электроугольных изделий ис-
пользуют сажу, графит или антрацит. Для получения
стержневых электродов измельченную массу со связкой, в качестве
которой используют каменноугольную смолу, а иногда и жидкое стекло,
продавливают через мундштук. Изделия более сложной формы изго-
товляют в соответствующих пресс-формах. Угольные заготовки про-
ходят процесс обжига. От режима обжига зависит форма, в которой
углерод находится в изделии. При высоких температурах обжига
(до 2200° С) углерод искусственно переводится в форму графита,
вследствие чего такой процесс называют графитированием.
Угольные электроды, предназначенные для работы при
высоких температурах, обжигают при особо высокой температуре
(до 3000° С).
Угольные изделия имеют отрицательный ТКр.
Щетки служат для образования скользящего контакта между не-
подвижной и вращающейся частями электрической машины, т. е. для
подвода (или отвода) тока к коллектору или контактным кольцам.
Щетки выпускают различных размеров (прилегающая к коллектору
контактная поверхность щетки может быть от 4 X 4 до 35 X 35 мм,
высота щетки 12—70 мм). Различные марки щеток отличаются по
составу и технологии изготовления, по значению удельного сопро-
тивления, по допустимой плотности тока, линейной скорости на кол-
лекторе, коэффициенту трения, твердости щетки и т. д.
Различают щетки угольно-графитные (Т и УГ); графитные (Г);
электрографитированные, т. е. подвергнутые графитированию (ЭГ),
медно-графитные с содержанием металлической меди (М и МГ).
43
Щетки с содержанием порошкового металла обладают особенно
малым электрическим сопротивлением и дают незначительное контакт-
ное падение напряжения (между щеткой и коллектором).
Угольные порошки для микрофонов изготовляют из
антрацита. Удельное сопротивление порошка зависит от крупности
зерен, режима обжига и плотности засыпки.
Угольные порошки выпускают двух типов: мелкозернистые, про-
ходящие через сито с 52 отверстиями на 1 см2, и крупнозернистые,
проходящие через сито с 45 отверстиями на 1 см2. Обжиг порошков,
увеличивающий их удельное сопротивление, производят при темпе-
ратуре 600—800° С. Значение р мелкозернистого порошка — 0,4 Омм.
Порошки не должны слеживаться с течением времени и слипаться
при повышенной влажности.
Непроволочные резисторы, отличающиеся от про-
волочных уменьшенными размерами и высоким верхним пределом
номинального сопротивления, находят широкое применение в автома-
тике, измерительной и вычислительной технике и др. Они должны
иметь малую зависимость сопротивления от напряжения и быть высоко
стабильными при повышенной температуре и влажности.
В качестве проводящих материалов непроволочных линейных ре-
зисторов могут быть использованы природный графит, сажа, пироли-
тический углерод, бороуглеродистые пленки, а также высокоомные
сплавы металлов и другие материалы.
Природный графит представляет собой одну из модифи-
каций чистого углерода слоистой структуры с большой анизотропией
как электрических, так и механических свойств.
Свойства графита (а также пиролитического углерода, см. далее)
приведены в табл. 6.1. Следует отметить, что чистый углерод в моди-
фикации алмаза — это диэлектрик с высоким удельным сопротивле-
нием р.
Таблица 6.1
Свойства графита и пиролитического углерода
Материал Р, мкОм-м D, Мг/м3 ТКр, Ю-4 к-1 тк/, 10-вК-1
Поликристаллический гра- фит 8 2.26 —10 7,5
Монокристалл графита: вдоль базисных плоскос- тей 0,4 —9 6,6
поперек базисных плос- костей 100 2—24 —400 2,6
Пиролитический углерод 10—50 2,1 —2 6,5-7,0
Сажа представляет собой мелкодисперсный углерод с приме-
сями смолистых веществ и т. п. Лаки, в состав которых в качестве
пигмента введена сажа, обладают малым удельным сопротивлением
44
и могут быть использованы для выравнивания электрического поля
в электрических машинах высокого напряжения и т. п.
Пиролитический углерод получают путем пиролиза
(термического разложения без доступа кислорода) газообразных угле-
водородов (метана, паров бензина или гептана) в камере, где находятся
керамические или стеклянные основания заготовок для резисторов.
Схема реакции пиролиза углеводородов общего состава СШНЛ:
CmH„->mC+y Н2
Особенностью структуры пиролитического углерода является от-
сутствие строгой периодичности в расположении слоев (в отличие от
графита) при сохранении их параллельности.
Бороуглеродистые пленки получают путем пиролиза
борорганических соединений, например В(С4Н9)3 или В(С3Н7)3. Эти
пленки обладают малым ТКр.
§ 6.2. Проводящие и резистивные пасты
Для нанесения электродов керамических конденсаторов, для изго-
товления проводников и резисторов толстопленочных микросхем ши-
роко используют проводящие и резистивные пасты. Пасты обычно
наносятся методом вжигания, поэтому подложка (керамика, стекло,
ситалл) должна выдерживать необходимый режим термообработки.
Наибольшее применение нашли пасты для серебрения керамики.
Паста содержит углекислое серебро Ag2CO3 или окись серебра Ag2O,
которые при температурах выше 500° С разлагаются:
Ag2CO3->2Ag + СО2 + ~2 ®2» Ag2O->2Ag + ~2 О2
При этом углекислый газ и кислород улетучиваются, а на поверх-
ности керамики остается чистое серебро. Для улучшения сцепления
серебра с керамикой в состав пасты вводят плавень — несколько
массовых процентов окиси висмута (Bi2O3), борнокислого свинца
(РЬВ4О4) или безводной буры (Na2B4O7). В качестве связки используют
раствор канифоли в скипидаре (иногда с добавкой касторового масла).
При обжиге канифоль и скипидар выгорают (при 200 4-370° С), а пла-
вень плавится (~750° С), образуя металлокерамику с постепенным
переходом от чистого серебра к керамике. Температура вжигания
пасты около 825° С. Толщина слоя металла после 2—3 вжиганий
составляет около 10 мкм.
Аналогичны состав и способ вжигания для паст на основе
других благородных металлов — золота, платины, палладия и их
сплавов. Серебряные покрытия наиболее дешевы, но при отсутствии
герметизации они подвержены коррозии и миграции в керамику.
Пленки других благородных металлов более стойки, особенно при
повышенных температурах, а процесс металлизации может быть совме-
щен с вторичным обжигом керамического изделия, что используется,
например, при изготовлении монолитных керамических конденсаторов.
45
Для изготовления пленочных резисторов с малым ТКр применяют
пасты на основе композиций металлов (ТКр>0) и их полупровод-
никовых оксидов (ТКр<0). Применяются композиции на основе
палладия, оксидов индия, кадмия, рутения, таллия, сурьмы, а также
бескислородные соединения тугоплавких металлов — карбид вольф-
рама, бориды вольфрама и молибдена, нитрид тантала и др.
§ 6.3. Проводниковые материалы особо высокой нагревостойкости
стойких проводников от обратной вели-
чины абсолютной температуры:
/ — ZrO2 с добавкой У2О3; 2 — СеО2; 3 —
LaCrO3 (масштаб по оси ординат — логариф-
мический)
В ряде случаев (нагревательные элементы высокотемпературных
электрических печей, электроды магнитогидродинамических генера-
торов и т. п.) нужны проводниковые материалы, которые могли бы
достаточно надежно работать при температурах порядка 1500—2000 К
и даже выше. В МГД-генерато-
рах условия работы проводни-
ковых материалов усложняются
из-за соприкосновения материа-
ла с плазмой и возможности
электролиза при прохождении
через материал постоянного тока.
Проблема получения провод-
никовых материалов, полностью
удовлетворяющих всем этим тре-
бованиям, окончательно не ре-
шена; по-видимому, ее решит
применение специальных кера-
мических материалов. Среди вы-
соконагревостойких проводнико-
вых материалов может быть от-
мечен карбид кремния SiC (под-
робнее см. ч. II) с легирующими
добавками тугоплавких металлов
(Сг, Ti, Мо). Керамика на основе
карбида кремния имеет сложный состав; в ней могут присутствовать
свободные кремний и углерод. Снижение р при температуре свыше
1400° С можно объяснить расплавлением входящего в состав керамики
свободного кремния (температура плавления Si около 1415° С). До-
бавки хрома и некоторых других металлов существенно увеличивают
механическую прочность материала (для керамики чистого SiC зна-
чение ар при 1500° С составляет ~20 МПа). Плотность легированной
керамики карбида кремния близка к 3100 кг/м3, ТК/ — к 5,7 «10"в К”1.
Весьма перспективны высоконагревостойкие проводниковые ма-
териалы — некоторые оксиды (прежде всего керамика окиси
циркония ZrO2 с добавкой окиси иттрия Y2O3, керамика окиси церия
СеО2, некоторые хромиты). На рис. 6.1 представлены температурные
зависимости р для таких материалов. Некоторые свойства керамики
ZrO2—Y2O3 (при пористости 25 объемн. %): объемная масса
2900 кг/м3; ТК/ = 13«10"в К"1; коэффициент теплопроводности (при
1500° С) 1,45 Вт/(м-К).
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Полупроводники по удельному со-
противлению, которое при комнатной температуре составляет 10-в—
109 Ом -м, занимают промежуточное положение между металлами и
диэлектриками. Они обладают совокупностью специфических свойств,
которые и выделяют их среди других веществ. В отличие от металлов
полупроводники имеют в большом интервале температур отрицатель-
ный температурный коэффициент удельного сопротивления ТКр,
т. е. положительный температурный коэффициент удельной проводи-
мости ТКу (рис. II. 1).
Для полупроводников характерна сильная зависимость значения
удельной проводимости от вида и количества содержащихся в них
примесей. Например, при введении в химически чистый германий
0,001 % мышьяка его удельная проводимость увеличивается в 10000 раз.
Полупроводники чувствительны к различного рода внешним воз-
действиям — свету, облучению ядерными частицами, электрическому
и магнитному полям, давлению и т. п.
Известно много веществ, обладающих полупроводниковыми свой-
ствами. К полупроводникам относится ряд простых веществ: германий,
кремний, селен, теллур, бор, углерод, фосфор, сера, сурьма, мышьяк,
серое олово, иод. Полупроводниками являются бинарные соединения
различных типов:
A‘BVI1 (CuCl, AgBr и др.); A!BVI(Cu2O, CuS и др.);
A*BV (KSb, K3Sb и др.)
AHBVH (ZnCl2, CdCl2 и др.); AHBVI (ZnO, ZnS, CdS, HgS и др.);
AnBv(ZnSb, Mg3Sb2 и др.); AnBIV (Mg2Sn, Ca2Si и др.)
AniBVI (GaS, In2Fe3 и др.); AHIBv(GaP, QaAs, InP и др.);
AIVBVI (GeO2, PbS и др.); AivBIV (SiC)
AVBVI (Sb2Te3, Bi2S3 и др.)
AVIBVI (M0O3, WO3)
AVIIIBVI (Fe2O3, NiO)
47
Специфичность свойств
вила широкое техническое
т
Рис. II. 1. Зависимость удель-
ной проводимости от темпера-
туры для металлов (а) и полу-
проводников (б)
Полупроводниковые свойства присущи тройным соединениям:
(CuA1S2, CuInS2 и др.); А>ВувУ’ (CuSbS2> CuAsS2 и др.);
A'BV'i'B^1 (CuFeSe2 и др.)
AnBlvB2 (ZnSiAs2, ZnGeAs2)
AIVBVBV1 (PbBiSe2)
и твердым растворам: GeSi, GaAsx_xPx, In^A^-^Sb и др.
К органическим полупроводникам относятся: фталоцианин, антра-
цен, нафталин, коронен и др.
полупроводниковых материалов обусло-
применение их для изготовления самых
различных приборов — полупроводни-
ковых диодов, транзисторов, тиристо-
ров, фотодиодов, фототранзисторов,
светодиодов, пол у п роводн и ковых л азе -
ров, а также датчиков давлений, маг-
нитных полей, температур, излучений и
др. Использование полупроводников вы-
звало коренные преобразования в ра-
диотехнике, кибернетике, автоматике,
телемеханике. Полупроводниковая элек-
троника открыла новые пути микроми-
ниатюризации электронного оборудова-
ния.
Интенсивное развитие полупроводни-
ковой техники, непрерывно растущий
объем информации о свойствах полупро-
водников, обилие полупроводниковых
материалов, применяемых для производ-
ства полупроводниковых приборов, увеличение круга веществ, в кото-
рых обнаруживаются полупроводниковые свойства, привело к боль-
шому количеству справочных данных по конкретным полупроводни-
кам. Это и определило построение второй части учебника, посвящен-
ной полупроводникам: гл. 7—13 содержат краткое описание основ-
ных физических явлений, присущих полупроводникам, а в гл. 14
приведены сведения о конкретных полупроводниках, получивших наи-
более широкое практическое применение.
Глава 7
ЭЛЕМЕНТЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ ТВЕРДОГО ТЕЛА
Понимание физических явлений, происходящих в полупроводни-
. -л, невозможно без знания основных положений зонной теории
твердого тела. Этим и обусловлено включение данной главы в часть
настоящей книги «Полупроводниковые материалы»,
48
§ 7.1. Энергетические зоны
w
^Зтах
Wjmtn
Щтах
Wjmin
К
а
И/г
7.1. Энергетические зоны при
сближении атомов

Рис.
Электрон в изолированном атоме может находиться лишь на строго
определенных дискретных энергетических уровнях, которые разде-
лены интервалами запрещенных энергий. Дискретность значений
энергии электронов в изолированном атоме подтверждается характером
спекторов поглощения и излучения разреженных газов, т. е. опреде-
ленными спектральными линиями, наличие которых объясняется пере-
ходом электрона с одного уровня на другой, при котором излучается
или поглощается свет определенной
частоты, соответствующей разности
энергий 'этих уровней.
При образовании кристалла
благодаря сближению N одинако-
вых атомов на расстояния, близкие
к расстоянию между атомами в кри-
сталлической решетке, начинает
проявляться взаимодействие атомов
между собой. В этом случае прин-
цип Паули распространяется на всю
совокупность атомов, как на еди-
ную систему, и в результате такого
взаимодействия эквивалентные уровни электронов изолированных
атомов образуют не энергетические уровни, на каждом из которых
находится в N раз больше электронов, а энергетические зоны, состоя-
щие из N уровней (рис. 7.1). Так как в кристалле объемом 1 м3 имеется
примерно 1028 атомов, а ширина энергетической зоны порядка 1 эВ,
расстояние между энергетическими уровнями в зоне составляет около
10"28 эВ.
Для реально возможных микроскопических объемов кристалла
расстояние между энергетическими уровнями не превышает 10"17 эВ.
3 то же время при комнатной температуре энергия порядка 0,03 эВ.
Поэтому электроны могут свободно переходить с одного уровня на
другой внутри зоны; можно считать, что энергетические зоны являются
квазинепрерывными.
Энергетические зоны, подобно энергетическим уровням электрона
в изолированном атоме, в общем случае разделены интервалами за-
прещенных энергий ДТГ/, которые называют запрещенными зонами.
§ 7.2. Заполнение зон электронами и электрические свойства
твердых тел
Электроны в изолированном атоме стремятся занять уровни с ми-
нимальной энергией; верхние энергетические уровни остаются свобод-
ными. В соответствии с этим и не все энергетические зоны твердого
тела заняты электронами. Самую верхнюю из заполненных зон назы-
вают валентной зоной, а самую нижнюю из свободных
зон — зоной проводимости.
49
Так как движение электрона во внешнем электрическом поле свя-
зано с изменением его скорости и энергии, то на энергетической схеме
такое движение соответствует перемещению электрона по близлежа-
щим уровням разрешенной зоны. Это означает, что принимать участие
в электропроводности могут только те электроны твердого тела, кото-
рые расположены в зонах, не полностью заполненных электро-
нами.
У атомов металлов (за исключением щелочноземельных элементов)
на верхнем занятом электронами уровне электронов меньше, чем воз-
можных состояний. Например, у атома Na электроны по уровням
(состояниям) распределены следующим образом: Is2 2s2 2pe3s. На уровне
3s находится один электрон вместо двух возможных. Валентная зона
твердого тела, возникающая в результате расщепления уровня 3s,
также оказывается не полностью заполненной.
У элементов II группы таблицы Д. И. Менделеева расщепление
соответствующих энергетических уровней происходит таким образом,
что полностью заполненная валентная зона и полностью свободная
зона проводимости перекрываются, образуя одну общую зону, в ко-
торой энергетических состояний больше, чем имеющихся электронов.
Электроны таких зон могут принимать участие в электропроводности.
Этим и объясняется высокая удельная проводимость элементов этой
группы.
У полупроводников и диэлектриков между валентной зоной и
зоной проводимости имеется запрещенная зона. При температуре
абсолютного нуля и в отсутствие внешнего воздействия их валентная
зона полностью заполнена, а зона проводимости свободна от электро-
нов. С этой точки зрения различие между диэлектриком и полупровод-
ником чисто количественное. К полупроводникам условно относят
вещества с шириной запрещенной зоны AIFZ = 0,05 + 3 эВ, а к ди-
электрикам— вещества с A1TZ > 3 эВ.
§ 7.3. Собственные и примесные полупроводники.
Структура энергетических зон некоторых полупроводников
Собственными называют полупроводники, не содержащие
донорных и акцепторных примесей. Зонная диаграмма таких полупро-
водников представлена на рис. 7.2, а, где Wc — нижний энергетиче-
ский уровень зоны проводимости, называемый дном зоны проводи-
мости; Wv — верхний энергетический уровень валентной зоны, назы-
ваемый потолком валентной зоны; Д№0 — ширина запрещенной зоны.
Практически чаще пользуются энергетической схемой, изображен-
ной на рис. 7.2, б, где представлены лишь потолок валентной зоны
и дно зоны проводимости. Стрелкой обозначен переход электрона из
валентной зоны в зону проводимости, который может быть осуществлен
за счет энергии тепловых колебаний решетки или энергии внешнего
воздействия на полупроводник. С уходом электрона в зону проводи-
мости в валентной зоне полупроводника остается свободным энергети-
ческое состояние, называемое дыркой, а сама валентная зона стано-
вится не полностью заполненной.
50
В качестве примера собственного полупроводника рассмотрим
монокристалл кремния, являющегося элементом IV группы таблицы
Д. И. Менделеева. В кристаллической решетке кремния у каждого
атома с каждым из четырех ближайших к нему соседей существует
ковалентная связь. Плоская модель кристаллической решетки кремния
представлена на рис. 7.3, где имеет-
ся изображение символа ковалент-
ной связи, в которой участвуют два
электрона. При разрыве ковалент-
ной связи между атомами кремния
образуются свободный электрон и
незавершенная связь, которой на
зонной диаграмме соответствует
возможное, но не занятое электро-
ном, состояние в валентной зоне —
а) 5)
Рис. 7.2. Зонная диаграмма собствен-
ного полупроводника
того, что электрон соседней кова-
дырка. При отсутствии внешнего
электрического поля дырка, как и
электрон, будет совершать хаоти-
ческое движение в пределах кри-
сталла. Происходит это вследствие
лентной связи за счет энергии тепловых колебаний решетки может
заполнить незавершенную ковалентную связь, в результате чего дырка
из положения 1 перейдет в положение 2. В силу тех же причин она
может перейти в положение 3, 4 и т. д. Таким образом, движение дырки
осуществляется за счет перемеще-
ния электрона, участвующего в
ковалентной связи.
Итак, в результате разрыва ко-
валентной связи образуется пара
свободных носителей заряда—элек-
трон в зоне проводимости и дырка
в валентной зоне, которые и создают
собственную электропроводность
полупроводника. Энергия, необхо-
димая для разрыва ковалентной
Рис. 7.3. Плоская модель кристалли- связи, определяется шириной за-
ческой решетки собственного полупро- прещенной зоны полупроводника,
водника (кремния) для кремния она составляет
1,12 эВ. Свободные носители заряда
при комнатной температуре возникают вследствие флуктуаций тепло-
вых колебаний решетки, так как средней тепловой энергии решетки
при комнатной температуре для разрыва ковалентной связи в кремнии
недостаточно.
Примесными называют полупроводники, содержащие до-
норные и (или) акцепторные примеси.
Если в кремний или германий в качестве примеси ввести элемент
V группы таблицы Менделеева, например мышьяк, то атому примеси
для завершения ковалентных связей с атомами основного вещества
необходимо четыре валентных электрона (рис. 7.4). Пятый валентный
51
электрон атома примеси в ковалентной связи не участвует. Со своим
атомом он связан силой кулоновского взаимодействия. Энергия этой
связи невелика. Для фосфора, мышьяка, сурьмы она порядка 0,01 эВ
в германии и 0,05 эВ в кремнии. Так как при 300 К тепловая энергия
kT = ^0,03 эВ, то очевидно, что при комнатной температуре будет
происходить ионизация примесных атомов мышьяка вследствие от-
рыва пятого валентного электро-
на, который становится свободным.
В германии при 300 К все примес-
ные атомы мышьяка ионизованы.
Образовавшиеся при этом положи-
тельные ионы примеси принимать
участия в электропроводности не
могут, так как они локализованы.
Находясь в узле кристаллической
решетки полупроводника, они яв-
Рис. 7.4. Плоская модель кристалла ляются ее структурными элемен-
ческой решетки полупроводника n-типа тами.
(кремния, легированного мышьяком) Примесь, имеющую валентных
электронов больше, чем необходимо
для завершения связей между ближайшими атомами основного веще-
ства, и в результате этого способную отдавать электроны, называют
донорной, а полупроводник с такой примесью — полупроводником
с электронной электропроводностью (или п-типа).
Для того чтобы пятый валентный электрон стал свободным (на энер-
гетической схеме перешел в зону проводимости), необходимо затратить
энергию значительно меньшую, чем
для разрыва ковалентной связи.
В соответствии с этим энергети-
ческий уровень пятого валентного
электрона на зонной диаграмме дол-
жен располагаться в запрещенной
зоне вблизи дна зоны проводимо-
сти (рис. 7.5).
При температуре абсолютного
нуля и в отсутствие внешнего воз-
действия на полупроводник его ва-
лентная зона полностью заполнена,
зона проводимости пуста, локальные
энергетические уровни донорной
примеси 1ГД заняты электронами.
По мере повышения температуры
сначала часть электронов, а затем все электроны с локальных уров-
ней 1ГД перейдут в зону проводимости (переходы /, рис. 7.5). Наряду
с этим будут происходить и переходы 2, обусловленные разрывом кова-
лентных связей, в результате чего образуется пара свободных носи-
телей заряда: электрон и дырка.
Так как для ионизации донорной примеси требуется энергия зна-
чительно меньшая, чем для разрыва ковалентной связи, то при тем-
пературах, при которых собственная электропроводность проявляется
52
слабо, электропроводность полупроводника определяется в основном
электронами, образовавшимися при ионизации донорной примеси.
Поэтому электроны в полупроводнике n-типа называют основными
носителями заряда, а дырки — неосновными носителями.
Если в полупроводник IV группы таблицы Менделеева ввести
в качестве примеси элемент III группы, например алюминий, то все
три валентных электрона примесного атома будут участвовать в обра-
зовании ковалентных связей. При
этом одна из четырех связей с бли-
жайшими атомами основного веще-
ства окажется незавершенной.
Примесь, имеющую валентных
электронов меньше, чем это необ-
ходимо для завершения связей меж-
ду ближайшими атомами основного
вещества, и вследствие этого спо-
собную захватить электроны, назы-
вают акцепторной, а полупровод-
Рис. 7.6. Плоская модель кристалли-
ческой решетки полупроводника р-ти-
па (кремния, легированного алюми-
нием)
соседней связи, которая в свою
ис. 7.6). Незавершенная связь —
ник с такой примесью — полупро-
водником с дырочной электропро-
водностью (или р-типа).
Незавершенная связь в резуль-
тате тепловых колебаний решетки
может быть заполнена электроном
очередь окажется незавершенной (р
дырка за счет тепловых колебаний решетки будет совершать хаоти-
ческое движение в пределах кристалла. Атом акцепторной примеси,
принявший четвертый электрон для завершения ковалентной связи,
становится отрицательным ионом. Та-
кой ион называют ионизированным
атомом акцепторной примеси. Прини-

Рис. 7.7. Зонная диаграмма полу-
проводника р-типа
мать участия в электропроводности
он не может, так как является струк-
турным элементом кристалла.
Для того чтобы образовалась сво-
бодная дырка, необходима энергия
меньшая, чем для разрыва ковалент-
ной связи. В германии и кремнии для
бора, алюминия, галлия, индия эта
энергия составляет 0,01 -ь 0,07 эВ. Значит, локальные энергетиче-
ские уровни акцепторной примеси 1Га расположены в запрещенной
зоне полупроводника вблизи потолка валентной зоны.
При температуре абсолютного нуля и в отсутствие внешнего воздей-
ствия на полупроводник акцепторные уровни свободны от электронов.
По мере повышения температуры электроны валентной зоны будут
заполнять эти локальные уровни при одновременном образовании
в валентной зоне соответствующего числа дырок (рис. 7.7, переходы /).
Вместе с тем возможны и переходы 2, при которых образуется пара
свободных носителей: электрон—дырка.
53
В полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются
дырки, неосновными — электроны.
Необходимо отметить, что в полупроводниках могут быть при-
меси, энергетические уровни которых расположены далеко от границ
Рис. 7.8. Зависимость
энергии электрона в сво-
бодном пространстве от
волнового вектора
Рис. 7.9. Структура энергети-
ческих зон антимонида индия
с учетом зависимости энергии
от волнового вектора
Рис. 7.10. Структура энергетиче-
ских зон кремния для двух кри-
сталлографических направлений
[111] и [100]
энергетических зон. Такие уровни называют глубокими. У германия
и кремния глубокие уровни возникают при наличии в них примесных
атомов меди, золота, марганца, железа, никеля, кобальта, платины
и др.
Рассмотренные зонные модели собственных и примесных полупро-
водников являются упрощенными, хотя в большинстве случаев они
пригодны для объяснения физических
процессов в полупроводниках и по-
лупроводниковых приборах. Однако
есть явления, которые можно объ-
яснить лишь с помощью модели струк-
туры зон с учетом зависимости энер-
гии электрона от волнового вектора к.
Зависимость энергии электрона в
свободном пространстве от импульса
ми Р2 Й2к2
и волнового вектора W = £- = -n—
имеет вид, представленный на рис.
7.8. Волновой вектор электрона в кри-
сталле k, модуль которого в трехмер-
ном пространстве | k | = У kx 4- ky +
имеет дискретные значения, завися-
щие от величины постоянной решетки
и от количества атомов в кристалле. Например, для кристалла с ку-
бической решеткой (а — постоянная решетки; Nx, Ny, Nz — число
54
атомов, приходящихся на ребра кристалла)
1 2л < 2л , 2л
kx~a^n’ кУ~М~уП' k‘~^Tzn
при п — 0, ±1, ±2, ...
По структуре энергетических зон реальные полупроводники де-
лятся на два основных типа. На рис. 7.9 изображена зависимость
энергии электрона от волнового вектора в случае, когда экстремумы
валентной зоны и зоны проводимости расположены в точке к = 0.
Такой конфигурацией зон обладает антимонид индия. Для кремния
на рис. 7.10 приведена более сложная зависимость энергии электрона
от волнового вектора. Из рисунка видно, что характер кривых зави-
сит от кристаллографического направления. Одному и тому же зна-
чению волнового вектора соответствует несколько значений энергии.
Наблюдается наличие нескольких экстремумов в зоне. Более глубо-
кий минимум зоны проводимости смещен относительно к = 0. Боль-
шинство полупроводников, в том числе и германий, обладает слож-
ной структурой энергетических зон.
Глава 8
СТАТИСТИКА ЭЛЕКТРОНОВ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
§ 8.1. Распределение частиц по энергиям.
Функции распределения
Ферми — Дирака и Максвелла — Больцмана
Для определения числа свободных носителей заряда в полупро-
воднике необходимо знать число энергетических уровней (состояний)
в зоне проводимости, фактически занятых электронами, и число сво-
бодных уровней (состояний) в валентной зоне. Вероятность нахожде-
ния электрона на данном энергетическом уровне W определяется функ-
цией распределения Ферми—Дирака:
=(8.1)
1+ехр(^—
где k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; WF —
уровень Ферми.
Функция распределения для уровня W = WP при Г =/= 0 равна
f = 1/г- Таким образом, уровень Ферми — это такой энергетический
уровень, вероятность заполнения которого при температуре, отличной
от абсолютного нуля, равняется 1/2.
Функция распределения Ферми—Дирака при Т = 0 К для энергий,
/IF — W р\
лежащих ниже уровня Ферми, равна единице, так как ехр (—ьт!
Это означает, что все уровни, лежащие ниже уровня Ферми, при тем-
пературе абсолютного нуля заняты электронами. Для энергий, лежа-
щих выше уровня Ферми, функция распределения Ферми—Дирака
55
/W-WF\
равна нулю, так как exp I——I 1, т. е. при температуре абсо-
лютного нуля все уровни, лежащие выше уровня Ферми, свободны.
У полупроводников при отсутствии внешнего воздействия и Т = О
валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости свободна
от электронов. Отсюда можно сделать вывод о том, что уровень Ферми
у полупроводников расположен в запрещенной зоне. Но такое заклю-
чение на первый взгляд противоречит определению уровня Ферми
как уровня, вероятность заполнения которого при температуре, от-
личной от нуля, равняется 1/2. Однако если считать, что функция
распределения Ферми—Дирака справедлива лишь для разрешенных
энергетических состояний, то указанный вывод не будет означать,
что электроны должны находиться на уровне Ферми.
Расчет показывает, что у собственных полупроводников уровень
Ферми расположен почти в середине запрещенной зоны:
где пг*е и ш*р — эффективные массы электрона и дырки соответственно.
Говоря об электроне как о свободном носителе заряда, не следует
понимать слово «свободный» в буквальном смысле. Перемещаясь в пре-
делах кристалла хаотически
или под действием внешнего
электрического поля направ-
ленно, электрон постоянно ис-
пытывает действие периодиче-
ского поля кристаллической
решетки.
Введение понятия «эффек-
тивная масса» дает возмож-
ность описывать движение
свободных носителей заряда
Рис. 8.1. Положение уровня Ферми в полу- В полупроводнике как пере-
проводнике: мещение заряженных частиц
а — собственном; б — электронном при Nд < без учета перИОДИЧеСКОГО ПО-
< Nc' «-дырочном при Na < nv ля кристаллической решетки.
У электронов, находящихся
вблизи дна зоны проводимости, ускорение на длине свободного про-
бега пропорционально приложенной силе. Эффективная масса введена
как коэффициент пропорциональности между силой и ускорением по
аналогии со вторым законом Ньютона. У электрона она может быть и
меньше и больше массы электрона в свободном пространстве. При дви-
жении электрона по кристаллу в отсутствие внешнего поля его пол-
ная энергия остается постоянной.
Благодаря постоянному действию периодического поля кристалли-
ческой решетки периодически меняется лишь соотношение между
потенциальной и кинетической энергией. В результате этого меняется
и скорость движения электрона. Средняя скорость в силу периодич-
ности поля решетки остается постоянной.
56
Под действием внешнего электрического поля движение электрона
может измениться таким образом, что значительная часть работы
внешнего поля пойдет на увеличение потенциальной энергии, тогда
скорость электрона под действием поля увеличивается меньше, чем
если бы он обладал массой, равной массе в свободном пространстве.
В случае, когда при движении электрона под действием внешнего
поля изменение его кинетической энергии больше работы сил поля
за счет перехода части потенциальной энергии в кинетическую, элект-
рон имеет скорость частицы более легкой, чем электрон в свободном
пространстве.
Возвращаясь к выражению (8.2), можно сделать заключение, что
положение уровня Ферми в собственном полупроводнике приходится
примерно на середину запрещенной зоны и зависит от соотношения
эффективных масс электрона и дырки (рис. 8.1, а). У электронных
полупроводников уровень Ферми расположен вблизи дна зоны прово-
димости* у дырочных — вблизи потолка валентной зоны (рис. 8.1, бив).
Для электронного полупроводника в области сильной ионизации,
когда количество электронов в зоне проводимости становится сравни-
мым с концентрацией примеси, энергия уровня Ферми определяется
из соотношения:

(8.3)
где
/2л/п*£ПЗ/2
Д7 =2 _______-__
Л /12 у
(8.4)
— концентрация донорной примеси; h — постоянная Планка.
Для дырочного полупроводника в области сильной ионизации
WF = Wv + kTlr№,
" ** а
(8.5)
где
/2wn*kT\3/2
Ы — 9 ______£__
\ h2 / ’
(8.6)
Afa — концентрация акцепторной примеси.
В области слабой ионизации положение уровня Ферми определяется
соотношением
” £ & LN д
Ц7рр = ^^а + Yln^- (8.8)
Обычно в полупроводниках электроны зоны проводимости имеют
энергию, значительно отличающуюся от энергии уровня Ферми. Раз-
ность (W — W?), как правило, более чем в 3 раза превышает вели-
чину kT. Тогда
ехр

57
отсюда
1 f W-WF\
f(W,T) =-----w--w~. exp (- . (8.9)
i+expHH
Если обозначить
/Wp\ „
exp \ёг) = с>
TO
f(W, T) = Cexp(-^), (8.10)
т. e. в этом случае поведение электронов в полупроводнике подчиня-
ется классической статистике Максвелла—Больцмана. Аналогичный
вывод можно сделать для дырок, если учесть, что вероятность нахож-
дения дырки есть вероятность того, что данный энергетический уро-
вень не занят электроном.
Если обозначить функцию распределения Ферми—Дирака для
электронов fn, а для дырок fp, то fn + fp = 1. В том случае, когда
поведение электронов и дырок в полупроводнике подчиняется ста-
тистике Максвелла—Больцмана, полупроводник считается невырож-
/W-WF\
денным. Однако условие exp I——1^1 выполняется не всегда.
При высоких температурах, при малой ширине запрещенной зоны,
при сильном легировании полупроводника, когда уровень Ферми
оказывается в валентной зоне или зоне проводимости, это условие
не выполняется. В этом случае полупроводник называется вырожден-
ным. К нему уже не применима статистика Максвелла—Больцмана.
Распределение электронов и дырок по энергиям описывается функ-
цией распределения Ферми—Дирака.
§ 8.2. Концентрация свободных носителей заряда
в невырожденном и вырожденном полупроводниках
При определении концентрации свободных носителей заряда в по-
лупроводнике будем считать, что механизм их образования обусловлен
лишь термической ионизацией за счет энергии тепловых колебаний
решетки. Образовавшиеся при этом свободные носители заряда на-
ходятся в термодинамическом равновесии с решеткой. Такие носи-
тели получили название равновесных или тепловых. Их концентра-
ции обычно обозначаются через п0 и р0 (для электронов и дырок со-
ответственно).
Концентрация свободных носителей заряда в полупроводнике,
т. е. концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валент-
ной зоне, определяется числом энергетических состояний в зоне и
их фактическим заполнением. Теория показывает, что концентрация
электронов в зоне проводимости
/W- W \
n0 = Nc exp c-j. (8.11)
58
Концентрация дырок в валентной зоне
/Ц7 _ Ц7 \
А» = Nvexp , (8.12)
где Nc и Nv определяются соотношениями (8.4) и (8.6).
Определим произведение
л? л? /Wf~Wc + Wv-Wf\ fWv-Wc\
поРо = NCNV exp ] = NCNV exp vkT cj.
(8.13)
Так как разность 1ГС — Wv равна ширине запрещенной зоны АЙ7О, то
«оРо = NCNV exp (- . (8.14)
Для собственного полупроводника п0 = р0 = nh отсюда
П( = поро = NCNV exp ( — . (8.15)
При комнатной температуре для германия порядка К)19 м"3,
для кремния — К)16 м-3. Из (8.14) и (8.15) следует, что произведение
равновесных концентраций основных и неосновных носителей заряда
в выбранном полупроводнике при заданной температуре является
величиной постоянной, равной квадрату концентрации электронов
(или дырок) в собственном полупроводнике при этой же температуре.
Это произведение не зависит от степени легирования полупроводника
при отсутствии вырождения.
При высокой степени легирования, высокой температуре или при
малой ширине запрещенной зоны полупроводника, когда условие
/W-WF\ „
exp I——I ;> 1 не выполняется и поведение электронов и дырок
уже не подчиняется статистике Максвелла—Больцмана, а распреде-
ление электронов по энергиям определяется функцией распределения
Ферми—Дирака, полупроводник становится вырожденным. В этом
случае равновесная концентрация электронов в электронном полу-
проводнике
8л /2т*\з/2
"«=3^) (^о-^)3/2« <8'16)
Равновесная концентрация дырок в дырочном полупроводнике
о /2/и*\з/2
Л=тЫ (^-^о)3/2, (817>
гДе — уровень Ферми при температуре абсолютного нуля.
Из выражений (8.16) и (8.17) следует, что концентрация свободных
носителей заряда в вырожденном полупроводнике не зависит от тем-
пературы.
59
§ 8.3. Зависимость концентрации свободных носителей заряда
от температуры
Концентрация свободных носителей заряда в собственном полу-
проводнике п0 = ро = П/ согласно (8.9) экспоненциально зависит от
температуры:
пг = (^)1/2ехр(-^-). (8.18)
\ kT /
I V г I
\ /
Рис. 8.2. Температурная зависимость
концентрации свободных носителей
заряда полупроводника n-типа: МД1 <
< ^д2 < ^дз (ПРИ ^дз наступает вы-
рождение)
для полной ионизации примеси,
В примесном невырожденном полупроводнике равновесные кон-
центрации электронов и дырок:
n0 = Nc exp
p0 = W„exp
Но в соответствии с (8.4)—(8.6) значения Nc и Nv и положение
уровня Ферми в полупроводнике также зависят от температуры.
Качественно температурная зависимость концентрации свободных
носителей заряда может быть рассмотрена на примере электронного
полупроводника (рис. 8.2). При тем-
пературе абсолютного нуля его ва-
лентная зона должна быть полно-
стью заполнена, донорные уровни
заняты электронами, а зона прово-
димости пуста. При повышении тем-
пературы полупроводника электро-
ны с примесных уровней начнут
переходить в зону проводимости, и
чем выше температура, тем большее
число примесных атомов будет иони-
зовано. В этой области температур
изменение концентрации свободных
носителей заряда характеризует-
ся участком 2 рис. 8.2 (область
слабой ионизации). При дальней-
шем повышении температуры, ког-
да энергия kT станет достаточной
концентрация электронов в зоне
проводимости станет равной концентрации донорной примеси, если
при этом вероятность перехода электронов из валентной зоны в зону
проводимости ничтожно мала. Концентрация свободных носителей
заряда при дальнейшем повышении температуры будет оставаться
постоянной (участок 3 — область насыщения) до тех пор, пока не ста-
нет значительным возбуждение и переход электронов из валент-
ной зоны в зону проводимости (участок /). Из рис. 8.2 видно, что чем
больше концентрация примеси, тем выше температура, при которой
концентрация свободных носителей заряда собственной проводимости
становится сравнимой с концентрацией электронов, появившихся
в зоне проводимости за счет ионизации донорной примеси.
60
В реальных полупроводниках обычно имеется и донорная, и акцепторная при-
меси. Такой полупроводник ведет себя как примесный с типом электропроводности,
соответствующим преобладающей примеси, и с концентрацией, равной разности кон-
центраций доноров и акцепторов.
При равенстве концентраций донорной и акцепторной примеси полупроводник
называют компенсированным. Компенсация происходит за счет того, что электроны
донорной примеси занимают акцепторные уровни и концентрация свободных носителей
заряда полупроводника становится равной собственной.
Если концентрация доноров и акцепторов неодинакова, полупроводник является
частично компенсированным.
Меняя соотношение донорной и акцепторной примесей, можно в широких пре-
делах изменять концентрацию основных и неосновных носителей заряда. Произведе-
ние же концентраций электронов и дырок для выбранной температуры остается по-
стоянным и равным nJ при отсутствии вырождения.
§ 8.4. Неравновесные носители заряда в полупроводниках.
Генерация и рекомбинация. Время жизни
Свободные носители заряда в полупроводнике, для образования
(генерации) которых требуется затрата энергии, могут возни-
кать вследствие различных причин — термической ионизации, иони-
зации светом и других внешних воздействий. При тепловом возбужде-
нии, как указывалось в § 8.2, имеет место термодинамическое равно-
весие между свободными носителями заряда и кристаллической ре-
шеткой.
При образовании свободных носителей заряда в полупроводнике
за счет внешних воздействий, например света, энергия свободных
носителей в момент их образования может сильно отличаться от
средней тепловой энергии решетки. Это означает отсутствие термо-
динамического равновесия между решеткой и образовавшимися сво-
бодными носителями. Такие носители заряда называют неравно-
весными. Однако следует иметь в виду, что термодинамическое
равновесие устанавливается за очень короткий промежуток времени
порядка 10"10 с и неравновесные носители заряда в дальнейшем не
отличаются от равновесных.
Концентрацию неравновесных носителей заряда, как избыточную
над равновесной, обычно обозначают через Ап и Ар (для электронов
и дырок соответственно). Полные концентрации свободных носителей
в полупроводнике равны
п = п0 + Ап; р = р0 + Ар. (8.19)
Даже в отсутствие каких-либо внешних воздействий на полупро-
водник, только за счет энергии тепловых колебаний решетки концент-
рация свободных носителей заряда в нем должна была бы непрерывно
увеличиваться во времени. Этого не происходит потому, что помимо
процесса генерации имеет место и обратный процесс — процесс р е -
комбинации, при котором исчезает пара свободных носителей
заряда — электрон и дырка.
Переход электрона из зоны проводимости на свободный уровень
валентной зоны (рис. 8.3, а) называют прямой или межзонной реком-
бинацией. Для ее осуществления необходимо, чтобы электрон и дырка
одновременно находились в одном и том же месте полупроводника
61
и обладали одинаковыми, но противоположно направленными квази-
импульсами.
Прямая рекомбинация имеет существенное значение в полупровод-
никах с малой шириной запрещенной зоны (до 0,3 эВ).
У полупроводников с шириной запрещенной зоны больше 0,5 эВ
рекомбинация в основном происходит через локальные уровни, т. е.
энергетические уровни, расположенные в запрещенной зоне. Ловуш-
ками, создающими ранее указанные уровни, являются примесные
атомы, ионы или другие несовершенства кристаллической решетки.
Если в запрещенной зоне имеются свободные энергетические уровни
(глубокие донорные уровни), то при движении по кристаллу свобод-
ный электрон может быть захвачен ловушкой, что на энергетической
схеме соответствует переходу 1 (рис. 8.3, б). При этом электрон пере-
а)
Рис. 8.3. Рекомбинация свободных носителей заряда в полупроводниках:
а — прямая; б — через незаполненные уровни; в — через заполненные уровни
стает быть свободным, а ловушка заряжается отрицательно. Это про-
исходит до тех пор, пока к имеющей отрицательный заряд ловушке
не подойдет дырка, что на зонной диаграмме соответствует переходу 2.
В результате переходов 1 и 2 исчезает пара свободных носителей —
электрон и дырка. Дефект решетки, способный захватить электрон
из зоны проводимости и дырку из валентной зоны, осуществляя их
рекомбинацию, называют рекомбинационной ловушкой, а соответствую-
щий ей уровень — уровнем рекомбинации.
Следует отметить, что у электрона, находящегося на локальном
уровне, есть возможность снова перейти в зону проводимости. Дефект,
способный захватывать свободные носители заряда одного знака с по-
следующим их освобождением, называют ловушкой захвата. При на-
личии занятых электронами локальных уровней электроны с этих
уровней могут перейти в валентную зону (переход /, рис. 8.3, в),
а электроны из зоны проводимости на локальные уровни (переход 2).
В этом случае, так же как в предыдущем, в результате переходов
1 и 2 исчезает пара свободных носителей — электрон и дырка.
Кроме переходов 1 и 2 (пунктир на рис. 8.3, а и б) не исклю-
чены переходы 1 и 2, приводящие к генерации свободных носителей.
В стационарном состоянии процессы генерации и рекомбинации
взаимно равнозначны.
Вероятность рекомбинации одного свободного электрона за еди-
ницу времени в единице объема 1/тр пропорциональна концентрации
62
дырок р и скорости движения электрона относительно дырки vn, т. е.
тп называют временем жизни электрона.
Соответственно время жизни дырок
(8.21)
где vp — скорость движения дырки относительно электрона.
В реальных полупроводниках время жизни свободных носителей
заряда составляет 10"2 — 10“8 с.
Важным параметром полупроводниковых материалов является
также диффузионная длина L — расстояние, на котором в однородном
полупроводнике при одномерной диффузии в отсутствие электриче-
ского и магнитного полей избыточная концентрация неосновных
носителей заряда уменьшается вследствие рекомбинации в е раз.
Диффузионная длина неосновных носителей заряда является важной
характеристикой полупроводника, зависящей от наличия в нем при-
месей и совершенства кристаллической решетки. Для германия и
кремния эта величина указывается в паспорте (см. табл. 14.2).
Глава 9
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
§ 9.1. Собственная и примесная электропроводности
полупроводников
Модельные представления механизма образования носителей за-
ряда в собственном и примесном полупроводниках были рассмотрены
в § 7.3. Как отмечалось, в отсутствие внешнего электрического поля
носители заряда (электроны и дырки) совершают хаотическое дви-
жение в пределах кристалла. При приложении внешнего электриче-
ского поля преимущественным направлением движения электронов
становится движение против поля, дырок — в направлении поля.
Последнее объясняется тем, что движение дырки осуществляется по-
средством движения электрона, участвующего в ковалентной связи.
Если электрон, заполняя незавершенную связь (дырку), перемеща-
ется из положения 1 в положение 2 (см. рис. 7.4), то дырка, наоборот,
переходит из положения 2 в положение 1. Следовательно, преимуще-
ственным движением дырок в электрическом поле будет движение,
противоположное направлению движения электронов. Таким обра-
зом, движение дырки во внешнем электрическом поле подобно движе-
ний) положительно заряженной частицы.
В собственном полупроводнике носителями заряда являются сво-
бодные электроны и дырки, концентрации которых одинаковы. При на-
личии внешнего электрического поля плотность электронной состав-
63
ляющей тока, протекающего через собственный полупроводник, в соот-
ветствии с уравнением (В.1)
Jn = nevn,
где п — концентрация электронов зоны проводимости; е — заряд
электрона; vn — дрейфовая скорость электронов.
Удельная электрическая проводимость полупроводника, обуслов-
ленная электронами, с учетом подвижности электронов согласно
(В.2) и (В.З)
Уп = пецп. (9.1)
Аналогично дырочная составляющая плотности тока для собствен-
ного полупроводника
/Р = РФР£,
где р — концентрация дырок; рр — подвижность дырок.
Удельная электрическая проводимость полупроводника, обуслов-
ленная дырками
Тр = Wp- (9-2)
В соответствии с (В.4) плотность тока через собственный полу-
проводник
J = Jn + Jp = (перп + рерр) Е.
Удельная электрическая проводимость собственного полупровод-
ника
Тсоб = Ь + Ъ = «Фп + РФР = ещ (рп + рр), (9.3)
где п = р = П/.
Удельная проводимость электронного полупроводника равняется
сумме примесной упр и собственной усоб удельной электрической про-
водимости:
Yn = Тпр + Тсоб, (9.4)
где Тпр =
Через пд обозначена концентрация свободных электронов, обра-
зовавшихся за счет ионизации донорной примеси, т. е. в результате
перехода электронов с донорных уровней в зону проводимости. Сле-
довательно,
Уп = + W» + РФр = ("д + п) + РФ р- (9-5)
При комнатной температуре у германия и кремния усоб упр,
так как донорная примесь практически полностью ионизована, а соб-
ственная электропроводность проявляется еще слабо. Отсюда уп « упр.
Однако при повышении температуры усоб увеличивается и наступает
момент, когда усоб становится много больше упр. Очевидно, чем больше
ширина запрещенной зоны полупроводника и чем больше в нем при-
меси, тем выше температура, при которой усоб > упр. Например, для
германия с р = 0,1 Ом-м собственная электропроводность начинает
преобладать над примесной при 90° С, а в случае р = 10'5 Ом-м —
при 500° С.
64
В дырочном полупроводнике
Тр = Тчр + Тсоб. (9-6)
где Тпр — через ра обозначена концентрация дырок, образовав-
шихся за счет ионизации акцепторной примеси, т. е. в результате
перехода электронов из валентной зоны на акцепторные уровни.
Следовательно,
Тр = Рафр + «фл + РФр = (Ра + р) фр + епцп. (9.7)
§ 9.2. Механизмы рассеяния и подвижность свободных носителей
заряда
Наличие в реальных кристаллах полупроводников различного
рода дефектов, например ионов и атомов примеси, дислокаций, а также
тепловых колебаний решетки при-
водит к рассеянию свободных но-
сителей заряда и уменьшению их
подвижности.
Наиболее существенную роль
в рассеянии свободных носителей
заряда играют ионы примеси и теп-
ловые колебания решетки, которые
в основном и определяют величину
подвижности свободных носителей
заряда.
Расчет показывает, что при на-
личии рассеяния носителей заряда
только на ионах примеси подвиж-
Рис. 9.1. Зависимость подвижности
электронов и дырок от температуры в
арсениде галлия:
/ — п ~ 3,8-1021 м-3; 2 —л=4,4-1021 м“3;
3 — р = 4,4 -1022 м-3
ность
р ~ 73/2. (9.8)
Увеличение подвижности сво-
бодных носителей заряда с повыше-
нием температуры объясняется тем,
что чем выше температура, тем
больше тепловая скорость движения свободного носителя и тем меньше
времени он будет находиться в поле иона, изменяющего его движение,
а значит он будет иметь и меньшее отклонение. По мере повышения
температуры рассеяние на ионах примеси уменьшается. Однако теп-
ловые колебания кристаллической решетки при этом увеличиваются.
Возрастает, очевидно, и роль их в механизме рассеяния свободных
носителей.
Согласно теории в атомных полупроводниках при рассеянии сво-
бодных носителей заряда лишь на тепловых колебаниях решетки
без учета температурной зависимости эффективной массы подвижность
носителей заряда
и~Т-з/2. (9,9)
На рис. 9.1 приведены экспериментальные кривые температурной
зависимости подвижности для электронов и дырок в арсениде галлия.
3 п/р. Тареева
65
Из рисунка видно, что при высоких температурах преобладает меха-
низм рассеяния на тепловых колебаниях решетки, при низких темпе-
ратурах на ионах примеси. Величина и положение максимума кривой
р (Т) зависит от концентрации примесей. С ее увеличением максимум
смещается в область более высоких температур, а вся кривая вниз
по оси ординат.
При очень низких температурах, когда примеси слабо ионизованы,
рассеяние свободных носителей в основном будет происходить на
нейтральных атомах примеси. При наличии только этого механизма
рассеяния подвижность не зависит от температуры, а определяется
концентрацией примеси.
§ 9.3. Температурная зависимость проводимости полупроводников
Удельная электрическая проводимость полупроводника, как по-
казано в § 9.2, определяется концентрацией и подвижностью свобод-
ных носителей заряда, значения которых зависят от температуры.
Причем для концентрации свободных носителей заряда характерна
экспоненциальная температурная зависимость, а для подвижности —
степенная.
Экспоненциальный закон изменения концентрации свободных но-
сителей зарядов в полупроводниках при изменении температуры объяс-
няет принципиальное различие между температурной зависимостью
проводимости полупроводников и металлов. У последних концентра-
ция свободных носителей практически не зависит от температуры.
В общем случае удельная электрическая проводимость полупровод-
ника
у = перп + реу,р,
где пир — равновесные концентрации свободных носителей заряда;
рп и рр — их подвижности.
Для собственного полупроводника
Тсоб = ещ (н„ + Нр) = е (цв + НР) „)1/2 exp ( - . (9.10)
Учитывая, что степенная зависимость слабее экспоненциальной,
можно записать:
усо6 = const exp ( - 4^-) • (9-11)
Для примесных полупроводников, когда концентрация свободных
носителей заряда изменяется по экспоненциальному закону,
ynp = const exp [ - , (9-12)
где AlFnp — энергия ионизации примеси.
66
Формула (9.12) в области примесной проводимости справедлива
лишь до тех пор, пока не наступит полная ионизация примеси.
Получив экспериментальную зависимость удельной проводимости
от температуры в виде In у (Г”1), можно определить ширину запрещен-
ной зоны полупроводника и энергию ионизации примеси.
Рассмотрим экспериментальные кривые температурной зависимо-
сти удельной электрической проводимости кремния, содержащего раз-
личное количество донорной примеси (рис. 9.2).
Повышение удельной проводимости кремния с увеличением Т
в области низких температур обусловлено увеличением концентрации
свободных носителей заряда — электронов за счет ионизации донор-
ной примеси. При дальнейшем по-
вышении температуры наступает Т->См/м\
истощение примеси — полная ее
ионизация. Собственная же элект-
ропроводность кремния заметно еще
не проявляется. В этих условиях
концентрация свободных носителей
практически от температуры не за-
висит и температурная зависимость
удельной проводимости полупро-
водника определяется зависимостью
подвижности носителей от темпера-
туры. Наблюдаемое в этой области
температур уменьшение удельной
проводимости кремния с увеличени-
ем температуры происходит за счет
рассеяния свободных носителей
заряда на тепловых колебаниях
решетки. Однако возможен и такой
случай, когда область истощения
примеси оказывается в интервале
температур, где основным механиз-
мом рассеяния является рассеяние
на ионах примеси. Тогда удель-
ная проводимость полупроводника
с повышением температуры также и
Рис. 9.2. Температурная зависимость
удельной электрической проводимости
кремния, содержащего различное ко-
личество фосфора:
/ — N =4,8 ’1023м-3; 2 — N = 2,7 ’1024м“8;
Д з — W = 4,7 • 102* м-3
д
в этой области температур будет
увеличиваться.
Резкое увеличение удельной проводимости при дальнейшем росте
температуры (см. рис. 9.2) соответствует области собственной электро-
проводности кремния, в которой с увеличением температуры концент-
рация свободных носителей увеличивается экспоненциально, а под-
вижность уменьшается по степенному закону.
На рис. 9.2 у вырожденного полупроводника (кривая 3) концентра-
ция свободных носителей заряда не зависит от температуры и темпера-
турная зависимость проводимости определяется зависимостью их
подвижности от температуры.
3*
67
§ 9.4. Электропроводность полупроводников
в сильном электрическом поле.
«Горячие» электроны. Эффект Ганна
свободных носителей заряда и их
М
Рис. 9.3. Структура энергетических
зон арсенида галлия в направлении
[100]
В сильных электрических полях наблюдается нарушение линей-
ности закона Ома J = уЕ. Минимальную напряженность электриче-
ского поля, начиная с которой не выполняется линейная зависимость
тока от напряжения, называют критической.
Так как удельная проводимость определяется концентрацией
подвижностью, то нарушение линей-
ности закона Ома будет иметь ме-
сто в том случае, когда по крайней
мере одна из этих величин зависит
от напряженности электрического
поля.
Если изменение абсолютного зна-
чения скорости свободного носите-
ля заряда за счет внешнего поля на
среднем пути между соударениями
сравнимо с тепловой скоростью,
то нельзя считать, что его подвиж-
ность не зависит от величины внеш-
него поля. С увеличением напря-
женности электрического поля выше
критического значения в зависимо-
сти от доминирующего механизма
рассеяния подвижность свободных
носителей заряда может как умень-
шаться, так и увеличиваться. С
изменением подвижности свободных носителей заряда под действием
сильного электрического поля связаны явление разогрева электрон-
но-дырочного газа и эффект Ганна.
Явление разогрева электронно-дырочного газа состоит в том, что
свободные носители заряда за счет увеличения скорости движения во
внешнем электрическом поле обладают энергией, большей, чем равно-
весная тепловая энергия решетки. Такие носители называют «г о-
р я ч и м и».
При изучении «горячих» электронов в полупроводниках было обна-
ружено, что при постоянном внешнем электрическом поле, напряжен-
ностью (1 ч- 2)*105 В/м, в арсениде галлия возникают электрические
колебания. Это явление получило название эффекта Ганна.
На рис. 9.3 изображена структура энергетических зон арсенида
галлия, где видно, что зона проводимости GaAs характеризуется двумя
минимумами. В минимуме, соответствующем точке к = 0, электроны
имеют примерно в 25—30 раз большую подвижность, чем электроны
во втором минимуме. За счет внешнего электрического поля при высо-
кой его напряженности энергия электронов первого минимума может
повыситься настолько, что окажется возможным их переход во второй
минимум, где подвижность электронов много меньше. В результате
68
Рис. 9.4. N-образная вольт-амперная
характеристика однородного полупро-
водника
доменом, время движения домена
Рис. 9.5. Энергетические зоны полу-
проводника в случае сильного элект-
рического поля
этого, так как плотность тока пропорциональна подвижности свобод-
ных носителей заряда, дифференциальная проводимость полупровод-
ника = dJ/dE станет отрицательной. При некоторой напряженности
электрического поля большинство электронов окажется во втором
минимуме. После этого дифференциальная проводимость снова ста-
новится положительной (рис. 9.4). Наличие на вольт-амперной харак-
теристике участка отрицательной
дифференциальной проводимости,
как известно, может обеспечить
генерацию электромагнитных коле-
баний.
В силу неоднородности образ-
ца напряженность электрического
поля, при которой происходит пере-
ход электронов из нижнего мини-
мума в верхний, достигается не
по всему объему полупроводника,
а в локальной области повышенно-
го сопротивления. Образовавшиеся
при этом электроны с малой подвижностью будут двигаться вдоль
образца под действием внешнего электрического поля. Их будут дого-
нять электроны с большой подвижностью, образуя область повышенной
концентрации электронов, которую принято называть электрическим
от места его зарождения до анода
определяет период колебаний.При
размере кристалла арсенида галлия
(между электродами) около 100 мкм
частота генерации порядка 1 ГГц.
При уменьшении размера кристал-
ла до 2 мкм частота генерации до-
стигает 30 ГГц.
Воздействие сильного электри-
ческого поля приводит не только
к изменению подвижности свобод-
ных носителей заряда, но и к зна-
чительному изменению их концент-
рации. Различают несколько меха-
низмов повышения концентрации
свободных носителей заряда в по-
лупроводнике под действием внеш-
него электрического поля — электростатическую, термоэлектронную
и ударную ионизации.
При воздействии внешнего электрического поля с напряженностью
Е на полупроводник его энергетические зоны становятся наклонными.
Это происходит благодаря тому, что во внешнем электрическом поле
электрон приобретает дополнительную энергию, равную W = —еЕх,
зависящую от координаты х. Прибавляя эту энергию к энергии элек-
трона в полупроводнике в отсутствие внешнего электрического поля,
получаем наклон энергетических зон во внешнем электрическом поле
69
(рис. 9.5). Как видно из рисунка (горизонтальные переходы 1 и 2),
в сильном электрическом поле при наклоне зон возможен переход
электрона из валентной зоны и с локальных уровней в зону проводимо-
сти без изменения энергии — путем туннельного просачивания элек-
тронов через запрещенную зону.
Этот механизм увеличения концент-
рации свободных носителей под дей-
ствием сильного электрического по-
ля называют электростатической
ионизацией. Она возможна в элект-
рических полях с напряженностью
порядка 108 В/м и приводит к су-
щественному изменению концентра-
ции свободных носителей заряда.
Если свободный электрон под
действием внешнего электрического
поля приобретает энергию, доста-
точную для перевода электрона из
валентной зоны в зону проводимо-
сти, то возможна ударная иониза-
ция. Ионизирующий электрон при
Рис. 9.6. Зависимость проводимости
полупроводника от напряженности
внешнего электрического поля
этом остается в зоне проводимости.
Таким образом, ударная ионизация приводит к увеличению числа
свободных носителей заряда в полупроводниках.
На рис. 9.6 приведена зависимость In у от напряженности внешнего
электрического поля, где участок 1 соответствует выполнению линей-
ности закона Ома, участок 2 — термоэлектронной ионизации, уча-
сток 3 — ударной и электростатической ионизации, участок 4 —
пробою.
Глава 10
КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
§ 10.1. Работа выхода
Электрон удерживается в твердом теле за счет электростатических
сил. Для преодоления этих сил и выхода за пределы твердого тела элек-
трону необходимо совершить некоторую работу.
Пусть Wa есть минимальная энергия, обладая которой электрон
может покинуть твердое тело. При этом скорость его вне твердого тела
равняется нулю.
Работой выхода называют работу, которая необходима для
перевода электрона с уровня Ферми на уровень Wa (рис. 10.1). Уро-
вень Ферми в качестве исходного выбран не случайно. Если, например,
из металла (см. ч. 1) удалить электроны с энергией, лежащей ниже
уровня Ферми, то электроны, обладающие большей энергией, будут
переходить на освободившиеся лежащие ниже уровни и металл будет
нагреваться за счет освободившейся энергии, т. е. часть работы пойдет
70
на нагрев металла. Если удалить электроны с энергией, лежащей выше
уровня Ферми, то при этом равновесие электронов также будет нару-
шено и часть освободившихся уровней займут электроны, обладающие
меньшей энергией. В процессе это-
го металл охладится и часть рабо-
ты по удалению электрона из метал-
ла будет совершена за счет его внут-
ренней энергии.
То же самое происходит в полу-
проводниках. Однако картина здесь
осложняется еще и тем, что энер-
гия, необходимая для удаления из
полупроводника электрона зоны
проводимости, существенно отли-
чается от энергии, необходимой для
удаления электрона валентной зо-
ны или примесного уровня. Поэто-
-----
------ "V
а)----б)---------в)
Рис. 10.1. Энергетическая диаграмма
работы выхода из полупроводника:
а — собственного; б — электронного; в —
дырочного
му в полупроводниках, так же как и в металлах, рассматривают изо-
термическую работу выхода, которую отсчитывают от уровня Ферми,
хотя в невырожденных полупроводниках на этом уровне нет ни одного
электрона.
На рис. 10.1 показана работа выхода из собственного, электрон-
ного и дырочного полупроводников. Из рисунка видно, что работа
выхода из полупроводника, легированного акцепторной примесью,
больше, чем легированного донорной примесью.
§ 10.2. Контакт металл — полупроводник
При контакте металла с полупроводником так же, как при кон-
такте двух металлов, возникает контактная разность потенциалов,
определяемая разностью работ выхода электронов.
Пусть работа выхода из металла будет больше, чем из полупровод-
ника с электронной электропроводностью. Если привести в идеальное
соприкосновение металл с полупроводником, то в первоначальный
момент вследствие разности работ выхода электронов из металла и
полупроводника электроны устремятся в металл. В результате этого
на поверхности металла образуется отрицательный заряд, который
будет препятствовать дальнейшему переходу электронов в металл
из прилегающего слоя полупроводника. В равновесном состоянии
между металлом и полупроводником устанавливается некоторая
разность потенциалов, которая уравновешивает диффузионный поток
электронов из полупроводника в металл, образовавшийся за счет раз-
ности работ выхода, и дрейфовый поток электронов из металла в полу-
проводник, возникший за счет электрического поля разности потен-
циалов на контакте.
На контакте полупроводника с металлом создается состояние,
отличное от состояния на контакте двух металлов. Концентрация
свободных электронов в металле 1028 м*3 соответствует числу свободных
электронов в моноатомном поверхностном слое металла примерно
71
1028 м'3 -3 -1O“10 м = 1018 м"2. Обеспечение контактной разности потен-
циалов, например, 1 В потребует лишь части свободных электронов,
находящихся в приповерхностном слое металла, так как для этого
необходима поверхностная плотность электронов примерно 101в м'2.
Концентрация свободных электронов в полупроводнике п-типа,
как правило, составляет 1020—1024 м-3, что соответствует числу свобод-
ных электронов в моноатомном слое — 1010—1014 м"2. Таким образом,
Рис. 10.2. Энергетические диаграммы контакта металл — полу-
проводник
даже всех электронов в приповерхностном слое полупроводника недо-
статочно для обеспечения необходимой плотности поверхностного
заряда. Вследствие этого электроны будут подтягиваться из прикон-
тактного слоя полупроводника, оставляя нескомпенсированные поло-
жительные ионы донорной примеси. Приконтактный слой, обеднен-
ный основными носителями заряда, обладает повышенным сопротив-
лением. Его называют запирающим. Электрическое поле, возникающее
в результате наличия объемного заряда, искривляет энергетические
зоны приконтактного слоя полупроводника. В равновесном состоянии
72
системы металл — полупроводник электрону полупроводника для
прохождения границы раздела необходимо преодолеть потенциальный
барьер.
На рис. 10.2, а изображена зонная диаграмма металла и полупро-
водника при Фм > Фп, где Фм и Фп — работа выхода электрона в ва-
куум из металла и полупроводника соответственно. При контакте
металла с полупроводником благодаря описанным процессам в системе
устанавливается динамическое равновесие с выравниванием уровней
Ферми металла и полупроводника и образованием контактной разно-
сти потенциалов, равной разности работ выхода.
Если работа выхода электрона из металла меньше работы выхода
из электронного полупроводника (ФМ<ФП), то после соприкоснове-
ния электроны из металла устре-
мятся в полупроводник, обогащая
приконтактный слой полупроводни-
ка основными носителями заряда и
тем самым создавая слой в полу-
проводнике с повышенной проводи-
мостью, который называют обога-
щенным слоем. Энергетическая схе-
ма контакта металл — полупровод-
ник для этого случая представ-
лена на рис. 10.2, б.
В случае контакта металла с ды-
рочным полупроводником при усло-
вии Фп <ФМ в момент контакта часть
электронов из полупроводника
Рис. 10.3. Энергетические диаграммы
контакта металл — полупроводник при
большой контактной разности потен-
циалов

устремится в металл. Возникшее при этом электрическое поле в даль-
нейшем будет отталкивать электроны в глубь полупроводника и при-
тягивать дырки, которые в дырочном полупроводнике являются
основными носителями заряда. В результате этого в приконтактной
области полупроводника образуется обогащенный слой. Энергетиче-
ская схема такого полупроводника приведена на рис. 10.2, в. При ус-
ловии Фп > Фм, т. е. если работа выхода электрона из металла
меньше работы выхода из дырочного полупроводника, то образуется
запирающий слой (рис. 10.2, г).
Представляет интерес контакт полупроводника с металлом в слу-
чае большой контактной разности потенциалов. При большой разности
работ выхода электрона из металла и полупроводника в приконтакт-
ном слое полупроводника может произойти смена механизма проводи-
мости полупроводника.
Энергетические диаграммы контакта металл — полупроводник при
большой контактной разности потенциалов приведены на рис. 10.3. Если
работа выхода из металла существенно больше, чем из электронного
полупроводника (Фм > Фп), то искривление энергетических зон
приконтактного слоя может быть таким, как показано на рис. 10.3, а,
потолок валентной зоны Wv может приблизиться к уровню Ферми W?
настолько, что расстояние от потолка валентной зоны до уровня Ферми
будет меньше, чем расстояние от уровня Ферми до дна зоны проводи-
73
мости Wc, Такая энергетическая диаграмма характерна для дырочного
полупроводника. Дырочный механизм электропроводности в электрон-
ном полупроводнике возникает за счет того, что при обеднении прикон-
тактного слоя основными носителями заряда — электронами их
концентрация здесь становится меньше концентрации дырок. Этот слой
называют инверсным.
В рассмотренном случае на некотором расстоянии от контакта
всегда будет иметь место слой, для которого расстояния от потолка
валентной зоны и от дна зоны проводимости до уровня Ферми одина-
ковы и равны половине ширины запрещенной зоны. В этом слое,
как и в собственном полупроводнике, концентрации электронов и
дырок равны. Он является границей между областями п- и р-типов
электропроводности в полупроводнике.
Инверсный слой можно получить и в дырочном полупроводнике,
если работа выхода электрона из металла существенно меньше работы
Рис. 10.4. Энергетическая диаграмма
контакта металл — электронный полу-
проводник при приложении внешнего
напряжения:
а— прямого; б — обратного
выхода из дырочного полупровод-
ника (рис. 10.3, б).
Рассмотрим свойства контакта
металл—электронный полупровод-
ник, когда Фм > Фп.
В отсутствие внешнего элект-
рического поля потоки электронов
из полупроводника в металл и из
металла в полупроводник одинако-
вы. Соответствующие им токи рав-
ны между собой:
Л — Л — Л*
При приложении к системе
металл—полупроводник внешней
разности потенциалов U с полярностью, противоположной полярности
контактной разности потенциалов потенциальный барьер контакта
снизится на величину eU (рис. 10.4, а) и, следовательно, увеличится
поток электронов из полупроводника в металл. Ток, соответствующий
этому потоку, увеличится в exp (eU/kT) раз и будет равен Лехр (eU/kT),
так как согласно закону Больцмана барьер высотой (еС7к—eU) пре-
одолевается в exp (eU/kT) раз большим числом электронов, чем барьер
высотой eUK.
Ток, протекающий через контакт,
Inp = Isexp(eU/kT)-Is = ls(exp -1) (10.1)
называют прямым током.
Если напряженность внешнего электрического поля, приложенного
к системе металл—полупроводник, имеющей запирающий слой, сов-
падает по направлению с напряженностью электрического поля кон-
тактной разности потенциалов, то потенциальный барьер на контакте
повысится (рис. 10.4, б) и соответственно поток электронов из полупро-
водника в металл уменьшится в exp (eU/kT) раз.
74
Ток, протекающий в этом случае через контакт,
^обр — Л [ехР (
(10.2)
называют обратным.
В соответствии с (10.1) и (10.2) уравнение статической вольт-ам-
перной характеристики может быть записано в следующем виде:
/ = /,[ехр(±^)-1]. (10.3)
Формула (10.3) справедлива
слоя, когда можно считать, что
носители тока, проходя его, не
испытывают столкновений.
Вольт-амперная характери-
стика контакта металл—полу-
проводник приведена на рис.
10.5.
§ 10.3. Контакт электронного
и дырочного полупроводников.
Свойства электронно-дырочного
перехода
для случая тонкого запирающего
Рис. 10.5. Вольт-амперная характери-
стика контакта металл — полупроводник:
I — для тонкого, запирающего слоя; 2—для
толстого
Если полупроводник в одной
своей части обладает электрон-
ной, а в другой—дырочной элек-
тропроводностью, то границу между этими областями называют элек-
тронно-дырочным переходом, или р-п-переходом.
Создать р-п-переход механически путем соприкосновения двух
полупроводников с различным типом электропроводности невозможно.
Электронно-дырочные переходы получают в результате введения в по-
лупроводник донорной и акцепторной примесей таким образом, чтобы
одна часть полупроводника обладала электронной, а другая дырочной
электропроводностью.
Модели полупроводников с электронной и дырочной электро-
проводностью представлены на рис. 10.6, а. Основные носители заряда
в полупроводнике п-типа — электроны — на рисунке обозначены
знаком минус. Ионизированные атомы донорной примеси, будучи струк-
турными элементами, не принимают участия в электропроводности.
На рисунке они обозначены знаком плюс в кружке. Дырки, которые
в электронном полупроводнике также имеют место, на рисунке не
изображены, потому что они являются неосновными носителями заряда
и концентрация их по сравнению с концентрацией электронов неве-
лика. Аналогичные обозначения сделаны и для дырочного полупро-
водника.
Условно будем считать, что полупроводники м- и p-типа приведены
в идеальное соприкосновение (рис. 10.6, б). Так как в n-области много
электронов, а в p-области их мало, и, наоборот, дырок много в р-об-
75
ласти и мало в «-области, в первоначальный момент соприкосновения
этих областей за счет градиента концентраций будет наблюдаться
диффузия электронов из «-области в p-область и диффузия дырок из
p-области в «-область. Электрон, продиффундировавший в р-область,
где концентрация дырок велика, рекомбинирует с дыркой, так как
вероятность рекомбинации электрона пропорциональна концентра-
п
©_©_©_©
©_©_©_©
©_©_©_©
©_©_©_©
® © © ©
Рис. 10.6. Распределение носителей заряда, энергетические зоны в
полупроводнике при наличии в нем контакта р- и «-областей:
а — до контакта; бив — контакт при U = 0; г — внешнее поле понижает
потенциальный барьер; д — внешнее поле повышает потенциальный барьер
ции дырок. То же самое будет и с дыркой, попавшей в «-область, где
концентрация электронов велика. В результате этого в «-области
у границы раздела полупроводников с различным типом электропро-
водности останутся нескомпенсированные ионы донорной примеси,
которые создадут объемный положительный заряд. В p-области не-
скомпенсированными окажутся ионы акцепторов, которые создадут
у границ раздела объемный отрицательный заряд.
76
Таким образом, область раздела полупроводников п- и р-типа
окажется обедненной свободными носителями заряда. Эту область
называют истощенным или обедненным слоем. Она, собственно, и со-
ставляет толщину р-п-перехода.
Образовавшийся положительный объемный заряд нескомпенсиро-
ванных ионов донорной примеси будет препятствовать дальнейшей
диффузии дырок из p-области в n-область. Отрицательный объемный
Рис. 10.7. Вольт-амперная ха-
рактеристика электронно-дыроч-
ного перехода
заряд ионов акцепторной примеси препятствует диффузии электронов
в p-область, т. е. нескомпенсированные
ионы примеси создают на границе разде-
ла для основных носителей заряда по-
тенциальный барьер, преодолеть кото-
рый могут только те основные носители,
которые обладают достаточной кинетиче-
ской энергией (рис. 10.6, в).
В равновесное состояние система при-
ходит при условии равенства потоков
свободных носителей заряда, вызван-
ных градиентом их концентраций и
электрическим полем объемного за-
ряда.
Если к р-п-структуре приложить
внешнее напряжение плюсом на п-об-
ласть и минусом на p-область, то высота потенциального барьера
увеличится (рис. 10.6, д) и ток через р-п-переход, если не учиты-
вать генерацию свободных носителей заряда в нем, будет определяться
током неосновных носителей, величина которого не зависит от высоты
потенциального барьера. Обозначим его через Is. Ток, протекающий
через р-п-переход при указанной полярности внешнего напряжения,
называют обратным током. При смене полярности внешнего напря-
жения высота потенциального барьера для основных носителей заряда
уменьшится (рис. 10.6, г). При внешнем напряжении, равном (/, с уче-
том того, что практически все напряжение падает на обедненном
слое, количество основных носителей заряда, которые могут преодо-
леть потенциальный барьер, увеличится в exp (eU/kT) раз. Ток неос-
новных носителей заряда останется тем же. Полный ток, протекающий
через р-п-переход, в этом случае будет
/ = ls exp — 11.
(Ю.4)
При комнатной температуре kT/e = 25 мВ. Поэтому при внешних
напряжениях, больших 0,1 В, единицей по сравнению с экспонентой,
равной не менее е4, можно пренебречь. Тогда ток, протекающий через
р-п-переход, будет равен / = Лехр (eU/kT). Его называют прямым
током р-п-перехода.
Статическая вольт-амперная характеристика электронно-дыроч-
ного перехода представлена на рис. 10.7.
77
§ 10.4. Гетеропереходы
Гетеропереходом называют электрический переход при
контакте двух полупроводников, имеющих различную ширину запре-
щенной зоны. Гетеропереход может быть осуществлен на основе полу-
проводников с разным типом
электропроводности (р-п-пере-
ход), а также на основе полупро-
водников с одним типом электро-
проводности (например, п-п-
переходы) (рис. 10.8, а и б).
Несмотря на определенные
п 1Л о о трудности, современные техноло-
Рис. 10.8. Энергетическая диаграмма гете- к
ропереходов р-п (а) и п-п (б) при отсутст- гические методы позволяют по-
вии внешнего напряжения лучать такие переходы. Для того
чтобы гетеропереход обладал не-
обходимыми характеристиками, кристаллические решетки полупро-
водников, на основе которых создается гетеропереход, должны иметь
близкие параметры.
Из рис. 10.8, а и б видно различие потенциальных барьеров для
электронов и дырок, которые возникают на контакте двух полупровод-
ников с неодинаковой шириной запрещенной зоны,
Глава 11
ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРОЦЕССЫ
НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
§ 11.1. Поверхностные энергетические уровни
Наличие у реальных кристаллов полупроводников конечных раз-
меров приводит к обрыву кристаллической решетки на поверхности.
Происходящие при этом явления качественно можно проиллюстриро-
вать на примере идеального кристалла беспримесного германия
или кремния. В результате обрыва кристаллической решетки у атомов,
расположенных в поверхностном слое кристалла, не все ковалентные
связи будут завершены. Это означает, что поверхность кристалла
полупроводника обладает электропроводностью p-типа. Поэтому на
энергетической диаграмме поверхности полупроводника в отличие от
его объема имеются дополнительные энергетические уровни, лежащие
в запрещенной зоне. Они получили название поверхностных
уровней (состояний) или уровней Тамма.
В соответствии с числом атомов кристалла, приходящихся на
единицу поверхности, плотность уровней Тамма должна составлять
порядка 1019 м'2. При такой высокой плотности энергетических уров-
ней возможно их расщепление в поверхностную зону. Так как поверх-
ностные уровни (или зоны) имеются только на энергетической диа-
грамме поверхности, то заряды, находящиеся на этих уровнях (в зо-
78
нах), локализованы на поверхности. Поэтому при образовании поверх-
ностной зоны движение электронов, находящихся в ней, осуществимо
лишь в поверхностном слое кристаллов.
В действительности рассмотренная ситуация на поверхности реаль-
ных полупроводников обычно не наблюдается из-за наличия на ней
тонкого слоя оксида, адсорбированных атомов, примеси, дислокаций
и др., которые так же, как и обрыв кристаллической решетки, обуслов-
ливают образование поверхност-
ных уровней на энергетической
диаграмме. Эти уровни могут
быть как донорными (рис. 11.1 ,а),
так и акцепторными. Время пе-
рехода носителей заряда на по-
верхностные уровни полупровод-
ника порядка 10'8 с, поэтому их
называют быстрыми состояния-
ми.
Рис. 11.1. Поверхностные уровни:
Кроме того, при наличии на W$ — быстрые состояния; W$t — медленные
поверхности полупроводника ОК- состояния
сидной пленки на энергетической
схеме ее поверхности также имеются поверхностные уровни WS1 (рис.
11.1, б), время перехода свободных носителей заряда на которые со-
ставляет от 10'3 с до нескольких суток. Длительность перехода на
эти уровни объясняется тем, что для прохождения электрона через
оксидную пленку необходимо значительное время. Такие уровни на-
зывают медленными состояниями.
Поверхностная рекомбинация, очевидно, осуществляется через
быстрые состояния, так как время перехода свободных носителей
заряда на медленные уровни слишком велико.
§ 11.2. Приповерхностный слой объемного заряда
Поверхностные уровни в зависимости от их природы могут зах-
ватывать электроны или дырки, которые в результате этого оказы-
ваются локализованными на поверхности полупроводника. Если,
например, поверхностные уровни захватывают электроны, то поверх-
ность полупроводника становится заряженной отрицательно, а в при-
поверхностном слое в силу электростатического взаимодействия
локализованных на поверхности электронов с носителями заряда
в объеме полупроводника возникает пространственный положительный
заряд. Появление пространственного заряда приводит к возникнове-
нию электрического поля в этом слое и соответственно к искривлению
энергетических зон.
Толщина слоя пространственного заряда зависит от плотности
поверхностных уровней и от концентрации свободных носителей за-
ряда в полупроводнике. При плотности поверхностных уровней по-
рядка 1016 м"2 и концентрации свободных носителей заряда 1022 м"3
область пространственного заряда в полупроводнике распространится
на глубину около Ю"6 м.
79
Процессы, которые происходят в полупроводнике при локализа-
ции на его поверхности заряда, зависят от типа этого заряда, от плот-
ности поверхностных состояний, механизма и величины удельной
электрической проводимости полупроводника.
В рассматриваемом случае, когда поверхностные состояния захва-
тывают электроны, а полупроводник обладает электронной электро-
проводностью, его приповерхностный слой обедняется основными но-
сителями заряда (рис. 11.2, а). В этом слое результирующий положи-
тельный заряд определяется главным образом нескомпенсированными
положительными ионами донорной примеси.
Если плотность поверхностных состояний велика, то изгиб энер-
гетических зон может быть настолько большим, что уровень Ферми
Рис. 11.2. Образование приповерхностного слоя объемного заряда
окажется ближе к потолку валентной зоны, чем к дну зоны проводи-
мости (рис. 11.2, б). Это означает, что приповерхностный слой обладает
электропроводностью p-типа. Такой слой получил название инверс-
ного слоя (подобное явление было рассмотрено в § 10.2). Смена
типа электропроводности у полупроводника в приповерхностном слое
происходит из-за сильного обеднения этого слоя основными носите-
лями заряда, поэтому концентрация неосновных носителей (дырок)
становится больше концентрации электронов.
При локализации электронов на поверхности полупроводника,
обладающего дырочной электропроводностью, поле поверхностного
заряда притягивает основные носители и приповерхностный слой обо-
гащается ими (рис. 11.2, в). Аналогичные явления наблюдаются при
захвате поверхностными уровнями дырок.
Таким образом, наличие поверхностных уровней приводит к обо-
гащению или обеднению приповерхностного слоя полупроводника
основными носителями заряда, а при определенных условиях и к об-
разованию инверсного слоя.
§ 11.3. Эффект поля
Искривление энергетических зон, изображенное на рис. 11.2,
может быть достигнуто и с помощью внешнего электрического поля,
если полупроводник является одной из обкладок конденсатора. При
80
приложении к такому конденсатору внешнего напряжения на поверх-
ностях металла и полупроводника возникают разноименные заряды.
У металлов благодаря высокой плотности электронов заряд локали-
зуется на поверхности, а у полупроводников как на поверхности, так
и в приповерхностном слое.
В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения
и от типа электропроводности полупроводника его приповерхностный
слой будет обедняться или обогащаться свободными носителями
заряда.
В режиме обеднения при высоких внешних напряжениях воз-
можно образование инверсного слоя. Вследствие изменения концен-
трации свободных носителей заряда в приповерхностном слое полупро-
водника под действием внешнего
перпендикулярного к поверхности
электрического поля изменяется его
проводимость. Это явление получило
название эффекта поля.
Экспериментальная кривая зави-
симости изменения поверхностной
удельной электрической проводимости
полупроводника от значения внешней
разности потенциалов приведена на
рис. 11.3. При полярности внешней
разности потенциалов, соответствую-
щей обогащению приповерхностного
Рис. 11.3. Зависимость изменения
поверхностей удельной электриче-
ской проводимости полупроводни-
ка от внешней разности потенциа-
лов
слоя основными носителями заряда, с
увеличением напряженности внешне-
го электрического поля проводи-
мость приповерхностного слоя увели-
чивается. Поэтому Ду положительной
растет. При обратной полярности у с
увеличением напряженности внешнего
электрического поля уменьшается (Ду — отрицательно); затем проис-
ходит изменение типа электропроводности — образуется инверсный
слой. При дальнейшем увеличении напряженности внешнего поля
проводимость возрастает, оставаясь меньше исходной, т. е. той, кото-
рая наблюдается в отсутствие внешнего напряжения, затем по вели-
чине она становится равной исходной (Ду = 0), но обусловленной сво-
бодными носителями заряда противоположного знака.
Положение минимума этой кривой зависит от рода примеси и
степени легирования полупроводника. Чем больше его исходная про-
водимость, тем выше должна быть внешняя разность потенциалов,
при которой возникает инверсный слой.
Структуру металл — диэлектрик — полупроводник сокращенно на-
зывают МДП-структурой. Если в качестве диэлектрика применяют
оксид, то в целях конкретизации, ее называют МОП-структурой.
Эффект поля лежит в основе принципа работы МДП-транзисто-
ров.
81
Глава 12
ОПТИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
§ 12.1. Поглощение света полупроводниками
Вследствие отражения и поглощения света полупроводником
интенсивность падающего на него монохроматического излучения /0
уменьшается до некоторой величины /. В соответствии с законом
Бугера—Ламберта
1 = /0(1 — 7?)ехр (—ах), (12.1)
где R — коэффициент отражения; х — расстояние от поверхности
полупроводника до данной точки вдоль луча; а — коэффициент погло-
щения.
Величина а'1 равна толщине слоя вещества, при прохождении
через который интенсивность света уменьшается в е раз. Поглощение
света полупроводником может быть связано с различными процессами:
возбуждением электронов из валентной зоны в зону проводимости,
изменением колебательной энергии атомов решетки и др. Каждому
из этих процессов будет соответствовать поглощение света полупро-
водником в определенной области спектра.
Если поглощение света полупроводником обусловлено переходами
электронов из валентной зоны в зону проводимости за счет энергии
кванта излучения, то поглощение называют собственным.
Пусть Wa и Wb — значения энергии электрона до и после взаимо-
действия с электромагнитным полем излучения. Тогда в соответствии
с законом сохранения энергии и законом сохранения квазиимпульса
или волнового вектора
r,= IFa + Av; (12.2)
к* = ка + кф, (12.3)
где kfl и — волновые векторы электрона в начальном и конечном
состояниях; кф — волновой вектор фотона.
Волновой вектор фотона по меньшей мере на два порядка меньше
волнового вектора электрона, поэтому в выражении (12.3) им можно
п ре не б ре чь, отсюда
k6 = ka. (12.4)
Это означает, что в процессе взаимодействия электрона с полем
излучения возможны только такие переходы, при которых волновой
вектор электрона сохраняется. На рис. 7.9 эти переходы обозначены
стрелкой. Их называют вертикальными или прямыми переходами.
При таких переходах возбуждение электрона из валентной зоны в зону
проводимости осуществляется лишь при участии фотона. Переходы,
в которых наряду с поглощением фотона часть энергии перехода вос-
полняется за счет энергии кристаллической решетки, или, наоборот,
отдается кристаллической решетке, получили название непрямых
оптических переходов.
82
На рис. 12.1 изображена зонная структура для полупроводника,
волнового
у которого минимуму энергии в зоне проводимости и максимуму энер-
гии в валентной зоне соответствуют различные значения
вектора. Прямые оптические переходы обо-
значены стрелкой 1. В этом случае прямые
оптические переходы уже не связаны с ми-
нимальным значением энергии фотона для
переходов электронов из валентной зоны
в зону проводимости. Для осуществления
непрямого оптического перехода электрона
из валентной зоны в зону проводимости,
обозначенного на рис. 12.1 стрелкой 2,
необходима энергия меньшая, чем для пря-
мого перехода. Переход 2 происходит без
сохранения квазиимпульса электрона. В
соответствии с законом сохранения импуль- _______________________
са, решетке необходимо компенсировать о
изменение импульса. Это достигается путем рИСе 12.1. Прямые (/) и не-
поглощения или испускания фонона. прямые (2) межзонные пере-
На рис. 12.2 приведен спектр поглоще- Х°ДЫ
ния германия, у которого наблюдаются
как прямые, так и непрямые оптические переходы. При комнатной
температуре началу прямых переходов соответствует энергия 0,81 эВ,
началу непрямых переходов — 0,62 эВ.
У ряда полупроводников за счет поглощения кванта света возможно
такое возбуждение электрона валентной зоны, которое не сопровож-
Рис. 12.2. Спектр поглощения герма-
ния (при комнатной температуре)
дается переходом его в зону про-
водимости, а образуется связанная
система электро н—д ы р-
к а, перемещающаяся в пределах
кристалла, как единое целое. Эту
систему называют экситоном.
Движение экситона представ-
ляет собой движение возбужденного
состояния. Если для простоты рас-
смотрения электрону и дырке при-
писать скалярные эффективные мас-
сы, то описание экситона сводится
к «водородоподобной» задаче о дви-
жении двух частиц под действием
взаимного кулоновского притяже-
ния. В соответствии с этим энерге-
тический спектр экситона должен
состоять из системы дискретных
уровней подобно тому, как это имеет
место в случае водородного атома, а спектр его поглощения должен
быть водородоподоб 1ым и находиться вблизи края собственного по-
глощения. Иллюстрирует этот случай спектр экситонного поглоще-
ния кристаллов закиси меди, изображенный на рис. 12.3. Теория
83
показывает, что спектр поглощения экситона может быть и не водо-
родоподобным.
В случае, когда электроны
Рис. 12.3. Спектр экситонного погло-
щения Си2О при температуре жидко-
го гелия
зоны проводимости и электроны не
полностью заполненной валентной
зоны за счет света переходят внутри
зоны с одного уровня на другой,
происходит поглощение света свобод-
ными носителями заряда. Это по-
глощение пропорционально концен-
трации свободных носителей заря-
да, квадрату длины волны падаю-
щего света и обратно пропорцио-
нально подвижности носителей.
Если энергетические зоны у полу-
проводника сложные, то поглоще-
ние свободными носителями заря-
да, например дырками в германии,
может быть вызвано также и пе-
реходами дырок между отдельными
подзонами сложной валентной зо-
ны. Эти переходы происходят с
соблюдением закона сохранения волнового вектора. В спектрах
поглощения они проявляются в виде максимумов (рис. 12.4).
Оптическое поглощение полупроводника, обусловленное взаимо-
действием излучения с колебательным движением кристаллической
решетки, называют решеточным.
Независимо от механизма взаимо-
действия между полем излучения и
фононами процесс поглощения под-
Рис. 12.5. Спектр поглощения ко-
лебаниями кристаллической решет-
ки в германии
Рис. 12.4. Поглощение свобод-
ными носителями заряда в гер-
мании и- и р-типа
чиняется закону сохранения энергии и волнового вектора. Решеточное
поглощение обнаруживается в виде пиков поглощения, которые
обычно накладываются на абсорбцию свободных носителей заряда
(рис. 12.5),
84
При наличии в полупроводнике примеси его оптическое поглоще-
ние может быть связано с ионизацией примеси или возбуждением
электрона нейтральной примеси в кристалле. Это поглощение назы-
вают примесным. При ионизации примеси энергия поглощенного кван-
та света расходуется на переход элек-
тронов с донорных уровней в зону
проводимости и из валентной зоны на
акцепторные уровни, что в спектре по-
глощения проявляется в виде примес-
ной полосы поглощения. Если при
освещении полупроводника светом
происходит переход электрона приме-
си из основного состояния в возбуж-
денное, то наблюдается линейчатый
спектр поглощения. В случае, когда до-
норные уровни находятся вблизи дна
Рис. 12.6. Спектр поглощения ато-
мов бора в кремнии
зоны проводимости, примесное погло-
щение, обусловленное переходами электронов примеси из основного со-
стояния в возбужденное или в зону проводимости, должно находиться
в далекой инфракрасной области спектра и экспериментально может
наблюдаться лишь при низких температурах, когда большая часть
атомов примеси не ионизована. То же самое можно сказать и о спектре
поглощения акцепторной примеси. На рис. 12.6 изображен спектр
примесного поглощения бора в кремнии.
§ 12.2. Фотопроводимость
Удельная электрическая проводимость полупроводника в отсут-
ствие внешнего воздействия на него, в том числе и света, опреде-
ляется равновесной концентрацией свободных носителей заряда п0
и р0, генерируемых за счет тепловой энергии решетки
При освещении полупроводника концентрация свободных носите-
лей заряда в нем может возрасти за счет носителей, возбужденных
поглощенными квантами света. При оптическом возбуждении электро-
нов из валентной зоны в зону проводимости возникает пара свободных
носителей — электрон и дырка. Если за счет света происходит переход
электронов из валентной зоны на примесные уровни или с примесных
уровней в зону проводимости, образуются свободные носители одного
знака — дырки или электроны. В соответствии с увеличением концен-
трации свободных носителей заряда в полупроводнике за счет облуче-
ния его светом возрастает и его удельная проводимость
Т = Фл(По + А«)+фр(Ро + дР)> (12.5)
где Ди и Др — концентрация неравновесных носителей заряда, воз-
бужденных светом.
Освещение полупроводника светом не приводит к бесконечному
росту концентрации неравновесных носителей заряда, так как по мере
85
роста концентрации свободных носителей и числа свободных мест
на примесных уровнях растет вероятность рекомбинации. Наступает
Рис. 12.7. Спектр поглощения полу-
проводника и спектральное распреде-
ление фоточувствительности:
/ — собственное поглощение; 2 — примес-
ное поглощение; 3, 4 — фототок
момент, когда рекомбинация урав-
новесит процесс генерации свобод-
ных носителей. Избыточная (нерав-
новесная) удельная проводимость,
равная разности удельных электри-
ческих проводимостей полупровод-
ника при освещении у и в отсутст-
вие освещения у0, называется удель-
ной фотопроводимостью
Однако, как видно из рис. 12.7,
Тф = V - То = е (Ьп\кп + Дрцр).
Спектральная зависимость фото-
проводимости, очевидно, должна
соответствовать спектру поглоще-
ния полупроводника (рис. 12.7).
в области края собственного поглоще-
ния наблюдается не только длинноволновый (как у поглощения),
но и коротковолновый спад фотопро-
водимости.
Этот спад объясняется тем, что при
hv^AU^o коэффициент поглощения
очень велик и весь свет практически
поглощается в очень тонком поверх-
ностном слое. Таким образом, высо-
кая концентрация свободных носите-
лей заряда возникает в слое, где время
их жизни меньше, чем в объеме полу-
проводника. Из-за наличия в при-
поверхностном слое большого числа
дефектов уменьшается по сравнению
с объемными не только время жизни
свободных носителей заряда, но и их
подвижность. В силу этого при осве-
щении полупроводника светом с ча-
стотой v A WQ/h обычно не наблю-
дается заметной фотопроводимости.
Без учета рекомбинации при освещении полупроводника
угольным импульсом света, генерирующим в единице объема
ницу времени в зону проводимости N электронов,
Рис. 12.8. Изменение фотопроводи-
мости полупроводника при освеще-
нии его прямоугольным импульсом
света
прямо-
за еди-
dAn
dt
(12.6)
где Дп = п — п0.
Если время жизни свободных электронов в полупроводнике равно т,
то в единицу времени число электронов в зоне проводимости умень-
шается на кп/т..
86
Изменение концентрации избыточных носителей заряда с учетом
рекомбинации
= (12.7)
dt т ' '
Решение уравнения (12.7) имеет вид
А/г = Апст[1 — ехр (—//т)], (12.8)
где А/гст = N't.
Из (12.6) и (12.8) следует, что
я = Ло +Апст[1 — ехр (—//г)]. (12.9)
После прекращения освещения У = 0 и уравнение (12.7) примет
вид
= (12.10)
с начальным условием Дм = Дпст при t = О
или
я = п0 + AftCT ехр (—//т), (12.11)
т. е. после прекращения освещения концентрация свободных электро-
нов экспоненциально уменьшается до равновесной.
Если учитывать равенство подвижностей равновесных и неравно-
весных электронов, то изменение фотопроводимости при освещении
полупроводника прямоугольным импульсом будет происходить по
тем же законам, что и концентрация свободных носителей заряда
(рис. 12.8).
§ 12.3. Люминесценция полупроводников
В § 12.1 было показано, что при освещении полупроводника элек-
троны могут переходить из состояний с меньшей энергией в состояния
с большей энергией. При обратном переходе электрона из верхнего
состояния в нижнее освободившаяся энергия при определенных
условиях также может быть выделена в виде кванта света. Такое све-
чение вещества не является тепловым (равновесным). Среди неравно-
весных излучений, к которым относятся отражение, тормозное излу-
чение, излучение Вавилова—Черенкова и другие с длительностью
порядка 10~15 с (они практически безынерционны), особое место зани-
мает люминесценция. Согласно определению С. И. Вавилова, люминес-
ценция есть избыток над температурным излучением тела в том слу-
чае, если это избыточное излучение обладает длительностью, значи
тельно превышающей период световых колебаний.
В зависимости от способа возбуждения вещества различают:
фотолюминесценцию (возбуждение светом), катодолюминесценцию (при
бомбардировке вещества электронами), электролюминесценцию (свече-
ние под действием электрического поля) и др. (см. § 24.7),
87
Явления люминесценции делятся на спонтанные, метастабильные и
рекомбинационные.
Если излучение происходит в результате перехода примесного
центра из возбужденного состояния в основное, то люминесценцию
называют спонтанной или метастабильной в зависимости от того са-
мопроизвольно (спонтанно) или под действием внешних факторов про-
Рис. 12.9. Однокоординатная модель
центра свечения
исходит излучение.
Рассмотрим схему примесного центра свечения в однокоорди-
натной модели (рис. 12.9), в которой энергия примесного центра
является функцией так называемого конфигурационного параметра г.
Для двухатомной молекулы г означает расстояние между ядрами.
В общем случае г имеет смысл
усредненного расстояния между яд-
рами. В результате взаимодействия
центра свечения с полем кристалли-
ческой решетки его энергетические
уровни становятся квазимолеку-
лярными. На рис. 12.9 кривые 1ГВ
и 1Г0 изображают потенциальную
энергию возбужденного и основ-
ного (невозбужденного) состояний
центра.
Пусть электрон, поглотив квант
света /п>погл, переходит из состоя-
ния 1Г10, соответствующего основ-
ному состоянию при Т = 0, в воз-
бужденное состояние 1Г2в, соответ-
ствующее температуре, отличной от
нуля. За время порядка 10"13—10-12 с электрон «остынет», отдав изли-
шек энергии кристаллической решетке в виде фонона и перейдет
в состояние №1В. Из этого состояния в основное электрон возвращается
(Г1В ^2о)> выделяя квант света с энергией Согласно рисунку
AvnorJI > /™изл, т- е- полоса излучения относительно полосы поглоще-
ния оказывается смещенной в длинноволновую часть спектра.
При достаточно высокой температуре полупроводника энергия
электрона в возбужденном состоянии может оказаться выше Wc
и тогда электрон в основное состояние «скатывгется» вниз по кривой IFO
безызлучательно с испусканием фононов. В силу этого интенсивность
люминесценции с повышением температуры уменьшается. Это явление
называют температурным тушением люминесценции.
Если излучение полупроводника возникает в результате непосред-
ственной рекомбинации электрона с дыркой или рекомбинации через
локальный центр, то излучение называют рекомбинационным. Веще-
ства, обнаруживающие рекомбинационную люминесценцию, называют
криспгаллофдрами или просто фосфорами. Практически все типичные
фосфоры являются полупроводниками.
Механизм рекомбинации свободных носителей заряда в полупро
водниках описан в § 8.4. На рис. 12.10, а изображена энергетическая
схема прямой излучательной рекомбинации, при которой рекомбина-
88
ция электрона и дырки с равными и противоположно направленными
квазиимпульсами сопровождается излучением кванта света с энергией,
равной полной энергии реком-
бинации. Такая межзонная ре-
комбинация, как указывалось в
§ 8.4, реализуется редко.
Обычно в процессе рекомби-
национного излучения участвуют
примесные (мелкие и глубокие)
уровни. Рекомбинация с участием
двух мелких примесных уровней,
когда захват электрона и дырки
на локальные уровни происхо-
дит безызлучательно (переходы
1 и 2), а рекомбинация (пере-
ход 3) излучательно, иллюстри-
руется рис. 12.10, б.
Рекомбинация с участием глу-
боких примесных уровней (до-
норных и акцепторных), когда
излучательный переход 3 осуще-
ствляется между краем одной
зоны (реально между мелким
уровнем или примесной зоной)
и глубоким уровнем, расположен-
ным ближе к границе другой зо-
ны, показана на рис. 12.10, виг.

\ И7
О vvv
----
----te---------------
В) J
2 щ
Рис. 12.10. Излучательные и безызлу-
чательные переходы в полупроводни-
ках
Нз—
Кроме того, рекомбинационное излучение может наблюдаться и
при экситонной рекомбинации.
Глава 13
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
И ЭФФЕКТ ХОЛЛА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
§ 13.1. Термоэлектрические явления
К важнейшим термоэлектрическим явлениям в полупроводниках
относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона.
Эффект Зеебека (термоэлектрический эффект) состоит в воз-
никновении э. д. с. в электрической цепи, состоящей из последова-
тельно соединенных разнородных полупроводников или полупровод-
ника и металла, если температуры контактов различны.
89
Рассмотрим механизм образования термо-э. д. с. на примере одно-
родного полупроводника. Пусть один из концов полупроводника
нагрет больше, чем второй. Свободные носители заряда у горячего
конца будут иметь более высокие энергии и скорости, чем у холодного.
Кроме того, благодаря значительной зависимости концентрации сво-
бодных носителей заряда в полупроводнике от температуры у горя-
чего конца концентрации свободных носителей заряда окажется боль-
ше, чем у холодного. В силу этих причин поток свободных носителей от
горячего конца к холодному будет больше, чем от холодного к горя-
чему. Если концентрация свободных электронов и дырок в полупро-
воднике или их подвижности неодинаковы, то концы полупроводника
окажутся противоположно заряженными. Состояние равновесия насту-
пит при равенстве потока свободных носителей заряда, обусловленного
градиентом температур, потоку, обусловленному действием электриче-
ского поля, возникшего в результате разделения зарядов. Установив-
шуюся в состоянии равновесия термо-э. д. с. называют объемной
термо-э. д. с.
Термо-э. д. с., отнесенную к единичной разности температур,
называют дифференциальной термо-э. д. с. Обозначим ее через а.
В соответствии с формулой Н. Л. Писаренко
1
- Wp
(13.1)
В этом выражении учитывается вклад, вносимый в термо-э. д. с.
электронами и дырками.
В электронном полупроводнике основными носителями заряда,
как известно, являются электроны, поток их от горячего конца к хо-
лодному будет больше, чем от холодного к горячему. В результате
этого на холодном конце будет накапливаться отрицательный заряд,
на горячем оставаться нескомпенсированный положительный. Возник-
шее электрическое поле будет вызывать поток электронов от холодного
конца к горячему. Стационарное состояние установится при равенстве
этих потоков. У дырочного полупроводника на холодном конце воз-
никнет положительный заряд. Таким образом, по знаку термо-э. д. с,
можно судить о типе электропроводности полупроводника.
При низких температурах в чистых веществах при наличии гра-
диента температур проявляется эффект увлечения электронов фоно-
нами, движущимися от нагретого конца к холодному. Электронно-
фононное увлечение приводит к образованию дополнительной термо-
э. д. с., которая значительна лишь при низких температурах.
При нагреве р-п-перехода в области пространственного заряда под
действием тепла происходит тепловая генерация пары носителей за-
ряда — электрона и дырки. Электрическим полем р-п-перехода элек-
троны и дырки увлекаются в ту область, в которой они являются основ-
ными носителями, т. е. электроны в n-область, дырки в p-область, за-
ряжая их соответственно отрицательно и положительно. Возникшую
90
Рис.
ного
13.1. Схема контакта электрон-
полупроводника с металлом, по-
ясняющая эффект Пельтье
э. д. с. называют контактной термо-э. д. с. Контактная и объемная
термо-э. д. с. противоположно направлены.
Эффект, обратный явлению Зеебека, называют эффектом
Пельтье (электротермическим эффектом Пельтье). Он состоит
в том, что при прохождении тока через контакт двух разнородных
полупроводников или полупроводника и металла происходит погло-
щение или выделение тепла в зависимости от направления тока.
Рассмотрим контакт металл — электронный полупроводник
(рис. 13.1). Если напряженность внешнего электрического поля на-
правлена так, как изображено на рис. 13.1, то прохождение электри-
ческого тока через контакт будет
связано с переходом электронов из
полупроводника в металл. Однако
энергия электронов в зоне проводи-
мости полупроводника больше, чем
у электронов проводимости в ме-
талле. Поэтому электроны, пере-
ходя из полупроводника в металл,
избыток энергии передадут кри-
сталлической решетке в области
контакта. В результате этого пе-
реход электронов из полупровод-
ника в металл будет сопровождать-
ся выделением тепла на контакте
и его нагревом.
При противоположном направле-
нии напряженности внешнего элек-
трического поля прохождение электрического тока будет связано с пере-
ходом электронов из металла в полупроводник, т. е. с уровней с мень-
шей энергией на уровни с большей энергией. Энергию, необходимую
для этого, электроны получают от кристаллической решетки в области
контакта, что приводит к его охлаждению.
Количество тепла, выделяющегося или поглощающегося при эффек-
те Пельтье, пропорционально плотности тока и времени его прохож-
дения:
<2п=/7Л,
(13.2)
где Qn — теплота Пельтье; J — плотность тока, проходящего через
контакт; t — время прохождения тока; П — коэффициент Пельтье,
зависящий от природы контактирующих материалов, температуры и
направления тока.
Эффект Томсона состоит в том, что при пропускании тока
через проводник, вдоль которого имеется градиент температуры, в до*
полнение к теплоте Джоуля в объеме проводника в зависимости от на1
правления тока выделяется или поглощается некоторое количество
тепла. Эффект Томсона в полупроводнике объясняется тем, что при на-
личии в нем градиента температуры возникает термо-э. д. с. Если на-
правление напряженности возникшего электрического поля совпадает
с направлением напряженности внешнего поля, то не вся энергия,
91
поддерживающая ток, обеспечивается внешним источником, часть
работы совершается за счет тепловой энергии самого полупроводника,
в результате чего он охлаждается.
При смене направления напряженности внешнего электрического
поля оно будет совершать дополнительную работу, что приведет к выде-
лению тепла, дополнительного к теплоте Джоуля.
Теплота Томсона QT пропорциональна плотности тока J, времени t
и перепаду температур вдоль полупроводника (Т2 — Л):
(?г = т(Т1-Т2) Jt. (13.3)
Коэффициент т называют коэффициентом Томсона.
Большая термо-э. д. с. полупроводников позволяет эффективно
использовать их в качестве термоэлектрических материалов. Выбор
полупроводника и подбор донорной и акцепторной примесей произ-
водят в соответствии с температурным диапазоном работы термоэле-
ментов, учитывая, что они работают в области примесной электропро-
водности полупроводника.
§ 13.2. Эффект Холла
Если полупроводник (или проводник), вдоль которого течет элек-
трический ток, поместить в магнитное поле, перпендикулярное направ-
возникнет поперечное электрическое
поле, перпендикулярное току и
магнитному полю. Это явление по-
лучило название эффекта
Холла, а возникающая попереч-
ная э. д. с. — э. д. с. Холл а.
На рис. 13.2 изображена пла-
стинка полупроводника п-типа,
обозначены ее размеры, а также
лению тока, то в полупроводнике
направления тока, протекающего
Рис. 13.2. Схема, поясняющая эффект через полупроводник, и магнитно-
Холла го поля. Движущиеся электроны,
создающие ток вдоль полупровод-
ника, будут отклоняться силой Лорентца в соответствии с правилом
левой руки к задней грани полупроводника. У передней грани ос-
танутся нескомпенсированные ионы донорной примеси.
Благодаря такому разделению зарядов появится поперечное элек-
трическое поле, которое будет препятствовать дальнейшему отклоне-
нию электронов к задней грани пластины. Состояние равновесия уста-
новится при равенстве силы, действующей на электроны со стороны
возникшего поперечного поля, силе Лорентца. Э. д. с. Холла, т. е.
разность потенциалов, соответствующая равновесному состоянию,
согласно опыту

(13.4)
где / — ток, протекающий по’полупроводнику; В — магнитная индук-
ция; d — толщина пластины полупроводника; R — коэффициент Холла.
92
В соответствии с рис. 13.2 поперечная разность потенциалов
Ux — bEx, (13.5)
где b — ширина пластины полупроводника; Ех — напряженность
поперечного электрического поля.
Сила Лорентца, действующая на электрон,
F = e[vB], (13.6)
где v — скорость электрона, е — в абсолютной величине. Так как
v I В, то
F = evB. (13.7)
При равновесии еЕх = —evB. Отсюда Ех = —vB, следовательно,
(4 = — bvB, (13.8)
Продольный ток
/ = nevbd,
отсюда bv = lined. Учитывая выражение (13.8), получим
Ux = —IB/ned. (13.9)
Сравнив с опытным значением (13.4), можно сделать заключение,
что
R = —l/en. (13.10)
Для дырочного полупроводника
R=l/ep. (13.11)
Формулы (13.10) и (13.11) получены без учета рассеяния свободных
носителей заряда. Расчет показывает, что при наличии рассеяния
свободных носителей заряда на тепловых колебаниях решетки для
электронного полупроводника
1.17-2-, (13.12)
а для дырочного
7?^1,17-±. (13.13)
При рассеянии на ионах примеси для электронного и дырочного
полупроводников соответственно:
R*-1,93^, (13.14)
Я~1,93 2-. (13.15)
Если полупроводник обладает электропроводностью смешанного
типа, то
Р (н₽р------Цпп) ,.q <
+ ’ (13Лб)
93
где А — коэффициент, определяемый механизмом рассеяния, равный
№ 1,17 при рассеянии на тепловых колебаниях решетки и >=«1,93
при рассеянии на ионах примеси.
Для собственного полупроводника коэффициент Холла отличен
от нуля вследствие неравенства подвижностей электронов и дырок,
концентрации которых равны (п=р=п,), поэтому в соответствии Д13.16)
П_ Л (Ир-Ил)
— еп<(Ир+Ип) '
Глава 14
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ТЕХНОЛОГИЯ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ
Настоящая глава содержит краткие сведения о наиболее распро-
страненных в практике полупроводниковых Материалах.
§ 14.1. Германий
Германий является одним из первых полупроводниковых
материалов, получивших широкое практическое применение в серий-
ном производстве различных полупроводниковых приборов. Его
используют для изготовления выпрямительных и импульсных диодов,
самых различных видов транзисторов, фотодиодов, фоторезисторов,
фототранзисторов, детекторов инфракрасного излучения, тиристоров,
счетчиков ядерных частиц, тензометров и т. д. Диапазон рабочих
температур этих приборов от —60 до +80° С.
Германий обладает решеткой типа алмаза. По внешнему виду бла-
годаря характерному блеску он напоминает металл. Его кристаллы
очень тверды и хрупки. Содержание германия в земной коре состав-
ляет 7-Ю"4 %. Добыча его затруднена тем, что в природе этот эле-
мент находится в рассеянном состоянии. Германий обычно обнаружи-
вают в виде примесей в различных минералах (0,01—0,5%). Образо-
вание руд для него не характерно. Единственная его руда — гер-
манит, но и она содержит больше меди, железа и цинка, чем германия.
Сравнительно высокая стоимость германия объясняется сложностью
получения исходного сырья.
Германий, используемый для изготовления полупроводниковых
приборов, не должен содержать случайных примесей больше 5-10'8%.
Наиболее распространенным способом очистки германия является
метод зонной плавки (§ 14.10). Электронный и дырочный тип электро-
проводности в германии создают путем легирования его соответству-
ющей примесью. Концентрация легирующей примеси обычно состав-
ляет один атом на 1010—1012 атомов полупроводника. Поэтому примесь
в германий вводят в виде лигатуры, которая является сплавом герма-
94
Таблица 14. J
Основные физические свойства германия, кремния, карбида кремния
Свойства Ge Si SiC
Плотность, кг/м3 5320 2330 3170
Постоянная решетки, А 5,66 5,43 4,36
Температура плавления, °C 937 1417 2700
Диэлектрическая проницаемость е . . . . 16,3 11,7 7,0
ДГ0, эВ (при 7 ==300К)' 0,67 1,12 3,1
Цл> М2/(В - С) 0,39 0,13 0,01
Ир, м2/(В • с) Коэффициент диффузии м2/с: 0,19 0,048 0,003
электронов 0,01 0,0035 0,0004
дырок 0,0049 0,0017 0,00006
ния с примесью. В лигатуре примесь содержится уже в значительных
количествах (составляет проценты). Легирование германия производят
при вытягивании монокристаллов по
методу Чохральского (§ 14.10). При
выращивании монокристаллов затрав-
ка ориентируется в направлении [111]
с отклонением не более ±2°.
Основные физические свойства гер-
мания приведены в табл. 14.1. Тем-
пературные зависимости удельного
сопротивления германия при различ-
ном содержании примесей представле-
ны на рис. 14.1. Германий, применяе-
мый в полупроводниковых приборах,
обладает р от миллионных долей ом-
метра до значений, близких к р собст-
венного германия, т. е. (при комнат-
ной температуре) до р = 0,47 Ом «м.
Пример маркировки германия:
ГДГ 0,75/0,5. Первая буква означает
название материала (Г — германий);
вторая — тип электропроводности
(Э — электронный, или Д-дырочный);
третья — название легирующей при-
меси (в данном случае галлия). Чис-
литель дроби указывает значение
удельного сопротивления в ом-сан-
тиметрах (0,75 Ом -см), знаменатель —
диффузионную длину неосновных но-
Рис. 14.1. Температурные зависи-
мости удельного сопротивления гер-
мания при различном содержаний
донорной примеси
сителей заряда в миллиметрах (0,5 мм).
Некоторые промышленные марки германия приведены в табл. 14.2.
Электрическая активность легирующих примесей в германии указана
в табл. 14.3.
95
Таблица 14.2
Примеры промышленных марок монокристаллического германия и кремния
Марка Тип электропро- водности Легирующая примесь Р. Ом-см при ЗООК Диффузионная длина неосновных носителей заряда, мм при ЗООК
Германий
ГЭС 27/1,5 Электронный Сурьма 22—30 1,5
ГЭС 20/1,0 » » 8—20 1,0
ГД Г 1,0/0,6 Дырочный Галлий 0,9—1,2 0,6
ГДГ 5,0/1,0 » » 4,2—5,7 1,1
Кремний
КЭФ 0,3/0,1 Электронный Фосфор 0,25—0,40 0,1
КЭФ 7,5/0,5 » » 6,0—9,0 0,5
КЭФ 150/0,3 » » 150—200 0,3
КДБ 7,5/0,5 Дырочный Бор 6,0—9,0 0,5
Таблица 14.3
Электрическая активность легирующих примесей
в германии и кремнии
Примесный элемент Вид примеси Энергия ионизации примеси, эВ
в германии в кремнии
Литий Донор 0,0093 0,033
Фосфор » 0,0120 0,044
Мышьяк » 0,0127 0,049
Сурьма » 0,0096 0,039
Цинк Акцептор 0,03; 0,09 0,31; 0,55
Бор » 0,0104 0,046
Алюминий » 0,0102 0,057
Галлий » 0,0108 0,065
Индий » 0,0112 0,16
§ 14.2. Кремний
Кремний, как и германий, является элементом IV группы таб-
лицы Менделеева. После кислорода это самый распространенный
элемент в земной коре: его содержится в ней 28%. Однако в свободном
состоянии в природе он не встречается. Его соединениями являются
такие распространенные природные материалы, как кремнезем и сили-
каты.
Из соединений кремний может быть получен несколькими спосо-
бами. Чаще всего используют метод восстановления четыреххлористого
кремния SiCl4 парами цинка или водорода:
SiCl4 + 2Zn -> Si + 2ZnCl2
Реакция осуществляется при температуре 950° С. Кроме того, при-
меняют методы термического разложения тетраиодида кремния Sil4
96
или силана SiH4 и др. После извлечения из соединений в целях полу-
чения очищенных монокристаллов кремний подвергают бестигельной
вертикальной зонной плавке (см. § 14.10). В технологическом отноше-
нии кремний более сложный материал, чем германий, так как он имеет
высокую температуру плавления 1420° Сив расплавленном состоянии
химически весьма активен (вступает в реакцию практически со всеми
тигельными материалами).
Допустимое содержание посторонних примесей в кремнии, исполь-
зуемом в производстве полупроводниковых приборов, не должно
превышать 10-11%. Высокая стоимость кремния связана главным обра-
зом со сложностью его очистки.
Основные физические свойства
кремния приведены в табл. 14.1.
Маркировка кремния произво-
дится аналогично маркировке
германия (см. табл. 14.2).
Кремний применяют для из-
готовления различных диодов и
транзисторов, тиристоров, ста-
билитронов, фотодиодов, датчи-
ков Холла, тензометров и дру-
гих полупроводниковых прибо-
ров, а также интегральных
схем.
Благодаря тому что кремний
имеет большую ширину запре-
щенной зоны, чем германий,
кремниевые приборы могут ра-
ботать при более высоких тем-
пературах, чем германиевые.
Верхний температурный предел
работы кремниевых приборов
достигает 200° С.
§ 14.3. Селен
Селен — элемент VI груп-
пы таблицы Менделеева. Его
и удельной проводимости (в):
/ — в чистом селене; 2 — в селене с приме-
сью 0,3% кислорода, 3 — в селене с приме-
сью 0,07% йода
содержание в земной коре со-
ставляет 7*10~®%. Он сущест-
вует в нескольких аллотропных
модификациях — стеклообразный, аморфный, моноклинный, гекса-
гональный. Все модификации путем нагрева до температуры 180 4-
-*-’220° С можно перевести в гексагональную, которая является
наиболее устойчивой. Селен этой модификации имеет серый цвет. По-
лучают селен как побочный продукт при электролитической очистке
меди.
Для изготовления полупроводниковых приборов — выпрямителей
переменного тока и фотоэлементов — используют серый кристалличе-
4 п/р. Тареева
97
ский селен. Ширина его запрещенной зоны 1,79 эВ. Температурный
интервал работы селеновых выпрямителей от —60 до +75° С. Содер-
жание неконтролируемых примесей в селене, пригодном для изго-
товления выпрямителей, может составлять 8*10-3%. Такой селен
всегда обладает дырочным типом электропроводности. Его р порядка
103 Ом -м (при комнатной температуре). Снижение удельного сопро-
тивления достигается за счет введения акцепторной примеси — хлора,
брома, йода.
Селен в отличие от других полупроводников обладает аномальной
температурной зависимостью концентрации свободных носителей за-
ряда: она уменьшается с ростом температуры (рис. 14.2, а); подвиж-
ность свободных носителей заряда при этом возрастает (рис. 14.2, б).
Температурная зависимость удельной проводимости селена представ-
лена на рис. 14.2, в,
§ 14.4. Теллур
Теллур — элемент VI группы таблицы Менделеева. Он является
полупроводником с шириной запрещенной зоны 0,35 эВ, плавится
при температуре 451° С, легко испаряется. Температура кипения
теллура при атмосферном давлении 1390° С. Давление паров при
500° С составляет 67 Па. Очистку теллура от примесей производят
многократной перегонкой.
Поликристаллический слиток теллура получают путем медленного
охлаждения расплавленного в открытом тигле теллура. Затем из
слитка вырезают несколько монокристаллов.
Удельное сопротивление чистого теллура при комнатной темпера-
туре составляет 29-Ю'4 Ом*м. Концентрация собственных носителей
заряда nf = 9,3 4021 м"3. Подвижность электронов 0,17 м2/(В *с),
дырок — 0,12 м2/(В *с).
Техническое применение теллур нашел в виде сплавов с висмутом,
сурьмой и свинцом, которые используют для изготовления термоэлек-
трических генераторов.
§ 14.5. Полупроводниковые соединения AHBV1
Полупроводниковые соединения типа AHBV1 — HgS, HgSe, HgTe,
CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, как правило, имеют несколько моди-
фикаций. Основными из них являются структуры сфалерита и вюрт-
цита. Монокристаллы соединений A11 BV1 обычно получают из газовой
фазы или из расплава (см. § 14.10).
Халькогениды ртути. Ширина запрещенной зоны HgS,
HgSe, HgTe соответственно равна 1,8; 0,07; 0,02 эВ.
Монокристаллы HgS, полученные из газовой фазы, имеют р =
= 107 4- 108 Ом *м и обладают обычно электронной электропровод-
ностью. Подвижность электронов при комнатной температуре низкая:
0,002—0,005 м2/(В -с).
Монокристаллы HgSe, как правило, обнаруживают лишь электрон-
ною электропроводностью, что объясняется отклонением от стехио-
98
метрии в сторону избытка ртути. Подвижность электронов при ком-
натной температуре составляет примерно 1,85 м2/(В «с).
Монокристаллы HgTe могут быть получены как с дырочной, так
и с электронной электропроводностью; преимущественно же в HgTe
наблюдается дырочная электропроводность, что обусловлено наличием
в HgTe вакансий ртути. Отжиг HgTe в парах Hg приводит к электрон-
ной электропроводности. Теллурид ртути обладает очень малой шири-
ной запрещенной зоны (0,02 эВ) и высокой подвижностью электронов,
которая при температуре жидкого азота (77К) составляет около
7 м2/(В -с).
HgTe и HgSe являются узкозонными полупроводниками с высокой
подвижностью электронов. Их используют при создании высокочув-
ствительных приемников излучения и датчиков Холла.
Халькогениды кадмия. Сульфид, селенид и теллурид
кадмия имеют ширину запрещенной зоны большую, чем у соответ-
ствующих им соединений ртути: у CdS она составляет 2,4 эВ, у CdSe —
1,8 эВ, у CdTe — 1,6 эВ. Все они являются кристаллофосфорами и
применяются в разнообразных электролюминесцентных устройствах.
Монокристаллы CdS, как правило, имеют электронную электро-
проводность, обусловленную отклонением от стехиометрического со-
става (недостаток серы). При прогреве кристаллов в парах кадмия
проводимость их увеличивается. Если после термообработки в парах
кадмия при давлении 3,749025 «Ю5 Па удельная проводимость у кри-
сталлов CdS порядка 1000 Ом"1 «м-1, то после прогрева в парах серы
кристаллы CdS имеют р = 10е Ом «м. Подвижность электронов при
комнатной температуре порядка 0,024 м2/(В «с). Сульфид кадмия нашел
широкое техническое применение при изготовлении фоторезисторов,
фотоэлементов, электролюминесцентных устройств, дозиметров ультра-
фиолетовых, рентгеновских и гамма-лучей, счетчиков частиц и др.
Монокристаллы CdSe, так же как и CdS, обычно получают с элек-
тронной электропроводностью за счет отклонения от стехиометриче-
ского состава (недостаток селена). Отжиг кристаллов CdSe с электро-
проводностью n-типа в парах селена приводит к образованию на их
поверхности слоя с дырочной электропроводностью. Подвижность
электронов при комнатной температуре 0,058 м2/(В «с), дырок —
0,005 м2/(В *с). Селенид кадмия применяют в электролюминесцентных
устройствах и в фотоэлементах.
Монокристаллы CdTe получают как с электронной, так и с дыроч-
ной электропроводностью. Электронную электропроводность обеспе-
чивают внедренные в междоузлия решетки атомы кадмия, дырочную —-
вакансии кадмия. Концентрация свободных носителей заряда может ме-
няться 1020 4- 1025 м"3. Наиболее чистый CdTe обладает высокой подвиж-
ностью электронов, которая при комнатной температуре может состав-
лять 5,7 м2/(В «с). Этот материал используют для изготовления таких
приборов, как дозиметры и счетчики квантов гамма-излучения, инжек-
ционные лазеры, светодиоды, солнечные батареи и генераторы Ганна.
Халькогениды цинка. Сульфид, селенид и теллурид
цинка обладают большой шириной запрещенной зоны, которая соот-
ветственно равняется 3,6, 2,7 и 2,2 эВ,
4* W
Монокристаллы ZnS, выращенные методом сублимации (см. § 14.10)
в атмосфере сероводорода, имеют большое удельное сопротивление
10е—108 Ом *м. Удается получать монокристаллы сульфида цинка
с р до Ю12 Ом *м.
Нелегированные монокристаллы ZnSe имеют концентрацию элек-
тронов 6,9 -1022 м"3 с подвижностью примерно 0,07 м2/(В *с). При леги-
ровании их селеном наблюдается дырочная электропроводность, а после
обработки в расплавленном цинке — электронная.
Монокристаллы ZnS, как правило, обладают дырочной электропро-
водностью, обусловленной отклонением от стехиометрии за счет вакан-
сий цинка.
Халькогениды цинка в основном применяют в качестве кристалло-
фосфоров в электролюминесцентных устройствах.
§ 14.6. Полупроводниковые соединения AHIBV
Полупроводниковые соединения типа AIHBV — GaP, GaAs, GaSb,
InP, InAs, InSb имеют структуру цинковой обманки. Получают эти
соединения или из расплава, который содержит элементы в равных
атомных концентрациях, или из раствора соединения, имеющего
в избытке элемент III группы, а также из газовой фазы. Кристаллы
антимонидов и арсенидов галлия и индия обычно выращивают из рас-
плава стехиометрического состава. Основными методами выращива-
ния сверхчистых монокристаллов являются зонная очистка и направ-
ленная кристаллизация (см. § 14.10).
Значения температуры плавления, диэлектрической проницаемо-
сти, ширины запрещенной зоны, подвижности электронов и дырок при
комнатной температуре указанных соединений приведены в табл. 14.4.
Все эти материалы уже получили широкое техническое применение.
Таблица 14.4
Основные физические свойства соединений типа AHIBV
Соединения r , °C пл* AU?0, эВ при 300 К цп, mV(B-c) при 300 К ц . mV(B-c) при 300 К 8
GaP 1450—1500 2,25 0,011 0,0075 10
InP 1062 1,29 0,46 0,15 14
GaAs 1237 1,43 0,85 0,043 12,5
InAs 942 0,36 3,3 0,046 14
InSb 525 0,17 7,7 0,08 17
GaSb 712 0,67 0,4 0,14 15
Арсенид галлия среди соединений AHIBV занимает
особое место. Большая ширина запрещенной зоны (1,4 эВ), высокая
подвижность электронов [0,85 м2/(В *с)] позволяют создавать на ос-
нове GaAs приборы, работающие в области высоких температур и вы-
соких частот. Обычно арсенид галлия получают с электронной электро*
100
проводностью и концентрацией электронов выше 1022 м~3. Полуизо-
лирующие кристаллы арсенида галлия с концентрацией электронов
1015 м’3 и ниже выращивают при наличии кислорода в окружающей
среде, а также путем диффузии меди. Снижение концентрации свобод-
ных электронов в таких кристаллах происходит не потому, что они
становятся более чистыми, а в результате компенсации примеси.
Акцепторами в арсениде галлия являются цинк, кадмий, медь, доно-
рами — сера, селен и элементы IV
группы.
Арсенид галлия применяют при
изготовлении светодиодов, пара-
метрических, туннельных диодов,
диодов Ганна, лазеров, полевых
транзисторов, солнечных батарей и
других приборов. Представляется
перспективным создание интеграль-
ных схем на подложке из полуизо-
лирующего арсенида галлия.
Антимонид индия имеет
очень малую ширину запрещенной
зоны (0,17 эВ) и очень высокую под-
вижность электронов [7,7 м2/(В ’с)]
InSb используют при изготовлении
детекторов в инфракрасной области
спектра, датчиков Холла, туннель-
ных диодов, термоэлектрических
генераторов, лазеров, тензометров.
Выращивание чистых кристаллов
InSb не представляет особых тех-
нологических трудностей, так как
температура плавления низкая Рис. 14.3. Температурная зависимость
(525° С) и ни один из его компонен- удельной проводимости InSb
тов не взаимодействует с обычно
используемыми тигельными материалами (см. § 14.10). Антимонид ин-
дия получают с концентрацией примесей не более 1019 м"3. Малая шири-
на его запрещенной зоны и большая разница между подвижностями
электронов и дырок обусловливают в этом материале явления, кото-
рые слабо проявляются в других полупроводниках.
На рис. 14.3 приведены кривые температурной зависимости удель-
ной проводимости n-типа (кривая 1 примеси 1,3 «1022 м~3), р-типа
(кривая 2 примеси 4 -1021 м"3) и n-типа образца высокой степени чистоты
(кривая 3 примеси 1019м“3). Искривление кривой собственной электро-
проводности при высоких температурах объясняется вырождением
электронного газа. Благодаря тому, что подвижность электронов много
больше подвижности дырок, кривая наиболее чистого образца не соот-
ветствует минимальной проводимости, как у германия и кремния
(кривая удельной проводимости образца p-типа в некоторой об-
ласти температур расположена ниже кривой наиболее чистого об-
разца).
101
Фосфид галлия, имеющий большую ширину запрещенной
зоны (2,25 эВ), широко применяют в серийном производстве светодио-
дов.
Высокая температура плавления (около 1500° С) и большое давле-
ние паров (35‘105 Па) вызывают значительные технологические труд-
ности выращивания монокристаллов фосфида галлия высокой степени
чистоты. GaP с электронной электропроводностью, используемый при
изготовлении светодиодов, обычно выращивают в герметизированном
сбъеме путем вытягивания из расплава по методу Чохральского (см.
§ 14.10). Фосфид галлия с концентрацией электронов 1017—1020 м-3
получают синтезом из газовой фазы или путем компенсации, легируя
GaP с электронной электропроводностью медью. Следует отметить,
что наличие меди в GaP в значительной мере способствует процессу
старения создаваемых на его основе светодиодов. В GaP с дырочной
электропроводностью медь в основном присутствует в виде ионов внед-
рения Си+, а в GaP с электронной электропроводностью в виде ионов
замещения Си".
Донорами в GaP являются кислород, сера, селен, теллур, кремний,
олово, акцепторами — магний, цинк, кадмий, бериллий, углерод.
Собственная электропроводность GaP из-за большой ширины запре-
щенной зоны не наблюдается даже при 1000 К.
Благодаря большой ширине запрещенной зоны GaP излучатель-
ные переходы в этом материале происходят в видимой области спектра.
Это позволило создать на основе GaP светодиоды, дающие зеленое и
красное свечение.
GaP относится к полупроводникам с непрямыми переходами.
Длина волны его электромагнитного излучения зависит от энергетиче-
ских уровней центров излучательной рекомбинации. Для светодио-
дов из фосфида галлия, испускающих красное свечение, такие уровни
создают путем легирования GaP цинком и кислородом или кадмием
и кислородом. Свечение светодиодов из GaP в зеленой области спектра
получают при легировании фосфида галлия азотом. Большим преиму-
ществом азота как излучательного центра, является то, что его можно
ввести в GaP в большом количестве (до 1025 м-3) без изменения концен-
трации свободных носителей заряда.
Арсенид индия, как и антимонид индия, имеет малую ши-
рину запрещенной зоны (0,36 эВ) и большую подвижность электронов
[3,3 м2/(В -с)]. Температура плавления InAs равняется 942° С, давление
паров при этом составляет 0,3 ЧО5 Па. Поэтому технологические
трудности, связанные с давлением паров в точке плавления, сравни-
тельно не велики. Наиболее чистый арсенид индия имеет концентра-
цию электронов порядка Ю22 м~3 (п/ ~ 2«1021 м-3).
Арсенид индия в основном используют при изготовлении датчиков
Холла, а также фотодиодов и лазеров.
Антимонид галлия относится к материалам, обнаружи-
вающим признаки нестехиометрической природы соединения, так как
технологическими приемами концентрацию акцепторной примеси
в нем не удается снизить меньше, чем на 1,5 ЧО23 м-3. Основные физи-
ческие свойства GaSb приведены в табл. 14,4,
102
В отличие от других соединений группы AHIBV антимонид галлия
обладает чрезвычайно высокой чувствительностью к механическим
напряжениям. Удельное сопротивление «чистого» GaSb увеличивается
в два раза при воздействии давления 4 ЧО8 Па. Это изменение удель-
ного сопротивления объясняется уменьшением подвижности электро-
нов при приложении давления к кристаллу. При таком же давлении,
приложенном к кристаллам InP и GaAs, их удельное сопротивление
меняется лишь на 3%. Благодаря высокой чувствительности .к де-
формациям антимонид галлия используют при изготовлении тензо-
метров.
Фосфид индия применяют при изготовлении лазеров. Тех-
нологические трудности выращивания монокристаллов фосфида индия
связаны с высоким давлением паров (21 *105 Па) в точке плавления
(1062° С). Наиболее чистый InP имеет концентрацию электронов
1021 м~3. Основные физические свойства фосфида индия приведены
в табл. 14.4.
§ 14.7. Оксидные полупроводники
Полупроводниковыми свойствами обладают ряд оксидов металлов.
Наибольшее практическое применение получила закись меди Си2О,
используемая для изготовления купроксных выпрямителей. Ширина
запрещенной зоны закиси меди около 1,9 эВ. Избыток кислорода
в Си2О создает дырочную электропроводность.
У окиси цинка ZnO ширина запрещенной зоны около 3,2 эВ.
Избыточный цинк, который практически всегда присутствует в окиси
цинка, приводит к электронной электропроводности. Большой шири-
ной запрещенной зоны обладает также двуокись титана ТЮ2 (Д№0
3 эВ). Варьируя степень восстановления TiO2 за счет избытка ти-
тана, можно снизить р образцов и получить в них электронную элек-
тропроводность.
В оксидах Fe3O4 и NiO2 удельное сопротивление снижается не
только из-за отклонения от стехиометрии, но и за счет переменной
валентности ионов металлов.
Полупроводниковые свойства обнаруживаются также в СоО3,
MgO, Mn2O3, CuO, Ni2O3 и др.
Практическое применение получили смеси оксидов, на основе
которых изготовляют полупроводниковые терморезисторы (терми-
сторы) с отрицательным ТКр, а также варисторы, сопротивление ко-
торых сильно зависит от приложенного напряжения.
§ 14.8. Халькогениды свинца
Сульфид, селенид и теллурид свинца в естественном
состоянии встречаются в виде минералов галенита, клаусталита и
алтаита. Первый минерал является одной из самых распространенных
руд свинца, два других в природе обнаруживаются довольно редко.
Монокристаллы PbS, PbSe, РЬТе получают путем осаждения из га-
зовой фазы, методом Бриджмена — Стокбаргера, методом Чохраль-
103
ского или методом медленного охлаждения расплава с использованием
естественного градиента температуры печи (см. § 14.10).
При отклонении от стехиометрического состава образцы халько-
генидов свинца обладают электронной электропроводностью за счет
избытка свинца или дырочной электропроводностью за счет избытка
элемента VI группы таблицы Менделеева. Замена атомов свинца одно-
валентными металлами Na, Ag или Си означает введение акцепторной
примеси. Замена трехвалентным металлом, например Bi, равноценна
введению донорной примеси. Замещение атома элемента VI группы
галогеном VII группы также эквивалентно введению донора.
Основные физические свойства халькогенидов свинца приведены
в табл. 14.5, из которой видно, что эти соединения являются узкозон-
Таблица 14.5
Основные физические свойства халькогенидов свинца
Свойства PbS PbSe РЬТе
Д№0, эВ при 300 К . . . 0,39 0,26 0,32
П(, м”» при 300 К 2 • 1021 3- 1022 1,5- Ю22
Нп. м«/(В - с) 0,08 0,12 0,18
Нр, м2/(В-с) • . Длина волны лазерного 0,07 0,1 0,09
излучения, мкм 4,3 8,5 6,5
ными материалами. Халькогениды свинца используют для изготовле-
ния фоторезисторов в инфракрасной технике, инфракрасных лазеров,
тензометров и термогенераторов, работающих в интервале температур
от комнатной до 600° С.
§ 14.9. Карбид кремния
Карбид кремния является полупроводниковым материа-
лом с большой шириной запрещенной зоны 2,8—3,1 эВ (в зависимости
от модификации). Этот материал можно применять для изготовления
полупроводниковых приборов, работающих при высоких температурах
вплоть до 700° С.
Из двух модификаций (а и 0) карбида кремния в полупроводни-
ковой технике получил применение лишь а-карбид кремния, обладаю-
щий гексагональной или ромбоэдрической кристаллической решеткой.
Кристаллы а-карбида кремния выращивают из газовой фазы в гра-
фитовых тиглях при температуре 2500° С. Электронная электропро-
водность в SiC создается путем легирования его азотом, фосфором,
мышьяком, сурьмой, висмутом. Кристаллы SiC с дырочной электро-
проводностью выращивают при легировании бором, алюминием, гал-
лием, индием.
Основные физические свойства SiC приведены в табл. 14.1. Карбид
кремния применяют для серийного выпуска варисторов (нелинейных
сопротивлений), светодиодов, а также при изготовлении высокотем-
пературных транзисторов, выпрямительных и туннельных диодов.
104
§ 14.10. Технология получения полупроводниковых материалов
При изготовлении большинства полупроводниковых приборов при-
меняют монокристаллические материалы. Это объясняется тем, что
подвижность и время жизни свободных носителей заряда в монокри-
сталлах выше, чем в поликристаллическом материале, который к тому
же обладает и значительной неоднородностью свойств.
Процент выхода годных полупроводниковых приборов, их харак-
теристики зависят от степени очистки, однородности исходного мате-
риала, степени его легирования и др.
Наиболее жесткие требования к полу-
проводниковым материалам предъявляют
при производстве транзисторов и интег-
ральных схем. В таких приборах, как
фото- и терморезисторы, допускается ис-
пользование поликристаллических амор-
фных веществ.
Основными методами получения мо-
нокристаллов полупроводников являют-
ся: выращивание из расплава, метод зон-
ной перекристаллизации и выращива-
ние из газообразной фазы. В ряде слу-
чаев применяют метод выращивания из
раствора и другие методы.
Метод выращивания мо-
нокристаллов из распла-
в а (метод Чохральского), как правило,
обеспечивает высокие скорости выращи-
вания и получение больших по размеру
кристаллов. Схема установки представ-
лена на рис. 14.4. Сущность метода за-
ключается в том, что в тигель с рас-
плавленным материалом опускают мо-
нокристаллическую затравку. После
оплавления затравки, которое обеспечи-
вает хорошее ее смачивание расплавом,
затравку медленно поднимают. Жид-
кость, тянущаяся за затравкой, попадая
Рис. 14.4. Схема установки для
выращивания монокристаллов по
методу Чохральского:
/ — термопара, 2 — индукционная
печь; 3 — окно для визуального
контроля; 4 — ось вращения; 5 —
устройство для вращения; 6 — во-
дяная рубашка; 7 — монокристал-
лическая затравка; 8 — выращивае-
мый кристалл; 9 — расплав; 10 —
графитовый нагреватель; 11 — теп-
лоизоляционная подложка
в область более низких температур, затвердевает, продолжая кристал-
лическую структуру затравки. При вытягивании кристалла затравку
или тигель вращают, чтобы не происходил преимущественный рост
кристалла в какую-либо сторону из-за возможной боковой разности
температур. Кроме того, вращение кристалла относительно тигля про-
изводит размешивание расплава в тигле.
При выращивании из расплава монокристаллов полупроводнико-
вых соединений пользуются методом Бриджмена — Стокбаргера.
Нагреватель в этой установке устроен таким образом, что по его длине
создается определенный градиент температуры (рис. 14.5). При выра-
щивании кристаллов разлагающихся соединений тигель с веществом
105
помещают в запаянную ампулу, в которой поддерживается необходи-
мое давление паров летучего компонента. В положении 1 содержимое
тигля расплавлено. По мере движения тигля вдоль печи в область
более низких температур происходит постепенное охлаждение рас-
плава и направленная его кри-
Рис. 14.5. Схема установки выращива-
ния кристаллов по методу Бриджмена —
Стокбаргера:
/ — исходное положение ампулы; 2 — конеч-
ное положение ампулы; 3 — распределение
температуры в печи
сталлизация.
Метод зонной пе-
рекристаллизации
(плавки) для получения моно-
кристаллов состоит в том, что
пл ав ле н ие пол и кр иста л л иче ско-
го слитка, помещенного в ти-
гель, осуществляется с помощью
нагревателя, создающего корот-
кую зону, температура которой
выше, чем температура плавле-
ния вещества. Схема установки
приведена на рис. 14.6. Если на
одном конце слитка поместить
монокристаллическую затравку
и перемещать нагреватель от
этого конца к другому, то осталь-
Рис. 14.6. Схема установки для про-
ведения зонной перекристаллизации:
/ — откачка на вакуум; 2 — образец в
тигле; 3 — расплавленная зона; 4 — пе-
ремещаемый нагреватель; 5 — к устрой-
ству, перемещающему зону
ная часть слитка, последовательно расплавляясь в зоне и затем кри-
сталлизуясь, будет продолжать структуру затравки.
Метод зонной плавки широко применяют прежде всего как один
из эффективных методов очистки полупроводниковых материалов от
примесей. Очистка полупроводни-
ков этим методом основана на том,
что примеси неодинаково раствори-
мы в твердой и жидкой фазе основ-
ного вещества. Наиболее распрост-
ранен случай, когда растворимость
примеси в жидкой фазе больше, чем
в твердой. Тогда расплавленная зо-
на при движении будет захватывать
примесь и переносить ее в конец
слитка. Этот процесс движения зо-
ны (в том же направлении) можно
повторять несколько раз, сгоняя
примесь в конец слитка. Подобный
результат может быть достигнут, если создать сразу несколько зон.
Каждая из них на своем пути захватит определенное количество при-
меси и перенесет ее в конец слитка, который затем обрезается.
Обычно в качестве материала тигля используют плавленый кварц,
графит, тугоплавкие оксиды алюминия или магния. Однако для таких
реакционноспособных полупроводников, как кремний, зонная пере-
кристаллизация оказалась эффективной лишь при бестигельной зон-
ной плавке, которая в настоящее время осуществляется несколькими
способами. Наиболее распространенным является метод плавающей
J06
зоны, который состоит в том, что расплавленная зона удерживается
силами собственного поверхностного натяжения между двумя верти-
кальными твердыми заготовками,
расположенными строго по од-
ной линии (возможна поддержка
индуцированным током и др.).
Из газообразной фа-
зы выращивают глав-
ным образом монокристаллы по-
лупроводниковых соединений.
Существует несколько таких спо-
собов.
ния кристаллов синтезом из компонен
тов:
/ и 3 — печи для испарения компонентов,
2 — печь, обеспечивающая необходимую тем
пературу в реакторе
На рис. 14.7 приведена схе-
ма установки выращивания мо-
нокристаллов бинарных соедине-
ний полупроводников из газовой
фазы методом взаимодействия
исходных компонентов. Выращивание монокристалла производится в
потоке нейтрального газа или водорода. Печь применяют трехсек-
ционную, причем две крайние секции используют для испарения ком-
понентов. Средняя печь предназначена для поддержания необходимой
Рис. 14.8. Схема установки для выращи-
вания кристаллов методом сублимации:
/ — кварцевая лодочка с бинарным соедине-
нием; 2 — электрическая печь; 3 — зона ро-
ста кристаллов
температуры в реакторе, где про-
исходит смешивание паров ком-
понентов и их реакция. Темпе-
ратура в реакторе ниже, чем
температура плавления образую-
щегося соединения. Это вызы-
вает конденсацию соединения на
стенках реактора в виде кри-
сталлов.
Другим распространенным
способом выращивания из газо-
вой фазы является метод сублимации (рис. 14.8). В тигель помещают
исходный материал, который затем испаряется. Пары вещества пере-
носятся в зону роста кристаллов транспортирующим газом.
Качество и состав кристаллов, выращенных из газообразной фазы
указанными методами, зависят от выбора температурных режимов
испарителей и реактора.
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Как уже отмечалось, диэлектриче-
ские материалы обладают высокими удельными сопротивлениями р
и в них возможно наличие электростатических полей. Весьма важно
для диэлектриков явление поляризации, с рассмотрения которого
(см. гл. 15) и начинается третья часть книги. Большое значение для
радиоэлектроники имеют также электропроводность диэлектриков
(гл. 16) и диэлектрические потери (см. гл. 17). При воздействии на
диэлектрик высокого напряжения может произойти пробой. Вопросы
пробоя (см. гл. 18) очень важны для изучения надежности как диэлект-
риков, так и всей радиоэлектронной аппаратуры в целом. Помимо
электрических свойств диэлектрических материалов в ряде случаев
определяющее значение имеют и общие физико-химические свойства
(см. гл. 19) — механическая прочность, нагревостойкость, влагостой-
кость, химостойкость и т. п. Важнейшие современные электроизоля-
ционные материалы рассмотрены в гл. 20; активные диэлектрики —
в четвертой части книги.
Глава 15
ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ
§ 15.1. Основные определения
При описании электрических явлений (в том числе и поляризации)
обычно рассматривают тело из диэлектрика, снабженное электродами
(выполненными из металла или другого проводника), к которым под-
водится электрическое напряжение, т. е. некоторый участок изоляции.
Такйм участком изоляции может быть электрический конденсатор
изоляция кабеля электрической машины или аппарата и т. п., а такж<
образец диэлектрического материала, специально подготовленный
для измерения его электрических параметров в лаборатории.
108
В любом веществе, независимо от наличия или отсутствия в нем
свободных электрических зарядов (носителей заряда, стр. 5), всегда
имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, атомные ядра,
ионы. Под действием внешнего электри-
0-© О-н® ©-©
8 _S
+ 0-® О-®
&~® 0-0 0-0
0-0 0—0 0-0
.------А------~
Рис. 15.1. Расположение заря-
дов в поляризованном диэлек-
трике плоского конденсатора:
S — площадь каждой обкладки;
h — расстояние между обкладками
(толщина слоя диэлектрика)
поляризации диэлектрика оп-
ределяется поляризованностью Р, равной отношению ин-
дуцированного электрического момента объема диэлектрика к этому
объему, когда последний стремится к нулю:
ческого поля связанные заряды в диэлек-
трике смещаются из своих равновесных
состояний: положительные в направле-
нии вектора напряженности поля Е,
отрицательные — в обратном направле-
нии (см. рис. 15.1, на котором представ-
лена простейшая конфигурация участка
изоляции — плоский конденсатор). В ре-
зультате этого каждый элементарный
объем диэлектрика dV приобретает ин-
дуцированный (наведенный) электриче-
ский момент dp.
Образование индуцированного элек-
трического момента р в диэлектрике и
представляет собой явление поляри-
зации. Количественно интенсивность
P = dp/dV.
(15.1)
Поляризованность — векторная величина: ее направление совпа-
дает с направлением электрического момента — от отрицательного
заряда к положительному. Так как электрический момент измеряется
в Кл «м, а объем — в м3, формула (15.1) дает единицу модуля поляри-
зованности — кулон на квадратный метр (Кл/м2), совпадающую с еди-
ницей поверхностной плотности электрического заряда и с единицей
электрического смещения.
Легко найти еще одно выражение для поляризованности. Будем
рассматривать для простоты в качестве участка изоляции плоский кон-
денсатор с активным поперечным сечением диэлектрика (т. е. площа-
дью каждого электрода или «обкладки») S и толщиной слоя диэлект-
рика (т. е. расстоянием между обкладками) h.
Пусть поверхностная плотность связанных зарядов, выявив-
шихся в результате поляризации на поверхностях диэлектрика, кото-
рые прилегают к обкладкам, равна о. Поскольку, как видно из рис. 15.1,
в глубине диэлектрика положительные и отрицательные заряды вза-
имно компенсируют друг друга, электрический момент всего объема
диэлектрика равен произведению заряда у каждой обкладки, рав-
ного aS на расстояние между обкладками h. Деление этой величины
на объем диэлектрика Sh дает модуль поляризованности Р = о. Таким
образом, поляризованность равна поверхностной плотности связан-
ных зарядов в диэлектрике.
109
У обычных («линейных») диэлектриков поляризованность про-
порциональна напряженности внешнего поля Е\
Р = еоХЕ; (15.2)
здесь электрическая постоянная
80 = 8,854 • ю-12 Ф/м
(через с обозначена скорость света в пустоте). Безразмерный пара-
метр х называют электрической восприимчивостью
вещества.
В изотропных веществах направления векторов Р и Е совпадают.
Для анизотропных диэлектриков (кристаллы, текстуры) х зависит от
направления Е и является тензором второго ранга; направление Р
образует с направлением Е в пространстве некоторый угол.
Уравнение (15.2) для анизотропных сред заменяют уравнением
в тензорной форме:
/==3
Pl = е0 S = еоХгЛ (15.3)
/ = 1
(при записи тензорных соотношений знак суммы обычно опускают,
так как при повторяющихся в одном произведении индексах подразу-
мевается суммирование по всем возможным значениям этого индекса).
Таким образом, для кристаллов вектор Е разлагают на составляю-
щие Ej по трем осям (у = 1, 2, 3), находят составляющие Л вектора Р
по трем осям (i = 1, 2, 3), а затем и сам вектор Р.
В технике при «макроскопическом» рассмотрении способности ма-
териалов к поляризации чаще используют другой безразмерный пара-
метр — относительную диэлектрическую про-
ницаемость* 8.
Легко найти связь между Х и 8. Приравняв правые части формул,
связывающих электрическое смещение D в веществе с Е и Р
D = z^E и Р = 8оЕ + Л
подставив вместо Р его выражение из (15.2) и сократив 80, получим
искомую связь в виде
8=1+х« (15.4)
Для всякого вещества 8> 1, так как х положительно; лишь для
пустоты х = 0 и, следовательно, 8 = 1. У газов, плотность которых
мала и число поляризующихся частиц в единице объема незначительно
[сравните формулу (15.12)], 8 весьма близка к единице (например,
для воздуха при нормальных условиях давления и температуры
8 = 1,00058). Для жидких и твердых тел 8 составляет единицы, де-
сятки и даже более.
* В этой книге для краткости е названо просто диэлектрической проницаемостью;
произведение 808, уже не являющееся безразмерным и выражаемое в Ф/м — абсолют-
ная диэлектрическая проницаемость.
110
Значение 8 характеризует способность диэлектрика образовывать
электрическую емкость: емкость участка изоляции
С = 808Л[Ф], (15.5)
где Л — приведенная длина рассматриваемого участка изоляции, м
[см. формулу (В.6)]. Поэтому 8 можно определить как число, показы-
вающее, во сколько раз увеличится емкость вакуумного конденсатора
при заполнении его данным диэлектриком, а произведение 808 — как
«удельную емкость» диэлектрика.
Параметр 8 характеризует также способность вещества накапливать
электростатическую энергию.
Плотность энергии
w = ED/2 = 80е£2/2 [Дж/м3], (15.6)
где Е — напряженность поля, В/м; D — электрическое смещение,
Кл/м2; 8 — диэлектрическая проницаемость.
Электростатическая энергия, накапливаемая во всем участке изо-
ляции:
W = CU2/2 = 8о8Л(/2/2 [Дж], (15.7)
где С — емкость, Ф; U — напряжение между электродами участка, В
(прочие обозначения — прежние).
Кроме того, 8 вместе с относительной магнитной проницаемостью р
(см. ч. V) определяет и условия распространения электромагнитных
волн в различных средах, что особенно важно для радиотехники.
Согласно теории Максвелла, скорость света (электромагнитной
волны) в пустоте
где е0 — электрическая постоянная; р0 = 4л «К)-7 Г/м — магнитная
постоянная.
Скорость электромагнитной волны в веществе
(15.8)
У 8оер-оН У ф
Отношение c/v есть показатель преломления п; следовательно,
п = р^гр. Так как большинство диэлектриков — материалы немаг-
нитные и для них р « 1, то
п2 = 8 (15.9)
(подробнее см. § 15.2).
Таким образом, при одном и том же периоде колебаний Т волна
распространяется в веществе медленнее, чем в пустоте, и длина волны
X = vT в веществе меньше, чем длина волны Хо = сТ в пустоте. Из
сказанного следует, что е = (c/v)2 = (Х0/Х)2.
Волновое сопротивление диэлектрика Zo, т-е- отношение моду-
лей напряженностей полей электрического Е и магнитного Н
электромагнитной волны в диэлектрике (Zq—E/Н), определяется
111
выражением
Zo = l^?7^377 0MVe- (15Л°)
У Еое Т 8
Если рассматривать не макроскопический (т. е. содержащий весьма
большое число молекул) объем диэлектрика, а отдельную молекулу
или другую способную поляризоваться частицу («микроскопическое»
рассмотрение), можно отметить, что у линейных диэлектриков инду-
цированный электрический момент частицы ри равен произведению
напряженности электрического поля Е на поляризуемость частицы а,
Ф ’М2:
рп=аЕ [Клм]. (15.11)
Если в единице объема диэлектрика содержится N частиц с поляри-
зуемостью а каждая, то поляризованность Р = Npa = NaE, что при
сопоставлении с уравнением (15.2) дает х = Ata/e0. В соответствии
с формулой (15.4) диэлектрическая проницаемость равна
8=; 1 +Ма/е0, (15.12)
т. е. она зависит от поляризуемости частиц и содержания частиц в еди-
нице объема вещества (подробнее см. в гл. 22).
§ 15.2. Полярные и неполярные диэлектрики
Диэлектрики можно подразделить на два класса: полярные,
т. е. содержащие постоянные диполи, способные к переориентации,
и неполярные, не содержащие ориентирующихся диполей. Это
разделение очень важно при рассмотрении не только электрических,
но и общих физико-химических свойств вещества.
В молекулах любого вещества содержатся положительные и отри-
цательные электрические заряды. Алгебраическая сумма всех зарядов
равна нулю, когда вещество не наэлектризованно, т. е. электрически
нейтрально. Однако пространственное расположение зарядов в мо-
лекуле у каждого вещества различно. Если заменить все положитель-
ные заряды молекулы одним суммарным, считая его расположенным
в центре тяжести отдельных положительных зарядов, и такое же сум-
мирование провести для отрицательных зарядов, то эти суммарные
точечные заряды могут либо не совпадать в пространстве друг с дру-
гом, либо совпадать.
В первом случае молекула даже в отсутствие внешнего электриче-
ского поля будет представлять собой электрический диполь с отлич-
ным от нуля постоянным электрическим моментом рп = ql, где q —
суммарный положительный (или численно равный ему суммарный отри-
цательный) заряд молекулы; I — расстояние между суммарными заря-
дами, т. е. плечо диполя (рис. 15.2, а).
В большинстве случаев постоянный электрический момент молекул
полярных веществ рп = 10"30—10"29 Кл «м (так как q порядка 10"19 Кл,
I порядка 10"10 м). Электрический момент молекулы — величина век-
торная, направленная от отрицательного заряда —q к положите л ы
ному заряду +q. У неполярных веществ I = 0 и потому рп = 0.
112
Независимо от электрических свойств о полярности вещества можно
судить по строению его молекул. Однако при экспериментальном опре-
делении постоянного электрического момента молекулы рп по элект-
рическим свойствам вещества можно делать важные заключения
о структуре молекул. Очевидно, что молекулы, имеющие симметрич-
ное строение и центр симметрии, неполярны, так как в этом случае
центры тяжести как положительных, так и отрицательных зарядов
совпадают с центром симметрии молекулы и как /, так и рп равны нулю;
несимметричные молекулы полярны.
Так, одноатомные молекулы инертных газов Не, Ne, Аг, Кг, Хе
и молекулы, состоящие из двух одинаковых атомов (Н2, N2, С12 и т. п.),
неполярны. Все углеводороды и применяемые в технике электроизоля-
ционные материалы углеводородного состава (нефтяные электроизоля-
ционные масла, полиэтилен, полипропилен, полистирол и др.) прак
Рис. 15.2. Пространственное строение молекул:
а — полярная молекула (общий случай); б — молекула СО2; в — молекула Н2О (+2^ центр
тяжести двух положительных зарядов молекулы); г — молекула СН4
тически неполярны, т. е. постоянный электрический момент рп молекул
этих веществ равен нулю или же весьма мал. Но при замещении
в углеводородах некоторой части водородных атомов другими атомами
или группами атомов (но не углеводородными радикалами) получаются
полярные вещества. Например, молекула бензола С6Нб имеет симмет-
ричную форму (плоское шестичленное кольцо) и потому бензол непо-
лярен; нитробензол СбН5 — NO2, т. е. бензол, в молекуле которого
один атом водорода замещен нитрогруппой — NO2, имеет весьма боль-
шое значение рп (1,3-10"29 Кл-м).
При оценке полярности вещества по строению его молекулы необ-
ходимо учитывать не условное написание химической формулы, а фак-
тическое расположение зарядов в пространстве. Например, формулы
угольного ангидрида СО2 и воды Н2О выглядят сходно, но в действи-
тельности молекула СО2 имеет центр симметрии (рис. 15.2, б) и уголь-
ный ангидрид неполярен, а молекула воды несимметрична (рис. 15.2, в)
и вода — типичное полярное вещество с рп — 6,1 «10"30 Кл «м.
На рис. 15.2, г изображено строение молекулы простейшего угле-
водорода — метана СН4 («углеводородный тетраэдр»). Очевидно, что
для метана рп = 0. Молекулы хлористого метила СН3С1, двухлористого
метилена СН2С12 и хлороформа СНС13 асимметричны, и для них рп
ИЗ
имеет значения 6,2 «Ю-30; 5,2 «Ю"30 и 3,8-1 О*30 Кл *м соответственно;
но при полном замещении в молекуле метана всех четырех атомов
водорода атомами хлора получается симметричная молекула четырех-
хлористого углерода (тетраформа) СС14, для которого рп — О*
Для полимерных материалов следует рассматривать полярность
отдельных звеньев полимерной молекулы. Так, полиэтилен — про-
стейший полимер углеводородного состава
Н Н
I I
С—С—...
н н
имеет симметричное строение каждого звена молекулярной цепочки и
потому неполярен; но поливинилхлорид
Н Н
Н С1
молекулу которого можно представить как молекулу полиэтилена с за-
мещением в каждом звене одного атома Н атомом С1, полярен. Анало-
гично политетрафторэтилен
F F
F F
т. е. полиэтилен с атомами Н, полностью замещенными атомами F,
неполярен (сравните со сказанным ранее о неполярности СС14), в то
время как политрифторхлорэтилен
F F
F С1
имеет несимметричное строение звена и потому полярен.
Ионные кристаллы типа NaCl неполярны, хотя каждая молекула
Na+ — СГ обладает постоянным электрическим моментом. Это связано
с тем, что в кристалле молекулы уложены антипараллельно и суммар-
ный момент элементарной ячейки равен нулю, а молекулы не могут
переориентироваться как диполь.
§ 15.3. Виды поляризации
Существует несколько основных видов поляризации: электронная,
ионная, дипольная и миграционная.
Электронная поляризация — это смещение элект-
ронных орбит относительно положительно заряженного ядра
114
(рис. 15.3, а; положение орбиты после поляризации показано пункти-
ром). Она происходит во всех атомах любого вещества и, следовательно,
во всех диэлектриках, независимо от наличия в них других видов поля-
ризации. Электронная поляризация устанавливается за очень корот-
кое время после наложения электрического поля — порядка 10"14—
10"15 с, что сравнимо с периодом световых колебаний. Поэтому элект-
ронная поляризация проявляется на всех частотах электрического
поля, вплоть до оптических.
При увеличении размеров атома электронная поляризуемость уве-
личивается, так как при этом не только становится слабее связь элект-
ронов внешних оболочек с ядром атома и увеличивается смещение обо-
лочки /, но и возрастает заряд ядра q. Для удобной и наглядной оценки
Рис. 15.3. Различные виды поляризации
электронной поляризуемости а атома (или иона, см. далее), вводят
понятие геометрической поляризуемости, равной отношению а
к электрической постоянной 80 и имеющей размерность объема; она
имеет порядок объема атома, т. е. 10~30—10“29 м3. Например, значе-
ния а/е0 атомов галогенов (в порядке возрастания их атомной массы)
равны: для F—0,4«10'30; для С1— 2,4 «10'30; для Вг — 3,6 «Ю-30;
для I — 5,8-Ю'30 м3.
Для веществ ионного строения существенна электронная поляри-
зуемость не атомов, а ионов. Различные ионы обладают заметно раз-
личающимися значениями отношения электронной геометрической
поляризуемости а/е0 к кубу радиуса иона г: для иона Na+ отношение
офцГ* составляет 0,21; для иона К+ — 0,38; для иона Са++ — 0,44;
для иона Ti++++ — 1,04; для иона О'" — 1,20; для иона Zr++++ — 1,21;
для иона РЬ++ — даже 1,89. Наличие ионов с большим значением
а/80г3 способствует поляризации; некоторые вещества, содержащие
такие ионы, имеют весьма высокую 8 (например, рутил TiO2, а также
многие сегнетоэлектрики — см. ч. IV).
Ионная поляризация — смещение друг относительно
друга разноименно заряженных ионов в веществах с ионными связями.
На рис. 15.3, б показана поляризация элементарной ячейки ионного
кристалла типа NaCl. Центры положительных и отрицательных заря-
дов q ионов ячейки, совпадающие до приложения электрического поля,
под действием поля раздвигаются на некоторое расстояние х в резуль-
115
тате смещения разноименно заряженных ионов в противоположных
направлениях, вследствие чего элементарная ячейка приобретает
индуцированный электрический момент ри qx. Ионная поляриза-
ция устанавливается также за малое, но все же большее, чем электрон-
ная поляризация, время — порядка 10-13—10-14 с.
Ионная поляризуемость больше у тех веществ, где ионы слабо
связаны друг с другом и несут большие электрические заряды,
т. е. являются многовалентными. В частности, к таким ионам отно-
сятся уже упоминавшиеся Ti++++, Pb++, О"".
Дипольная поляризация характерна для полярных
диэлектриков. Сущность этого вида поляризации заключается в по-
вороте (ориентации) в направлении электрического поля молекул,
имеющих постоянный электрический момент (рис. 15.3, в). Более
строго дипольную поляризацию можно объяснить не как непосредст-
венный поворот полярных молекул под действием внешнего электри-
ческого поля, а как внесение этим полем некоторой упорядоченности
в положения полярных молекул, непрерывно совершающих хаотиче-
ские тепловые движения. Следовательно, дипольная поляризация по
своей природе связана с тепловыми движениями молекул, и на нее
оказывает существенное влияние температура. Дипольная поляриза-
ция в простейшем виде проявляется в газах, жидкостях и аморфных
вязких веществах; в кристаллах (при температурах ниже точки пла-
вления) диполи молекул обычно «заморожены», т. е. закреплены на
своих местах и не могут ориентироваться. Однако дипольная поляри-
зация все же наблюдается в некоторых кристаллических телах с не-
плотной упаковкой молекул, например в водяном льде и других
кристаллах с водородными связями, где переориентация диполя заклю-
чается в перескоке протона из одного положения в другое. В полимерах
может иметь место поворот (или переброс) не целых молекул, а отдель-
ных их частей («сегментов»).
Процесс установления дипольной поляризации после включения
диэлектрика под напряжение (или процесс ее ликвидации после сня-
тия напряжения) требует относительно большого по сравнению с прак-
тически безынерционными явлениями электронной и ионной поляри-
зации времени. Поляризованность Рд дипольной поляризации за время t
с момента снятия приложенного напряжения уменьшается по экспо-
ненциальному закону:
P«(0 = ^(0)-exp(-//T). (15.13)
Постоянную времени этого процесса т называют временем релакса-
ции дипольной поляризации. Если период приложенного переменного
напряжения меньше т, то диполи не успевают ориентироваться вслед
за полем, и дипольная поляризация не дает вклада в поляризованность
диэлектрика. Так как т обычно имеет порядок 10"6—10"10 с, дипольная
поляризация проявляется лишь на частотах ниже 10е—1010 Гц. При
понижении температуры т сильно возрастает.
Миграционная поляризация наблюдается в не-
которых диэлектриках и системах изоляции, в частности в неоднород-
но
ных диэлектриках, особенно с полупроводящими включениями. В диэ-
лектриках с пол у проводящими включениями этот вид поляризации
заключается в перемещении (миграции) зарядов в этих включениях
до их границ и накопления зарядов на границах раздела. Процессы
установления и снятия миграционной поляризации сравнительно мед-
ленны и могут продолжаться секунды, минуты и даже часы. Поэтому
миграционная поляризация обычно наблюдается лишь при весьма
низких частотах.
§ 15.4. Зависимости диэлектрической проницаемости
от различных факторов
Зависимость е от частоты. Как уже отмечалось,
время установления электронной и ионной поляризации весьма мало;
поляризация диэлектриков в этом случае полностью устанавливается
за очень небольшое время по сравне-
нию с полупериодом напряжения даже
при наиболее высоких частотах, ис-
пользуемых в электротехнике и радио-
технике. Поэтому, у таких диэлектри-
ков нет заметной зависимости 8 от
частоты (рис. 15.4). У этих веществ
квадрат показателя преломления п2 в
оптическом диапазоне частот практи-
чески равен 8 на радиочастотах. На-
пример, для неполярного газа — во-
дорода — при нормальных давлениях
и температуре п= 1,00014, п2= 1,00028,
ческой проницаемости 8 от частоты
f для неполярных полимеров:
а — политетрафторэтилена; б — поли-
стирола
8 = 1,00027; для неполярной жидко-
сти — бензола п = 1,50, п2 = 2,25, 8 = 2,28; для твердого поли-
стирола п == 1,55, п2 = 2,40, 8 = 2,56, а для алмаза — вещества с
очень большим значением показателя преломления — п = 2,40, п2 =
= 5,76, 8 = 5,7.
У ионных кристаллов 8 начинает зависеть от частоты в инфракрас-
ном диапазоне (1012—1014 Гц). В видимой области спектра ионы не
успевают смещаться вслед за изменением поля и ионная поляризация
отсутствует. Значение е в оптическом диапазоне (при частоте выше
3-1014 Гц) падает до 80ПТ = п2.
Поэтому значение 8 больше, чем п2. Так, у хлористого натрия NaCl
п = 1,52, п2 = 2,32, но 8 = 5,85; у фтористого лития LiF п = 1,38,
и2 = 1,90, 8 = 9,25.
У полярных диэлектриков 8 также значительно больше, чем п2.
Например, у аммиака NH3 (полярный газ) п = 1,00018, п2 = 1,00036,
8 = 1,00072; у нитробензола (полярная жидкость, см. стр. 171) п =
= 1,523, п2 = 2,4, 8 = 36. Для воды разница между п2 и 8 еще больше:
п = 1,333, п? = 1,78, е = 81. У полярных диэлектриков 8 начинает
снижаться (рис. 15.5, а) уже в радиочастотном диапазоне, когда
угловая частота внешнего электрического поля <о = 2л/ приближается
117
п\_______I_______I_____I_________
WJ 103 105 к7 f^u,
Рис. 15.5. Зависимость диэлектри-
ческой проницаемости 8 (а) и тан-
генса угла диэлектрических потерь
tg 6 (б) от частоты / для полярного
полимера — политрифтор хлорэти-
лена при различных температу-
рах Т
к угловой частоте релаксации диэлектрика сор = 1/т, где т — время
релаксации.
Изменение е с изменением частоты называют диэлектрической
дисперсией. Дисперсию, выражающуюся в монотонном снижении е
с ростом частоты, называют релаксационной. Она характерна для
дипольной и миграционной поляризации. Ионная и электронная поля-
ризации претерпевают резонансную дисперсию, при которой е вначале
растет, затем уменьшается, проходя
через минимум, и достигает высокоча-
стотного значения (см. гл. 17).
Зависимость 8 от тем-
пературы. У неполярных ди-
электриков температура на процесс
поляризации непосредственно не
влияет; электронная поляризуемость
аэ молекул от температуры не зави-
сит. Однако вследствие теплового рас-
ширения вещества количество поля-
ризующихся молекул в единице объе-
ма уменьшается и 8 при повышении
температуры должна также умень-
шаться (рис. 15.6, а, б), т. е. темпе-
ратурный коэффициент диэлектриче-
ской проницаемости
ТКе = у • [К-1]
отрицателен. Резкое изменение е на
графике рис. 15.6, а для кристалли-
ческого диэлектрика — парафина —
объясняется ярко выраженным фа-
зовым переходом твердое тело — жидкость, связанным со скачкообраз-
ным изменением объема и плотности. При фазовом переходе из кон-
денсированного состояния в газообразное е также скачкообразно умень-
шается до характерного для газов значения, близкого к единице.
У большинства твердых ионных диэлектриков (кристаллы, стекла,
керамические материалы, ситаллы и др.) 8 при росте температуры уве-
личивается (рис. 15.6, г), что связано с ростом ионной поляризуемости.
Исключением являются вещества с высокой 8 — рутил TiO2, перовскит
CaTiO3 и др., у которых ТКе <0.
У полярных диэлектриков, как уже отмечалось, в области низких
температур ориентация диполей обычно невозможна, так как т очень
велико. При повышении температуры т уменьшается и появляется
дипольная поляризация, что обусловливает значительное увеличе-
ние 8. Однако при дальнейшем росте температуры начинает влиять
усиление хаотических тепловых колебаний молекул и соответственно
уменьшается вероятность упорядоченности их ориентации; это при-
водит к тому, что в зависимости 8 (Т) появляется типичный «диполь-
ный» максимум (рис. 15.6, в).
118
Рис. 15.6. Зависимость диэлек-
трической проницаемости е от
температуры Т для различных
диэлектриков:
а — парафин; б — полистирол; в —
хлорированный дифенил; г — хло-
ристый натрий
Зависимость е от давления. Как правило, е линей-
ных диэлектриков при увеличении действующего на диэлектрик дав-
ления р возрастает, так как при всестороннем сжатии растет плот-
ность и, следовательно, число способных поляризоваться молекул
в единице объема вещества. Поэтому
относительное увеличение при повыше-
нии давления р на единицу давления
(барический коэффициент) диэлектриче-
ской проницаемости
положительно. Для газов разность
(е — 1) пропорциональна давлению р и,
как легко рассчитать, ДК 8 = (е— 1)/(ер)
или, приближенно (так как для газов
е « 1), ДК е = (е — 1)/р. Для некото-
рых полярных жидкостей у зависимости
8 (р) при весьма высоких значениях р
наблюдается максимум, а при дальней-
шем повышении давления 8 несколько
снижается.
Помимо внешнего (гидростатическо-
го) давления, действующего на сжимае-
мый диэлектрик во время измерения его
электрических свойств, на 8 исследуемых
при нормальном давлении твердых ди-
электрических материалов аналогично
влияет и изменение технологии их из-
готовления, в результате чего получают
продукты сходного химического соста-
ва, но разной плотности. Так, для различных марок полиэтилена,
обладающих значениями плотности D, кг/м3, связь 8 с D можно опре-
делить по формуле 8 « 2,276 4- 0,002 (D — 920).
Зависимость 8 от влажности. У гигроскопических
диэлектриков 8 обычно заметно увеличивается при увлажнении. Упро-
щенно это можно объяснить сравнительно высоким значением 8 воды
(см. стр. 117). В ряде случаев измерение 8 диэлектрика применяют для
контроля его влажности.
§ 15.5. Диэлектрическая проницаемость смешанных диэлектриков
Применяемые на практике диэлектрики и электрическая изоляция
часто представляют собой не химически индивидуальные и однород-
ные вещества, а сложные системы, состоящие из смеси различных
компонентов. Важно уметь рассчитывать эффективную (усредненную)
диэлектрическую проницаемость 8* таких смесей.
Легко вывести элементарные формулы для расчета 8* системы из п
компонентов, которые образуют диэлектрик плоского конденсатора
119
при параллельном соединении (рис. 15.7, а) или при последователь-
ном (рис. 15.7, б, многослойный диэлектрик).
В первом случае
i = п
е* = 2 (6/еЭ; (15.14)
i = 1
во втором
(15.15)
6)
где 0/ и 8/ — значения объемного содержания в смеси f-го компонента
и диэлектрическая проницаемость этого же компонента.
Таким образом, в первом случае диэлектрические проницаемости
подчиняются простому арифметическому закону смешения; для много-
слойного диэлектрика тому же за-
кону подчиняются величины, об-
ратные проницаемостям. Формула
(15.15) применима для расчета 8*
— диэлектрика бумажного, пленочно-
го или бумажно-пленочного кон-
денсатора с жидкой или твердой
пропиткой.
Однако чаще всего композицион-
ные диэлектрики (многие пластиче-
ские массы, компаунды с наполни-
телями, керамические материалы
сложного состава, смеси электро-
изоляционных жидкостей и т. п.)
неупорядоченные в пространствен-
Рис. 15.7. Плоский конденсатор с раз-
личными диэлектриками (8Ь е2,83), со-
единенными параллельно (а) и после-
довательно (б)
представляют собой хаотические,
ном расположении статистические смеси. Значение е* таких смесей
обычно достаточно точно можно определить по формуле, предложен-
ной Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшицем:
i = п
/«*= 2 («./в;
I = 1
(15.16)
близкие к экспериментальным данным дает также формула К. Лихте-
неккера (логарифмический закон смешения)
1 — п
lge*= 5 (ejg8<) (15.17)
I = 1
(обозначения те же, что и ранее).
Для одних и тех же комбинаций значений 8/ и 0Z компонентов сме-
шанного диэлектрика (для простейшей двухкомпонентной смеси, т. е.
п = 2) формула (15.14) дает наибольшее, (15.15) — наименьшее, а (15.16)
и (15.17) — промежуточные значения 8*. Это иллюстрирует рис. 15.8,
на котором приведены зависимости 8* от 0Х и 02 для значений диэ-
120
лектрических проницаемостей компонентов 81 = 11 и е2= 1» вычис-
ленных по различным формулам.
Очевидное условие применимости формул (15.14) — (15.17): смесь
должна быть физической, т. е. ее компоненты не должны вступать
друг с другом в химические реакции, и образовывать новые соедине-
ния. При этом же условии формулы можно применять для расчета
коэффициента теплопроводности, а также
магнитной проницаемости смесей самых
разнообразных веществ.
Например, для «вспененных» материа-
лов, т. е. твердых материалов, в которых
Рис. 15.8. Зависимости эффективной диэлектриче-
ской проницаемости е* смесей двух компонентов от
их объемных содержаний Oi и 62 в смеси:
/ — параллельное соединение компонентов [формула
(15.14)]; 2 — последовательное соединение компонентов
[формула (15.15)]; 3 — статистическая смесь согласно
формуле Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшица (15.16); 4 —
статистическая смесь согласно формуле Лихтенеккера
(15.17)
имеется большое число мелких пор, заполненных газом (пенопласты,
пенокерамика и др.), легко получить удобную формулу для расчета 8*
путем преобразования формулы (15.17),
считая для газа диэлектрическую про-
ницаемость равной*единице,а плотность
равной нулю. Это преобразование дает
уравнение
Рис. 15.9. Зависимость эффек-
тивной диэлектрической прони-
цаемости е* вспененного поли-
стирола (пенополистирола) от
его объемной массы D*
(15.18)
л*
lge* = p-Jgec,
где 8С и Dz — диэлектрическая прони-
цаемость и плотность сплошного (не имею-
щего пор) твердого материала; D* —
объемная масса вспененного материа-
ла.
Таким образом, зависимость логариф-
ма эффективной диэлектрической про-
ницаемости вспененного материала 1g 8*
от его объемной массы должна быть
прямолинейной (рис. 15.9). Вспененные
материалы при достаточно высокой ме-
ханической прочности могут обладать
массой. Их эффективная диэлектрическая
ничтожно малой объемной массой. Их эффективная диэлектрическая
проницаемость 8* близка к единице; при малом угле диэлектрических
потерь (см. гл. 17) — это «радиопрозрачные» материалы; они обладают
также весьма малой теплопроводностью и хорошими звукоизоляцион-
ными свойствами,
121
Глава 16
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ
§ 16.1. Особенности электропроводности диэлектриков
Все диэлектрические материалы под воздействием постоянного на-
пряжения пропускают некоторый, хотя обычно и весьма незначитель-
ный ток, называемый током утечки. Если для низкокачествен-
ных электроизоляционных материалов (дерево, мрамор, асбестоце-
мент и пр.) р лежит в пределах 106—108 Ом «м, то для полистирола,
фторлона, кварца оно достигает
1014—1016 Ом*м; еще выше значе-
ния р неионизированных газов. Оче-
видно, что чем выше р, тем выше ка-
чество электроизоляционного мате-
риала.
По сравнению с электропроводно-
стью проводников (см. ч. I) и полу-
проводников (см. ч. II) электропро-
водность диэлектриков имеет ряд ха-
Рис. 16.1. Виды электрического рактерных особенностей.
тока в образце диэлектрика Во-первых, ввиду очень большо-
го удельного сопротивления диэлек-
трика ток через объем участка изоляции — объемный сквоз-
ной ток /у — очень мал и сравнимым с ним оказывается ток по
поверхности — поверхностный сквозной ток Is
(рис. 16.1). Поэтому при изучении электропроводности диэлектриков
необходимо учитывать наряду с объемным и поверхностный ток, пола-
гая общий ток участка изоляции
/ = /,+Л. (16.1)
Следовательно, проводимость G — I/U складывается из проводи-
мостей объемной Gv — IJU и поверхностной Gs = IS/U:
G = GV + GS. (16.2)
Величины, обратные указанным проводимостям, называют сопро-
тивлениями участка изоляции — объемным Rv и поверхностным Rs.
Общее сопротивление изоляции определяют как результирующее двух
параллельно включенных сопротивлений:
Под удельным сопротивлением диэлектрика р обычно понимают
удельное объемное сопротивление, для характеристики же Rs вводят
понятие удельного поверхностного сопротивления р5 (см. § 16.4).
Второй характерной особенностью электропроводности диэлектри-
ков является постепенное спадание тока со временем (рис. 16.2) после
подключения постоянного напряжения (замыкания контакта К на
122
рис. 16.1). В начальный промежуток времени в цепи протекает быстро
спадающий ток смещения /см, плотность которого JCM = dD/dt. Этот
ток прекращается за время порядка постоянной времени RC схемы
источник — образец, которое обычно мало. Однако ток продолжает
изменяться и после этого, часто в течение минут и даже часов. Мед-
ленно изменяющуюся составляющую тока, обусловленную перерас-
пределением свободных зарядов в объеме диэлектрика, называют
током абсорбции (/абс).
Ток абсорбции связан с поглощением носителей заряда объемом
диэлектрика: часть носителей встречает на своем пути ловушки за-
хвата — дефекты решетки, захватывающие и удерживающие носители.
Со временем, когда все ловушки за-
полняются носителями, ток абсорбции
прекращается и остается только не 1
изменяющийся во времени сквозной
ток /скв, который обусловлен прохож-
дением носителей заряда от одного
электрода до другого и равен сумме
объемного и поверхностного сквозных
токов:
о
= + (16.4)
Рис. 16.2. Изменение тока в ди-
Цкв
t
Ток абсорбции приводит к нако-
плению носителей заряда в опреде-
электрике после подключения по-
стоянного напряжения
ленных местах диэлектрика — дефектах решетки, границах раздела,
неоднородностях. Вследствие появления объемных зарядов распреде-
ление напряженности поля в диэлектрике становится неоднородным.
Накопление в диэлектрике объемных зарядов приводит и к такому
нежелательному явлению, как неполный разряд конденсатора при
коротком замыкании его обкладок, характеризуемый коэффициентом
абсорбции, равным отношению остаточного напряжения к началь-
ному. Ток абсорбции используют при изготовлении электретов (см.
гл. 26).
При измерении удельного сопротивления ток абсорбции необходимо
исключить, выдерживая образец под напряжением в течение некото-
рого времени.
Особенности электропроводности твердых, жидких и газообразных
диэлектриков рассматриваются далее.
§ 16.2. Электропроводность твердых диэлектриков
Электропроводность диэлектриков в отличие от полупроводников
чаще всего носит не электронный, а ионный характер. Это связано с тем,
что ширина запрещенной зоны в диэлектриках &W^>kT и лишь нич-
тожное количество электронов может отрываться от своих атомов за
счет теплового движения. Ионы же часто оказываются слабо связан-
ными в узлах решетки, и энергия W, необходимая для их срыва,
сравнима с kT. Например, в кристалле NaCl = 6 эВ, а энергия
123
отрыва иона натрия W = 0,85 эВ. Поэтому несмотря на меньшую
подвижность ионов (Пион) п0 сравнению с подвижностью электронов
(р,9Л) ионная проводимость оказывается больше электронной за счет
значительно большей концентрации свободных ионов:
^ион?Нион ^эл^Рэл* (16.5)
Носителями заряда в диэлектриках обычно оказываются ионы
малых размеров, подвижность которых выше: протоны в водородсо-
держащих соединениях (полимеры, кристаллы типа КН2РО4 и другие
с водородными связями), ионы натрия (NaCl, содержащие натрий
стекла) и т. д.
Удельная электрическая проводимость твердых диэлектриков, как
и полупроводников, растет с ростом температуры по экспоненциаль-
ному закону
у = nq\k ~ ехр (— W/kT). (16.6)
Однако зависимость у (Т) часто обусловлена не экспоненциальным
ростом концентрации носителей, как в полупроводниках: п ~ ехр
(—W/kT), а ростом подвижности: р ~ ехр (—W/kT). Это связано
с тем, что дрейфовая подвижность ионов мала и осуществляется путем
их перескока с ловушки на ловушку, разделенных потенциальным
барьером W (так называемая «прыжковая» электропроводность).
Вероятность таких тепловых перескоков прямо пропорциональна
ехр (— W/kT).
Обычно в диэлектрике имеется несколько видов носителей заряда.
Например, кроме ионов основного вещества могут иметься слабо свя-
занные ионы примесей. В этом случае
удельная проводимость складывается из
собственной с энергией активации W и
примесной с энергией активации И7пр:
у = Дхехр (— №/&?) +
+ Лгехр(— W„p/kT). (16.7)
В широком диапазоне температур
зависимость логарифма удельной про-
водимости у от обратной величины абсо-
лютной температуры Т должна состоять
из двух прямолинейных участков с раз-
личными значениями угла наклона к
оси абсцисс (рис. 16.3). При температуре
выше точки излома А электропровод-
ность определяется в основном собст-
венными дефектами — это область высокотемпературной, или собст-
венной, электропроводности. Ниже излома, в области низкотемпера-
турной, или примесной, электропроводности, зависимость более по-
логая. В отличие от трудно воспроизводимой низкотемпературной
области электропроводности, определяемой в основном природой и
концентрацией примесей, значение собственной удельной проводи-
мости не зависит от примесей, хорошо воспроизводимо и является
физическим параметром данного соединения,
124
Рис. 16.3. Зависимость удель-
ной электрической проводимости
диэлектрика от температуры
Температура, при которой наблюдается излом зависимости log у
(1/71), сильно зависит от степени чистоты и совершенства кристалла.
При увеличении содержания примесей и дефектов примесная удель-
ная проводимость растет и оказывается существенной при более вы-
соких температурах.
По наклонам участков прямых зависимостей log у (1/Т) можно
определить энергию активации носителей заряда и их природу.
Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества:
положительные ионы движутся к катоду, а отрицательные к аноду.
Электролиз особенно ярко выражен при повышенных температурах,
когда р мало, и приложении высоких постоянных напряжений. По
выделившемуся на электродах веществу можно определить характер
носителей заряда. У диэлектриков с чисто ионным характером электро-
проводности строго выполняется закон Фарадея пропорциональности
между количеством пропущенного электричества и количеством вы-
делившихся веществ.
Некоторые диэлектрики (например, ТЮ2 и другие титансодержа-
щие керамические материалы) обладают электронной или дырочной
электропроводностью. Однако носителями часто являются электроны
не основного вещества, а примесей и дефектов. В титансодержащей
керамике при высокотемпературном синтезе появляются в значитель-
ном количестве кислородные вакансии, отдающие слабо связанные
электроны или дырки. От них и зависит наблюдаемая электропровод-
ность.
В кристаллах удельное сопротивление зависит от направления.
Так, в кварце р= 1012 Ом-м вдоль оптической оси и больше
2*1014 Ом*м поперек этой оси.
§ 16.3. Электропроводность жидкостей
Электропроводность жидкостей обусловлена ионами, образую-
щимися при диссоциации молекул самой жидкости или ее примесей.
В связи с увеличением энергии хаотического теплового движения моле-
кул степень ионизации и концентрация ионов растет с повышением
температуры по экспоненциальному закону:
п = n0 exp (— W/kT), (16.8)
где W — энергия диссоциации. Отсюда удельная проводимость
Т = п<7(|х+ + р-)=Л ехр (— а/Т). (16.9)
Здесь р+ и — подвижности положительных и отрицательных
ионов соответственно; q — заряд иона; п и А — константы.
Логарифм проводимости жидкости линейно уменьшается с увели-
чением обратной абсолютной температуры 1/71, как в собственных по-
лупроводниках. Однако в отличие от полупроводников, где а — \W/2k
(AU7 — ширина запрещенной зоны), показатель экспоненты в жидко-
стях определяется энергией их диссоциации: а = W/kt
125
Удельное сопротивление жидкостей
р = Вехр (а/Т), (16.10)
где В — константа.
По аналогичному закону изменяется вязкость жидкостей т] (см.
гл. 19). Зависимость р (Т) жидкостей объясняется как изменением
Л (Г), так и изменением п (Т), т. е. температурной диссоциацией мо-
лекул.
Диссоциация молекул легче происходит в полярных жидкостях,
чем в неполярных. Ввиду того что энергия диссоциации полярных
жидкостей значительно меньше, чем неполярных, их удельная про-
водимость существенно выше. Так, для сильно полярных жидкостей
(дистиллированная вода, этиловый спирт, ацетон) р = 103—105, для
слабо полярных (совол, касторовое масло) р = 108—1010, для непо-
лярных (бензол, трансформаторное масло) р > 1010—1013 Ом*м.
В неполярных жидкостях молекулы основного вещества практически
не диссоциируют на ионы, и их электропроводность обусловлена при-
месями, особенно полярных веществ.
В жидкостях (и газах) с примесями иногда наблюдается молионная
электропроводность, характерная для коллоидных систем, которые
представляют собой тесную смесь двух веществ (фаз); причем одна
фаза в виде мелких частиц (капель, зерен, пылинок и т. п.) равномерно
взвешена в другой. Из коллоидных систем наиболее часто встречаются
в электроизоляционной технике эмульсии (обе фазы — жидкости) и
суспензии (дисперсная фаза — твердое вещество, дисперсионная сре-
да — жидкость). Стабильность эмульсий и суспензий, т. е. способ-
ность их длительно сохраняться без оседания дисперсной фазы на
дно сосуда (или всплывания ее на поверхность) вследствие различия
плотностей обеих фаз, объясняется наличием на поверхности частиц
дисперсной фазы электрических зарядов (при одноименном заряде
частицы взаимно отталкиваются). Такие заряженные частицы дисперс-
ной фазы и называют молионами. При наложении на коллоидную си-
стему электрического поля молионы приходят в движение, что выра-
жается в виде электрофореза.
Примеры практического использования электрофореза — покры-
тие металлических предметов каучуком и смолами из их суспензий,
обезвоживание различных материалов в электрическом поле и др.
В отличие от электролиза при электрофорезе не наблюдается обра-
зования новых веществ, а лишь меняется относительная концентра-
ция дисперсной фазы в различных частях объема вещества. Молион-
ная электропроводность присуща жидким лакам и компаундам, увлаж-
ненным маслам и т. п. Ее вклад в проводимость, как и вклад ионной
электропроводности, зависит от вязкости жидкости.
§ 16.4. Электропроводность газов
Электропроводность газов обусловлена наличием в них некото-
рого количества заряженных частиц. В нормальных условиях число
заряженных частиц (ионов газа или твердых и жидких примесей,
126
находящихся во взвешенном состоянии) в 1 м3 атмосферного воздуха
не превышает нескольких десятков миллионов.
Происхождение носителей заряда в газах объясняется различными
факторами: радиоактивным излучением Земли; радиацией, проникаю-
щей из космического пространства; излучением Солнца; иногда тепло-
вым движением молекул и т. п. При поглощении энергии бомбарди-
рующей частицы молекула газа теряет электрон и превращается в по-
ложительный ион. Высвобождаемый при этом электрон «прилипает»
к нейтральной молекуле, образуя отрицательный ион.
В ряде случаев концентрация свободных носителей заряда может
достигать очень больших значений. Это обычно связано с фотоиони-
зацией молекул газа. Такая ионизация может происходить, например,
при воздействии ионизирующих излучений: рентгеновских и гамма-
лучей, потоков нейтронов и т. п. Заряженные ионы, так же как и окру-
жающие их не имеющие электрического заряда молекулы газа, совер-
шают беспорядочные тепловые движения, и вследствие диффузии
происходит выравнивание концентрации ионов в газе. При встрече
положительных и отрицательных ионов происходит их рекомбинация.
В стационарном случае, когда число ионов не изменяется с течением
времени, между процессами генерации и рекомбинации заряженных
частиц устанавливается динамическое равновесие.
Вычислим удельную проводимость газа. При наложении внешнего
электрического поля положительные и отрицательные ионы, преодо-
левая сопротивление трения газа, будут двигаться между электродами
со скоростями соответственно: v+ = р+Е и v_ = |д,_Е, где р,+ и р,_ — под-
вижности положительного и отрицательного ионов.
Связь между числом имеющихся в 1 м3 газа положительных Af+
и отрицательных ионов и числом Мр ионов, рекомбинирующих
в 1 м3 газа за время 1 с, можно представить так:
Np = aN+N_t
где а — коэффициент рекомбинации ионов газа, м3/с. В стационар-
ном случае М+ = AL = N, так что Np = aN2.
Для воздуха, например, а = 1,6 *10"12 м3/с.
Если напряженность поля Е очень мала, так что протекающий ток
не меняет концентрации ионов в газе, плотность тока
J — Nq (v+4-v_) = ^y ^/а(ц+ + |л_)Е. (16.11)
Принимая во внимание, что J = уЕ [формула (В.З)], получаем
выражение для удельной проводимости газа
y = q /Л^/а(|1+ + (х_). (16.12)
Удельная проводимость воздуха в слабых полях составляет около
10"18 См/м.
Из формулы (16.11) видно, что при малых значениях напряжен-
ности внешнего электрического поля, когда Np, а, р,+ и можно счи-
тать постоянными, плотность тока в газе прямо пропорциональна
напряженности приложенного поля, т. е. в этих условиях соблюдается
закон Ома (участок ОА на рис. 16.4). Однако при дальнейшем возра-
127
станин напряженности поля закон Ома уже не выполняется. В этом
случае почти все ионы, образующиеся в газе, будут уходить на элект-
роды, не рекомбинируя. Так как число ионов в газе при малых полях
ограничено и не зависит от напряжения, то дальнейшее повышение
напряжения не вызывает увеличения тока; при этом плотность тока
J = JH, где Jn — плотность так называемого тока насыщения (уча-
сток АВ на рис. 16.4).
Насыщение в воздухе достигается при очень малых значениях Е.
В случае, когда расстояние
Рис. 16.4. Зависимость плотно-
сти тока в газах от напряженно-
сти электрического поля
между электродами равно 1 см, насыще-
ние достигается уже при Е » 0,5 В/м.
При напряженностях поля, больших
поля насыщения, удельное сопротивле-
ние газа выше, чем в слабых полях.
Значение плотности тока насыщения
*7Н в газах невелико и обычно не превы-
шает 10~16—10‘14 А/м2.
При дальнейшем повышении Е до
значений, близких к электрической
прочности Епр (см. гл. 18), возникает
возможность генерации заряженных ча-
стиц в электрическом поле из-за появ-
ления ударной ионизации, и кривая за-
резко подниматься (участок ВС на рис.
висимости J от Е начинает
16.4). В предпробивных полях создаются условия для возникновения
«лавин», и ток очень резко возрастает, пока при Е = Еп? не насту-
пит пробой газа.
§ 16.5. Поверхностная электропроводность диэлектриков
Благодаря неизбежному увлажнению, окислению, загрязнению
и т. д. поверхностных слоев электрической изоляции у твердых диэ-
лектриков создается заметная поверхностная электропроводность,
поэтому диэлектрик характеризуется значением удельного по-
верхностного сопротивления р^.
У проводниковых материалов поверхностные токи исчезающе малы
по сравнению с объемными; поэтому у этих материалов поверхностное
сопротивление не учитывается. Не определяется поверхностное сопро-
тивление также у жидких и газообразных диэлектриков. Не имеет
смысла определение поверхностного сопротивления и у тонких слоев
твердых диэлектриков (например, лаковых пленок), так как в этом
случае практически невозможно отделить поверхностные токи утечки
от объемных.
Формальное определение р^ вытекает из следующих соображений:
поверхностное сопротивление участка поверхности твердого диэлект-
рика между параллельными друг другу кромками электродов длиной Ь,
отстоящими друг от друга на расстоянии а (рис. 16.5), прямо пропор-
ционально а и обратно пропорционально Ь;
^ = р,у, (16.13)
128
где коэффициент пропорциональности и есть удельное поверхност-
ное сопротивление:
= (16.13')
Размерность совпадает с размерностью сопротивления (отноше-
ние b/а безразмерно). Выражая величину Rs в омах, получаем для ps
единицу Ом. Очевидно, что р5 есть сопротивление квадрата (любой
величины) на поверхности диэлектрика, ток через который идет от
одной стороны к противоположной*, при а=Ь согласно формуле (16.13)
Rs Ps- f
Формулы (16.13) и (16.13') не строги, так как не учитывают влия-
ния краев электродов; они тем более точны, чем меньше а по сравне-
Рис. 16.5. К определе-
нию удельного поверхно-
стного сопротивления
Рис. 16.6. Определение удель-
ного поверхностного сопро-
тивления диэлектрика с коак-
сиальными электродами
нию с Ь (см. рис. 16.5). Для более точного определения величины ps
можно измерить поверхностное сопротивление Rs между помещенными
на поверхности диэлектрика электродами в виде двух коаксиальных
колец (рис. 16.6). В этом случае связь между Rs и можно выразить
в виде уравнения
^ = ^1п|. (16.14)
Характер зависимости р5 диэлектриков от различных факторов
(температуры, влажности, величины приложенного напряжения) схо-
ден с характером изменения р. Однако при изменениях влажности
окружающей среды значения р^ изменяются быстрее, чем р. В боль-
шинстве случаев р5 увлажненного твердого диэлектрика тем ниже,
чем меньше краевой угол смачивания |3 (см. § 19.3). Так, для политет-
рафторэтилена, полистирола и ультрафарфора угол |3 равен 113;
98 и 50°, а значения р^ (при относительной влажности воздуха 98%)
равны соответственно 5 *1017; 3-1015 и 1013 Ом.
Рост поверхностной проводимости для растворимых диэлектриков
объясняется наличием на их поверхности ионов, а для пористых —
б п/р. Тареева
129
влаги. Кроме того, падает при загрязнении поверхности диэлект-
рика.
Для повышения поверхностного сопротивления электроизоляцион-
ных изделий их покрывают влагостойкими гидрофобными веществами
с большим (глазурь для фарфоровых изоляторов, полимерные гер-
метики и т. д.).
Глава 17
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ
§ 17.1. Основные определения
При воздействии электрического поля на любое вещество в послед-
нем наблюдается рассеяние некоторого количества электрической
энергии, превращающейся в тепловую. Обычно говорят о «потерях»,
имея в виду среднюю за некоторый промежуток времени рассеиваемую
электрическую мощность. Как правило, потери прямо пропорцио-
нальны квадрату напряженности поля.
В диэлектрике, помещенном в переменное синусоидальное электри-
ческое поле с напряженностью Е и угловой частотой со, возникают
электрические токи двух видов: ток смеще-
ния и ток проводимости. Плотность тока
смещения
JCM = /weoe£, (17.1)
плотность тока проводимости
Jnp = Ya£. (17.2)
О Jnp Е
Рис. 17.1. Векторная диа-
грамма плотностей тока в
диэлектрике
гДе Та — удельная активная проводимость
диэлектрика на угловой частоте со.
Плотность общего тока J равна векторной
сумме плотностей токов смещения и прово-
димости, как это изображено на векторной
диаграмме на комплексной плоскости рис. 17.1. Если бы диэлектрик
был идеальным, т. е. без потерь (уа = 0), ток был бы чисто реактив-
ным и его плотность J = <7СМ = /шеоеЕ на рис. 17.1 была бы напра-
влена по мнимой оси под углом 90° к вектору Е. Однако у реальных
диэлектриков, с уа отличной от нуля, суммарный ток сдвинут на угол
6 = 90° — ф относительно тока идеального диэлектрика (ф — угол
сдвига фаз между током и напряжением). Чем больше уа, тем больше
угол 6, характеризующий степень отличия реального диэлектрика от
идеального. Угол 6 между векторами плотностей переменного тока
диэлектрика и тока смещения на комплексной плоскости называют
углом диэлектрических потерь. Тангенс этого угла
tg б J Пр/ Jсм — Ya/G^O^)
(17.3)
130
является одним из важнейших параметров не только диэлектриков,
но также конденсаторов, изоляторов и других электроизоляционных
элементов.
Мощность, рассеиваемая в единице объема вещества, т. е. так назы-
ваемые удельные диэлектрические потери, р =
= уа£2 [формула (В.5)] или с учетом (17.3)
р = со£2еое tg б [Вт/м3], (17.4)
где Е — действующее значение напряженности переменного поля, В/м.
Чем выше tg б, тем больше нагрев диэлектрика в электрическом поле
заданной частоты и напряженности.
Введение безразмерного параметра tg б удобно потому, что он не
зависит от формы и размеров участка изоляции, а определяется лишь
свойствами диэлектрического материала. Если к конденсатору или
другому электроизоляционному элементу приложено напряжение
с угловой частотой со и действующим значением (/, то отношение про-
ходящих тока проводимости /пр = U/Ra (где Ra — активное сопро-
тивление элемента на частоте со) и тока смещения /см = U&C (где С —
емкость) можно выразить так: /пр//см = 1/(со/?аС). Так как Ra =
= 1/(уаЛ), а С = eoeA (где Л — приведенная длина [см. формулу
(В.6)], то
^2 =____L-= „У8.. =tg6. (17.5)
/см «#аС сое0е
Полные диэлектрические потери в участке изоляции емкостью С
при приложении напряжения U (действующее значение) угловой
частотой со с учетом (17.5)
P = U2/Ra = vU2Ctg6 [Вт]. (17.6)
Наряду с потерями tg б характеризует добротность конденсатора
(а следовательно, и максимально возможную добротность контура
с данным конденсатором):
Q= l/tg6. (17.7)
Таким образом, tg б есть величина, обратная добротности Q.
В радиоэлектронике часто используют комплексные величины,
что упрощает расчеты. Плотность тока, протекающего через реальный
диэлектрик с потерями, при этом записывают в виде
j = + уа£ = /<оеоёЁ, (17.8)
где комплексная диэлектрическая проницаемость
8 = е' - /е" = е — /уа/(а)80). (17.9)
Путем введения комплексной диэлектрической проницаемости
реальный диэлектрик, обладающий удельной проводимостью уа на ча-
стоте со, заменяют «идеальным» с проницаемостью 8 вместо действи-
тельной величины е. При этом уравнения электродинамики сохраняют
свою форму, характерную для диэлектриков без потерь.
б* 131
Действительная составляющая комплексной диэлектрической про-
ницаемости е' = е, а мнимая
е" = Ya/(^0) = 8 tg 6. (17.10)
Мнимой составляющей комплексной диэлектрической проницае-
мости е" определяют удельные диэлектрические потери (17.4) при
заданном действующем значении и частоте электрического поля:
Р = 0)808"£2. (17.11)
Поэтому в" называют коэффициентом диэлектри-
ческих потерь. Использование е" особенно удобно при описа-
нии диэлектрической дисперсии (см. § 17.3—17.5).
С учетом (17.10) выражение для 8 (17.9) записывают в виде
8 = 8(1 -/tg6). (17.12)
Высокие диэлектрические потери приводят к разогреву и тепло-
вому пробою диэлектриков в сильных электрических полях, сниже-
нию добротности и избирательности колебательных контуров. В связи
с этим стремятся снизить tg б диэлектрических материалов, что воз-
можно, если известна природа диэлектрических потерь.
В данной главе рассмотрены различные механизмы диэлектриче-
ских потерь: потери на электропроводность, релаксационные потери
(включая миграционные), резонансные и ионизационные потери.
§ 17.2. Потери на электропроводность
Сквозной электрический ток, о котором говорилось в § 16.1, сущест-
вует не только на постоянном, но и на переменном напряжении. При
этом он характеризуется той же удельной электрической проводимо-
стью у (или удельным сопротивлением р = 1/у), что и на постоянном
токе. Наличие сквозного тока в переменном поле приводит к рассея-
нию мощности
Рскв = ?£2 (17.13)
в единице объема диэлектрика. Эту часть диэлектрических потерь,
обусловленную сквозным током диэлектрика, называют диэлект-
рическими потерями на электропроводность.
Мощность потерь на электропроводность, как видно из (17.13), не
зависит от частоты. Однако тангенс угла потерь, обусловленных сквоз-
ным током,
(17.14)
обратно пропорционален частоте (в слабо зависит от частоты). На вы-
соких частотах (при р > 1010 Ом-м— выше 10 кГц) tg 6СКВ очень
мал — менее 10*4 (рис. 17.2, а). Следовательно, потери на электро-
проводность существенны лишь при низких частотах (50—1000 Гц).
132
Рис. 17.2. Зависимость тангенса угла ди-
электрических потерь на электропровод-
ность:
а — от частоты при температурах 7\ и Гя;
б — от температуры
Влияние потерь на электропроводность на tg 6 диэлектриков воз-
растает с ростом температуры. Это связано с увеличением удельной
проводимости у в области высо-
ких температур (см. § 16.3, 16.4),
В случае повышенных темпера-
тур tg 6СКВ (17.14) может быть
высоким даже при высоких ча-
стотах (рис. 17.2, б).
Потери на электропровод-
ность ничтожно малы у элект-
роизоляционных материалов с
высоким удельным сопротивле-
нием (полиэтилен, политетраф-
торэтилен и т. п.), а на высо-
ких и сверхвысоких частотах —
практически у всех материалов.
Однако их необходимо учиты-
вать в изоляции, работающей при повышенных температурах (выше
100° С), а также при увлажнении и прочих условиях, приводящих
к снижению удельного сопротивления.
§ 17.3. Релаксационные потери
Активная проводимость диэлектриков при переменном токе уа
обычно значительно больше, чем при постоянном (у), а тангенс угла
потерь даже на высоких частотах не падает ниже 10"4. Следовательно,
существуют другие механизмы потерь, кроме обусловленных током
сквозной проводимости. Эти механизмы связаны с поляризацией диэ-
лектрика.
Работа, затрачиваемая электрическим полем на поляризацию еди-
ницы объема диэлектрика,
w = $ Р dE.
Если поле синусоидально, то работа за период определяется интег-
ралом по замкнутому контуру Р (£), потому что через период \/f
как Р, так и Е возвращаются к исходному значению:
w = §PdE, (17.15)
т. е. она равна площади петли Р (£) (рис. 17.3).
Если время установления поляризации т значительно меньше пе-
риода изменения электрического поля l/f и Р успевает следовать
за £, то энергия на поляризацию за период не затрачивается: работа,
совершаемая при подаче электрического поля, полностью отдается
диэлектриком при снятии поля, и $PdE = 0. В случае, когда т срав-
нимо с 1/Д поляризация не успевает полностью установиться за период
изменения поля, поляризованность Р отстает по фазе от напряжен-
ности £, и $PdE > 0 (рис. 17.3). Таким образом, на поляризацию
затрачивается энергия электрического поля, переходящая в диэлект-
133
рические потери. Наконец, при т \/f поляризация совершенно не
успевает установиться за полупериод изменения электрического поля,
меняющего знак, и Р = 0, откуда $PdE = 0.
Следовательно, диэлектрические потери на поляризацию макси-
мальны, когда период изменения электрического поля сравним со
временем установления поляризации т. Если частота поля со > 1/т,
поляризация не успевает следовать за изменениями поля, поляризо-
ванность и диэлектрическая проницаемость станут ниже низкочастот-
ных. В области частот со « 1/т наблюдается изменение диэлектриче-
ской проницаемости с увеличением частоты, называемое диэлект-
рической дисперсией (см. гл. 15).
Рис. 17.3. Зависимость поляризованности Р от напряженности переменного поля Е
для трех соотношений времени установления поляризации т и периода изменения
поля \lf
Диэлектрическая дисперсия может носить релаксационный (е моно-
тонно снижается с ростом со) или резонансный характер (е с ростом
частоты проходит через максимум и минимум). В данном параграфе
рассмотрим релаксационную дисперсию, характерную для дипольной
поляризации полярных диэлектриков, и связанные с ней потери.
Обозначим дипольную поляризованность Рд. Если диэлектрик вы-
вести из состояния равновесия, т. е. поляризовать, то после выключе-
ния поля поляризованность будет уменьшаться от начального, уста-
новившегося значения Рс = Рд (0) по закону (15.13). Время т, в тече-
ние которого дипольная поляризованность уменьшится в е раз после
выключения поля, называют временем релаксации (см. § 15.3).
Математически релаксация описывается уравнением
dP„ 1
(17.16)
Если поле синусоидально, то индуцированная им поляризован-
ность будет также синусоидальной: Рд = Рд ехр (/со/)» где — ком-
плексная амплитуда дипольной поляризованности. Подставляя зна-
чение Рд в (17.16), получим
Рд = Рс/(1+/(ОТ).
Так как статическое значение Рс = е0%сЕ, а Рд = 80%д£, отсюда можно
найти комплексную дипольную восприимчивость
у = 2£с = 2^____________; /17 17)
Лд 1+/CDT l-f-(d2T2 '1+(02Т2,
134
Действительная составляющая дипольной восприимчивости Хд =
= Хс/(1 + уменьшается с ростом частоты от статического значе-
ния %с при со -> 0 до нуля при со —> сю (рис. 17.4). При частоте
(ор= 1/т, (17.18)
называемой угловой частотой релаксации, дипольная вос-
приимчивость снижается вдвое от ста-
тического значения.
Мнимая составляющая восприим-
чивости %д = (отхс/(1 + <о2т2) при этой
частоте имеет максимум (рис. 17.4),
равный Хс/2.
Перейдем от дипольной восприим-
чивости к диэлектрической проницае-
мости е, которая с учетом (17.17) так-
же будет комплексной:
8 —- 8
Рис. 17.4. Частотные зависимости
действительной и мнимой состав-
ляющих комплексной дипольной
восприимчивости
где 8со = 1 + Хэл + Хион — значение
е при со -> оо, обусловленное элект-
ронной и ионной поляризацией;
ес = 1 + Хэл + Хион + Хдс — статическая е при со -> 0; ес — еет = хдс.
Уравнение (17.19) — это формула Дебая, описывающая ча-
стотную зависимость комплексной диэлектрической проницаемости
при релаксации.
Из данной формулы получают выражения для действительной и
мнимой составляющих ё, а также для tg 6 = е"/е:
»'_о I °”
6 -есо+ j +шЧ2,
p<,_tdT(Rc-8co)
1 +<оЧ2 ’
(17.20)
(17.21)
(17.22)
tg6 =
(ес~еоо)
вс + еоо“2т1!
Частотные зависимости е', е" и tg 6 представлены на рис. 17.5.
С ростом частоты е' монотонно снижается от статического значения
ес (со ->• 0) до высокочастотного (со -> оо), принимая при частоте
релаксации сор среднеарифметическое значение (ес + &со)/2- Мнимая
составляющая комплексной диэлектрической проницаемости макси-
мальна при частоте релаксации, где е" = (ес — 6^1/2. Максимум tg 6
лежит при несколько большей частоте
(17-23>
где он достигает значения
tg бтах
(17.24)
135
Ширина максимума г' (со) на половинном уровне составляет не-
сколько больше одного порядка по частоте. В действительности ре-
Рис. 17.5. Частотные зависимости ком-
плексной диэлектрической проницае-
мости и тангенса угла потерь при ре-
лаксационной дебаевской дисперсии
(масштаб tg 6 увеличен)
лаксационные потери часто зани-
мают значительно более широкую
область спектра. Это объясняется
тем, что существует не одно время
релаксации, а ряд таких времен
(если в диэлектрике имеются дипо-
ли с различными т). Наложение
нескольких смещенных относитель-
но друг друга кривых е" (со), соот-
ветствующих различным т, дает
более широкий максимум диэлект-
рических потерь (рис. 17.6).
В тех случаях, когда диполи в
диэлектрике одинаковы, но имеют
разное окружение, приводящее к
различию т, времена релаксации могут иметь непрерывное распре-
деление вокруг среднего значения. Частотная зависимость комплекс-
ной диэлектрической проницаемо-
сти вместо (17.19) в этом случае
описывается соотношением
8 —— 8
<17-25>
где а характеризует интервал рас-
пределения т (при а = 0 имеется
одно время релаксации).
Оценить ширину интервала рас-
пределения времен релаксации на
основании экспериментальных дан-
ных по частотной зависимости г'
Рис. 17.6. Зависимость коэффициента
диэлектрических потерь от частоты
при наличии диполей с различными
временами релаксации ть т2, т3
и в" можно с помощью диаграммы,
которую предложили американские
физики братья К. и Р. Коул.
Диаграмма Коул-
Коула — это представление ди-
электрической дисперсии в виде гра-
фика зависимости мнимой состав-
ляющей комплексной диэлектриче-
ской проницаемости от действи-
тельной при различных частотах
(рис. 17.7). При одном времени
релаксации геометрическое место
точек в', е" для различных частот,
описываемое (17.19), представляет
Рис. 17.7. Диаграмма Коул-Коула:
/ — при одном времени релаксации; 2 —
при интервале распределения времен ре-
лаксации (крестиками отмечены центры
окружностей)
собой полуокружность, центр ко-
торой лежит на действительной оси в точке с координатой е' =
= (ес + есо)/2. При наличии диполей с распределенными временами
136
релаксации зависимость е" от е' для различных частот, описываемая
(17.25), изображается дугой окружности с центром, лежащим ниже оси
ГГ Л ГЧ Т « Л --%. л' W*
Рис. 17.8. Частотные зависимости в' и е"
полярного диэлектрика при различных
температурах
е'. Угол, образуемый осью в' и
прямой, соединяющей точку
е' = Sqo и центр окружности,
равен ал/2 и характеризует, та-
ким образом, интервал распре-
деления времен релаксации.
При комнатной температуре
времена релаксации жидкостей
лежат в пределах 1(Г6—10-п с (на-
пример, для воды т = 1О'И с,
для этилового спирта т =
= 1,3-10"10 с). Поэтому частоты
релаксации находятся в радио-
частотном диапазоне.
Время релаксации сильно зависит от температуры, подчиняясь
обычно экспоненциальному закону:
т = т0 ехр (ДИ7/АГ),
(17.26)
где т0 — постоянный множитель, a ДW — энергия активации диполя,
равная высоте потенциального барьера,
разделяющего два его положения рав-
новесия.
Частота релаксации растет с повы-
шением температуры:
ехр (— bW/kT). (17.27)
Соответственно частота релаксацион-
ного максимума диэлектрических потерь
также повышается с ростом температуры
(рис. 17.8). Значения 8 и tg 6 полярных
диэлектриков сильно зависят от темпера-
туры Т (рис. 17.9). При высоких темпе-
ратурах снижение 8 с ростом Т связа-
но с' разориентирующим влиянием на
электриков на разных частотах
дипольную поляризацию хаотического теплового движения, в резуль-
тате чего 8 8оо при Т -> оо. При низких температурах 8 падает до
значения е^, потому что частота релаксации становится ниже частоты
измерений. Чем выше частота измерений, тем выше температура па-
дения 8 (Г). При температурах падения 8 (Г) наблюдаются релакса-
ционные максимумы потерь (рис. 17.9). Таким образом, релаксацион-
ная дисперсия может наблюдаться при изменении не только частоты,
но и температуры.
В полярных диэлектриках наблюдаемые потери 8" представляют
собой сумму из потерь на электропроводность и релаксационных по-
терь.
137
§ 17.4. Резонансные потери
Резонансные диэлектрические .потери происходят при дисперсии
резонансного характера, когда частота электрического поля прибли-
жается к частотам собственных колебаний электронов или ионов.
Уравнение упругих колебаний заряженных частиц в электрическом
поле имеет вид
m~+r^+kx=qE, (17-28)
где т — масса; г — коэффициент затухания; k — коэффициент упру-
гости связи.
При синусоидальном поле комплексная амплитуда смещения ча-
стицы
? — = ^lni П 7 991
— mco2+/гео + k со2 — со2 + /сосо0Г * \ • /
где со0 = — угловая частота собственных колебаний частиц;
Г = r^km — затухание (безразмерный параметр).
Индуцированный полем электрический дипольный момент при сме-
щении частицы р = qx, и если в единице объема содержится N таких
диполей, то поляризованность за счет данного механизма
(17.30)
Оо Z wo
Отсюда комплексная восприимчивость, обусловленная данным ме-
ханизмом поляризации (электронным или ионным),
~ _ Mq2/(z0k)_____
X1 1 —(со2/со§) + (/соГ/со0) ’
а комплексная диэлектрическая проницаемость
I ен.Ч-£^
Ь-Боо-Ь 1- ((й2/(02) + (/(0Г/(00)’
где боо — проницаемость на частотах со (о0, обусловленная более
высокочастотными механизмами поляризации, чем рассматриваемый;
8нч — проницаемость на низких частотах (со со0)» равная 8оо +
+ Nq2/(&Qk).
Действительная и мнимая составляющие &:
00 “Г (1 - со2/со2)2 + Г2а)2/(0о ’
(ен,ч^еоо)Г(0/(00
' “ (1-(о2М)2 + Г2ю2/(о2,
(17.33)
(17.34)
С повышением частоты в' растет от своего низкочастотного значе-
ния 8НЧ, достигает максимума, затем падает и снова растет, прибли-
жаясь к значению 8^ (рис. 17.10). При частоте со = со0 диэлектрическая
проницаемость s' = 8qo. Минимум е' может быть меньше 1 и даже
138
меньше нуля (в отличие от статической проницаемости, которая всегда
больше 1). Отрицательный знак в' означает, что колебания вектора
смещения D происходят в противофазе с вектором Е.
Разность значений диэлектрической проницаемости на частотах,
соответствующих началу (8НЧ) и окончанию (воо) диэлектрической
дисперсии,
Де = 8Н q — 8оо = М<72/(80&) (17.35)
называют глубиной дисперсии. Глубина дисперсии равна
вкладу данного механизма поляризации в е (при со со0 частицы не
успевают совершить колебания вместе с полем и на 8 влияния не ока-
зывают).
Резонансные диэлектрические потери 8" максимальны при частоте,
близкой к соо (рис. 17.10). Чем больше глубина дисперсии, тем больше
резонансные потери. Чем больше за-
тухание Г, тем шире максимум кри-
вой 8" (со), но тем меньше максималь-
ное значение
В отличие от частоты релаксации
резонансная частота очень стабильна
и слабо зависит от температуры и
других факторов. Поэтому спектраль-
ные линии служат эталонами единиц
измерения. С понижением температу-
ры обычно лишь уменьшается затуха-
ние Г и максимум в" (со) становится
более острым.
Резонансные потери электронной
поляризации имеют максимумы в оп-
тическом диапазоне: инфракрасной,
видимой и ультрафиолетовой областях
1017 Гц). С ними связано поглощение света веществом. Потери сопро-
вождаются частотной зависимостью показателя преломления и макси-
мальны в области так называемой «аномальной» дисперсии, где 8 сни-
Рис. 17.10. Частотные зависимости
е' и е" при резонансной дисперсии
спектра (на частотах 1014 —
жается с ростом со (под «нормальной» дисперсией в оптике имеют в виду
увеличение показателя преломления с ростом частоты).
Максимумы резонансных потерь ионной поляризации наблюдаются
в инфракрасном диапазоне на частотах 1013 — 1014 Гц. Однако в ве-
ществах с высокой диэлектрической проницаемостью, а также в стеклах
и ситаллах, где есть слабо связанные ионы, частоты ионного резонанса
могут быть и ниже (~1012 Гц). В этом случае начало резонансного
максимума потерь захватывает диапазон СВЧ (109 — 1010 Гц).
§ 17.5. Потери в неоднородных диэлектриках
В диэлектриках, содержащих проводящие включения, вместе
с миграционной поляризацией наблюдаются дополнительные релакса-
ционные потери, а в диэлектриках, содержащих газовые включения, —
ионизационные потери.
139
Рис. 17.11. Двухслойный конденсатор
и его эквивалентная схема:
Ci = eoetS/fci; С2 = e0e2S//i; ₽i = /h/(ViS);
= Лг/СТй'Ь)
Миграционная поляризация обусловлена миграцией зарядов в про-
водящих включениях и их накоплением на границах неоднородностей
(см. § 15.1). Процесс миграционной поляризации устанавливается
очень медленно и не успевает следо-
вать за изменением величины и на-
правления электрического поля вы-
сокой частоты. Поэтому миграцион-
ная поляризация уменьшается с ро-
стом частоты на низких частотах,
и в области частот ее дисперсии
наблюдаются миграционные потери.
Рассмотрим свойства неоднород-
ного диэлектрика на простейшей мо-
дели двухслойного конденсатора,
один из слоев которого толщиной
/ii обладает проницаемостью 8Х и
удельной проводимостью а дру-
гой— Л2, 82, у2 соответственно (рис. 17.11). Такой конденсатор был
рассмотрен Вагнером в свете представлений Максвелла, в связи с чем
его называют конденсатором Максвелла — Вагнера.
Используя эквивалентную схему конденсатора Максвелла — Ваг-
нера (рис. 17.11), найдем его полное сопротивление:
2 = —L-r + —L-T>
/<л>Сх + — /соС2 +
А1 А 2
которое можно выразить через комплексную емкость С и
__ 1 ___ h
j(oC ja&o&S
Подставляя значения Сг = = /ii/(YiS); С2 =• (e082S)//i2;
R2 = ^2/(72^), найдем комплексную диэлектрическую проницаемость
двухслойного диэлектрика 8 = е' — /е", где
f t Ь— ““ с-с
6 =6-+ 1 +(02т2 ’
о" = у I <от(е--ес)
ео(о 1 +со2т2 ’
Здесь введены обозначения:
диэлектрическая проницаемость при постоянном токе
_ ..
(тЛ+тЛ)2 ’
(17.36)
(17.37)
(17.38)
проницаемость на достаточно высоких частотах, где миграционная
поляризация не влияет на е, равна средней проницаемости после-
довательно включенных слоев:
е еге2/г
С ^1®2 “Ь ^2^1 *
(17.39)
140
время релаксации миграционной поляризации
, е1^2~Ь е2^1 .
0 Т1^2+?2^1 ’
(17.40)
эффективная удельная электрическая проводимость двух последова-
тельно соединенных слоев
Из (17.36), (17.37) видно, что частотные зависимости в' и в" двух-
слойного диэлектрика описываются формулами Дебая, аналогичными
формулам дипольной поляризации (17.20), (17.21). Функция в" (со)
в отличие от дебаевской содержит еще составляющую у/(со80), обуслов-
ленную сквозной проводимостью.
Угловая частота релаксации миграционной поляризации согласно
(17.40) и с учетом (17.39) и (17.41)
Полученные результаты для упрощенной модели неоднородного
диэлектрика качественно не изменяются, если вместо двух будет
любое число слоев различных материалов, границы раздела которых
перпендикулярны силовым линиям электрического поля. Картина
качественно не меняется и для произвольной формы проводящих вклю-
чений. Частота релаксации и максимума миграционных потерь в любом
случае может быть приближенно оценена по формуле (17.42).
Для композиционных материалов, состоящих из двух хороших
диэлектриков, частота релаксации получается очень низкой (менее
1 Гц) и лежит за пределами рабочих частот электро- и радиотехники.
Например, при ух = 10'10 См/м, у2 = 0, hr = /i2, = 82 = 3, частота
релаксации /р = 0,3 Гц, и миграционные потери малы даже на про-
мышленной частоте (50 Гц). Однако если в диэлектрике содержатся
сильно проводящие включения, то /р оказывается в области рабочих
частот электро- и радиотехники. Так, при yt = 10-5 См/м, /р = 30 кГц.
В этом случае миграционные потери следует учитывать при использо-
вании материала.
Миграционные потери, как следует из (17.37), кроме сот
определяются глубиной дисперсии, т. е. статической миграционной
восприимчивостью
где 0х = h-Jh, 02 = h^h — объемные доли компонентов диэлектрика.
Глубина дисперсии зависит от разницы свойств основной среды
и проводящих включений (е, у), а также их объемного содержания.
При У! > у2 И 8Х = 82 = 8
Д8 = 0 j8/02 =
(17.44)
и потери
„ _ б1е(0Т/б2
1 +<оЧ2 •
(17.45)
В случае миграционной поляризации, как и дипольной, может быть
не одно время т, а интервал распределения времен релаксации. Этот
интервал т возникает, например, вследствие неодинаковых свойств
основной среды и проводящих включений диэлектрика за счет неоди-
наковой формы и ориентации включений. Наличие интервала распре-
деления времен релаксации ведет к увеличению частотного интервала
миграционных потерь.
С повышением температуры удельная электрическая проводимость
обычно растет по экспоненциальному закону. Поэтому время релакса-
ции миграционной поляризации зависит от температуры так же, как
и в случае дипольной поляризации [ср. (17.40) с (17.26)]. Частота
релаксации и максимума потерь повышается с ростом температуры.
Однако глубина дисперсии миграционной поляризации (17.43) в отли-
Рис. 17.12. Ионизационные
логе р и пористых диэлектри-
ков при напряжениях выше
напряжения ионизации [/ион
чие от дипольной (см. рис. 17.8) практически
не зависит от температуры.
Миграционные потери существуют в та-
ких неоднородных диэлектриках, как гети-
накс, текстолит, слюдопласты, керамиче-
ские материалы. В гигроскопичных диэлек-
триках (бумага, пенопласты, пористая
керамика и т. п.) миграционные потери
возникают при увлажнении, так как про-
водимость воды велика. Поэтому tg 6 за-
метно возрастает при увеличении влажно-
сти (см. § 19.3).
Ионизационные потери или
потери на частичные разряды наблюдаются
в пористых диэлектриках при повышении напряжения сверх опреде-
ленного предела [/ион, называемого порогом ионизации (рис. 17.12).
При напряжениях выше t/H0H в воздушных включениях или других
дефектах внутри диэлектрика появляются частичные разряды (см. гл.
18), приводящие к рассеянию энергии электрического поля. Ди-
электрические потери, обусловленные ионизацией диэлектрика в
электрическом поле, и называют ионизационными диэлектрически-
ми потерями.
При действии частичных разрядов диэлектрик может постепенно
разрушаться. Поэтому рабочее напряжение следует выбирать ниже
напряжения ионизации (/ион, соответствующего началу роста tg6.
График зависимости tg 6 от напряжения (рис. 17.12) называют
кривой ионизации диэлектрика. По кривой ионизации оценивают
качество электрической изоляции высокого напряжения: чем меньше
приращение tg 6 вследствие ионизационных потерь (tg 6И0Н) и чем
при более высоких напряжениях (7И0Н начинается рост tg 6, тем изоляция
лучше, Для повышения качества электрической изоляции высокого
напряжения ее пропитывают, заполняя поры маслами, лаками, ком-
паундами, газами под высоким давлением.
142
§ 17.6. Полный диэлектрический спектр
Удельная мощность общих потерь складывается из мощности
потерь на электропроводность (доскв), мощностей дипольных релакса-
ционных потерь (йуд), резонансных (^рез), миграционных (шмиг) и иони-
зационных (доион) потерь:
w = йУскв + ОУд + ИУрез + ИУмиг + ®ион- (17.46)
Поскольку каждая из составляющих w = eoe"<oE2, то мнимая
составляющая комплексной диэлектрической проницаемости скла-
дывается из компонент, обусловленных всеми перечисленными меха-
низмами потерь:
6 — 8СКв + ед + ерез + Вмиг + еион (17.47)
(отметим, что tg б не имеет аддитивных свойств).
Для некоторого материала, обладающего всеми механизмами
потерь, частотная зависимость в" ('пектр поглощения) в слабом поле
(^ион = 0) выглядит, как показано £1
на рис. 17.13. Там же приведена
частотная зависимость в'.
В гамма- и рентгеновском диа-
пазоне частот (выше 1017 Гц), ког-
да длина волны сравнима или мень-
ше размеров атома, макроскопиче- f
ская поляризация вещества не
происходит, диэлектрическая вое- 1
приимчивость равна нулю, е = 1 и °п
диэлектрических потерь нет. £
Начиная с ультрафиолетовой и
видимой области, появляется элек-
тронная поляризация, дающая
вклад в 8 на всех более низких ча-
стотах: Ле9Л = ХэЛ 1 в твердых 0
и жидких веществах. В области р
дисперсии электронной поляриза-
ции (1014—1016 Гц), когда часто-
та внешнего поля совпадает с одной из частот собственных колебаний
электронных оболочек (со03), наблюдаются узкие максимумы резо-
нансных потерь, известные как оптические спектры поглощения.
В инфракрасном диапазоне (1012 — 1014 Гц) вслед за изменением
поля начинают смещаться более тяжелые частицы — ионы. При этом
появляется ионная поляризация, увеличивающая 8 на более низких
частотах на Л8И0Н = хион- На частотах резонанса ионов (coOi, <°02) наблю-
даются максимумы резонансного поглощения.
В радиочастотном диапазоне (103 — 1011 Гц) у полярных диэлек-
триков появляется дипольная поляризация, приводящая к дальней-
шему повышению 8 на Д8д = %д. В области релаксационной дисперсии,
когда диполи не успевают переориентироваться за полупериод изме-
нения электрического поля, наблюдаются релаксационные потери.
143
При наличии нескольких типов диполей или интервала распределения
времен релаксации эти потери занимают очень широкую область частот
(3—6 порядков), благодаря чему tg б в некоторых диэлектриках слабо
зависит от частоты в радио диапазоне.
В неоднородных диэлектриках на низких частотах возникает
миграционная поляризация, изменяющая 8 на Демиг, и связанные
с ней потери, имеющие максимум на частоте релаксации миграционной
поляризации сор миг. Во всех материалах возникают потери сквозной
проводимости, возрастающие с понижением частоты по гиперболичес-
кому Закону (8скв ~ 1 /<*>)•
Требуемое на практике снижение диэлектрических потерь дости-
гается путем выбора однородных (Демиг = 0), неполярных (Дед = 0)
диэлектриков с высоким удельным сопротивлением. В таких материа-
лах (например, полиэтилен, политетрафторэтилен, кварц, сера, пара-
фин, трансформаторное масло) tg б во всем диапазоне частот электро-
и радиотехники (50—1011 Гц) лежит на уровне 10-4. В полярных же
диэлектриках (целлюлоза, полиметилметакрилат и т. д.) tg б в области
частот релаксации достигает значений 0,01—0,3, что может привести
к недопустимому нагреву и выходу из строя электрической изоляции.
Глава 18
ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ
§ 18.1. Основные понятия о пробое
Ранее (в гл. 15—17) рассматривались различные физические явле-
ния, происходящие в диэлектрике под действием электрического
поля не слишком высокой напряженности, когда диэлектрик остается
практически непроводящей средой. Однако силы электрического поля
при соответствующем увеличении напряженности могут привести
к нарушению такого состояния. В результате диэлектрик из непрово-
дящего состояния перейдет в состояние высокой проводимости, но не
весь образец, на который подано напряжение, а только узкий канал,
направленный от электрода к электроду.
Явление образования в диэлектрике проводящего канала под дей-
ствием электрического поля называют пробоем. Пробой может
быть полным, если проводящий канал проходит от одного электрода
к другому и замыкает их, неполным, если проводящий канал не дости-
гает хотя бы одного из электродов, и частичным, если пробивается
лишь газовое или жидкое включение твердого диэлектрика. У твердых
диэлектриков кроме пробоя по объему возможен пробой по поверх-
ности (в газе или в жидкости), называемый поверхностным пробоем.
Минимальное приложенное к образцу диэлектрика напряжение,
приводящее к его пробою, называют пробивным напряже-
нием (7пр.
Вольт-амперная характеристика образца диэлектрика (или элек-
трической изоляции), линейная при обычных напряжениях U, откло-
няется от линейной с приближением U к (7пр (рис. 18.1), а в момент
144
пробоя ток через диэлектрик резко возрастает, так что di/dU -> оо.
В месте пробоя возникает искра или электрическая дуга. Вследствие
образования плазменного сильно проводящего канала пробоя между
электродами образец оказывается короткозамкнутым, и напряжение
на нем падает несмотря на рост тока (рис. 18.1).
Если пробой произошел в газообразном или жидком диэлектрике,
то в силу подвижности молекул пробитый участок после снятия напря-
чаще всего неправильной
Рис. 18.1. Вольт-амперная
характеристика электриче-
ской изоляции
жения восстанавливает свои первоначальные свойства и величину Un?
(но при условии, что мощность и длительность электрической дуги
не были столь значительными, чтобы вызвать существенные изменения
диэлектрика во всем его объеме). После пробоя твердого диэлектрика
в нем остается след в виде пробитого (откуда и название «пробой»),
прожженного или проплавленного отверстия
формы. Если вновь подать напряжение, то
пробой, как правило, происходит по проби-
тому ранее месту при значительно пони-
женном напряжении. В ряде случаев пос-
ле пробоя диэлектрика в канале пробоя
остаются проводящие продукты разложе-
ния и диэлектрик теряет свои электро-
изоляционные свойства. Связанное с обра-
зованием проводящих следов («треков») по-
вреждение поверхности твердого диэлект-
рика поверхностным пробоем называют
трекингом.
Номинальное напряжение электрической
изоляции должно быть меньше пробивно-
го напряжения. Величину, равную отношению пробивного напряже-
ния к номинальному напряжению, называют коэффициентом
запаса электрической прочности.
Значение [7пр диэлектрика непосредственно связано со временем
приложения напряжения. Так, при кратковременных импульсах
пробой происходит при больших напряжениях, чем в случае постоян-
ного или длительно приложенного переменного напряжения. При
медленном увеличении напряжения [7пр называют статическим про-
бивным напряжением, а при воздействии импульсов — импульс-
ным пробивным напряжением. Отношение импульсного пробивного
напряжения диэлектрика к его статическому пробивному напряжению
называют коэффициентом импульса, который больше
единицы.
Продолжительное воздействие электрического поля высокой на-
пряженности приводит к необратимым процессам в диэлектрике,
в результате которых его пробивное напряжение снижается, т. е.
происходит электрическое старение изоляции. Вследствие такого
старения срок службы изоляции ограничен. Кривую зависимости Unp
от времени приложения напряжения называют кривой жизни электри-
ческой изоляции.
Пробивное напряжение (7пр растет с увеличением толщины диэлек-
трика h. Для характеристики способности материала противостоять
145
разрушению в электрическом поле вводят напряженность поля, при
которой происходит пробой,
El}p = Unp/h. (18.1)
Эту напряженность однородного электрического поля, приводящую
к пробою, называют электрической прочностью. Элект-
рическая прочность £пр является одним из важнейших параметров
электроизоляционного материала.
Механизмы пробоя газообразных, жидких и твердых диэлектриков
имеют существенные различия.
§ 18.2. Пробой газов
Число электронов, образующихся в течение 1 с в 1 см3 воздуха под
действием радиоактивности Земли или космических лучей, составляет
от 10 до 20. Эти электроны являются начальными зарядами, приводя-
щими к пробою газа в достаточно сильном поле.
При увеличении напряженности электрического поля электроны
между двумя соударениями приобретают энергию W = екЕ, достаточ-
ную для ионизации молекул газа: W 1ГИ (1ГИ — энергия ионизации;
е — заряд электрона; X — длина свободного пробега). В результате
при столкновении с атомами и молекулами они порождают новые элект-
роны. Освобожденные при этом «вторичные» электроны под действием
поля в свою очередь вызывают ионизацию молекул газа. В результате
этого процесса число электронов в газовом промежутке, лавинообразно
нарастая, очень быстро увеличивается.
Интенсивность данного процесса определяется коэффициен-
том ударной ионизации а, равным числу ионизаций,
производимых движущимся электроном на единицу длины пути в на-
правлении поля (см. § 16.4). При этом количество электронов у анода,
образовавшихся в результате ударной ионизации, начатой первона-
чально одним электроном с поверхности катода, в соответствии с экс-
поненциальным законом размножения, достигнет величины еаЛ (h —
расстояние между электродами, или разрядный промежуток). Эти
электроны распределяются в межэлектродном пространстве в виде
компактного облачка, называемого электронной лавиной.
Ударная ионизация электронами составляет основу пробоя газа.
Однако электронная лавина сама по себе еще не достаточна для обра-
зования пробоя, так как не создает проводящего пути между электро-
дами. Следовательно, кроме ударной ионизации электронами должны
иметь место и другие явления, значительно влияющие на процесс
формирования разряда. Характер этих явлений, сопровождающих
ударную ионизацию электронами, определяет механизм пробоя газов.
Известно два механизма пробоя газов: лавинный и лавинно-стри-
мерный.
При лавинном механизме ударная ионизация электронами
сопровождается вторичными процессами на катоде, в результате
которых заряды в газовом промежутке восполняются. Для пробоя
газа в этом случае требуется образование серии лавин, причем каждая
146
вновь образующаяся лавина по сравнению с предыдущей должна
содержать большее число электронов — происходит «раскачивание»
электронных лавин. Лавинный пробой, как правило, развивается
в течение относительно длительного вре-
мени (более 1 мкс) и не характерен для
импульсных напряжений.
При лавинно-стримерном механизме
на развитие пробоя существенно влияет
совместное действие поля пространствен-
ного заряда лавины и фотоионизация в
объеме газа. Благодаря этим вторичным
процессам электронная лавина создает
повышенную концентрацию носителей
заряда, которая достаточна для непо-
средственного преобразования ее в стри-
мер. Стример представляет собой скоп-
ление ионизованных частиц сильно пре-
Рис. 18.2. Зависимость электри-
ческой прочности газов от дав-
ления (пунктиром отмечено нор-
мальное атмосферное давление)
восходящее лавину по степени иониза-
ции. После распространения стримеров (отрицательного и положи-
тельного) на весь межэлектродный промежуток происходит пробой
Рис. 18.3. Зависимость электри-
ческой прочности воздуха при
нормальном давлении в однород-
ном электрическом поле от рас-
стояния между электродами
газа.
• Электрическая прочность £пр газов сильно зависит от давления
(рис. 18.2). При высоких давлениях р увеличение £пр связано с умень-
шением длины свободного пробега электронов, а при малых р —
с уменьшением вероятности столкнове-
ний электронов с молекулами газа. На
зависимости £пр = f (р) основано приме-
нение газов в качестве электрической
изоляции в вакуумных конденсаторах,
кабелях, заполненных газом под высо-
ким давлением, и других устройствах
высокого напряжения.
Электрическая прочность также за-
висит от расстояния между электрода-
ми h: при уменьшении h растет £пр (рис.
18.3). Этот рост £пр связан с уменьше-
нием вероятности столкновений элект-
ронов с молекулами газа в межэлектрод-
ном промежутке.
Результаты исследования пробоя га-
зов в однородном электрическом поле
можно представить в виде кривых зависимости пробивного напря-
жения от произведения длины разрядного промежутка на давление
газа. Такая экспериментально установленная закономерность, извест-
ная как закон Пашен а, заключается в следующем: если длина
разрядного промежутка h и давление газа р изменяются так, что их
произведение остается постоянным, то величина пробивного напряже-
ния не меняется, т. e.Unp является функцией произведения ph. Физи-
чески это означает, что в рассматриваемом случае одинаковые частицы
147
в газовых промежутках получают на соответствующих длинах пути
свободного пробега одинаковую энергию от поля. Это и определяет
пробой газа.
Качественно ход кривой Пашена (рис. 18.4) объясняется следующим
образом. Эффективность процессов ударной ионизации определяется,
во-первых, средним числом столкновений электронов, приходящимся
на единицу длины пути и, во-вторых, вероятностью того, что столкно-
вение электрона с молекулой или атомом закончится ионизацией.
Одновременное действие этих двух факторов при разном диапазоне
значений р и h обусловливает величину (7пр газового промежутка:
при малых ph в основном влияет первый фактор, а при больших —
второй. Положение минимума пробивного напряжения газов (327 В
для воздуха, 280 В для водорода, 420 В для СО2) соответствует перегибу
кривой зависимости а от Е, т.е. непосредственно связано с ударной
ионизацией электронами.
Зависимость [7пр от природы газа определяется характером столк-
новений электронов с молекулами данного газа: если в одном газе
электроны при столкновениях те-
ряют большую долю энергии, чем
в другом, то при прочих равных
условиях для пробоя в первом газе
нужна большая напряженность по-
ля. Другим важным фактором яв-
ляется ионизационный потенциал
газа. Известно, что чем больше иони-
зационный потенциал газа 1ГИ, тем
выше (7пр. Но зависимость эта
очень различна и большему П7И мо-
жет соответствовать меньшее {7пр.
В электрическом поле, необходи-
мом для пробоя газа, положитель-
100 раз медленнее, чем электроны,
Рис. 18.4. Кривые Пашена для газов:
/ — воздух; 2 — азот; 3 —• неон; 4 — эле-
газ
ные ионы движутся примерно в
и поэтому накапливаются в промежутке, образуя объемный заряд.
Наличие объемного заряда искажает поле, и оказывает существенное
влияние на пробой газа даже при плоскопараллельных электродах.
В неоднородном поле (например, в случае электродов игла — плоскость
или игла — игла) накопление объемного заряда определяет ход про-
цесса даже при сравнительно низких напряжениях задолго до пробоя,
причем ударная ионизация начинается не во всем объеме газа, а лока-
лизуется в местах наибольшей напряженности поля. Ввиду этого
при напряжении, существенно меньшем С/пр (так называемом началь-
ном напряжении), возникает корона. Пробой газа в неоднородном поле
характеризуется двумя значениями напряжений: начальным (корон-
ным) и пробивным.
В связи с тем что объемный заряд влияет на процесс пробоя газа
в неоднородном поле, t/np зависит от полярности электродов. Так,
в случае электродов игла — плоскость t/np выше при отрицательной
полярности иглы, чем при положительной. Объемный заряд в случае
отрицательной полярности острия ослабляет электрическое поле
148
по направлению к плоскому электроду и затрудняет тем самым раз-
витие разряда.
Следует отметить, что ввиду кратковременности процесса пробоя
газов значение электрической прочности (или пробивного напряжения
газового промежутка) при переменном напряжении определяется
амплитудным (а не действующим, как, например, при тепловом
пробое твердых диэлектриков) значением. При постоянном напря-
жении и расстоянии между электродами порядка 1 см электрическая
прочность воздуха в случае нормальных температуры и давления
Епр = 3 МВ/м (амплитудное значение для переменного напряжения
или же постоянное значение для постоянного напряжения). Существу-
ют газы, электрическая прочность которых заметно выше или ниже
электрической прочности воздуха (см. § 20.1 и рис. 18.4).
§ 18.3. Пробой жидкостей
Механизм пробоя и значение электрической прочности диэлектри-
ческих жидкостей зависят прежде всего от их чистоты.
Электрический пробой тщательно очищенных жидкостей при
кратковременном воздействии электрического поля происходит за
счет сочетания двух процессов: ударной
ионизации электронами и холодной эмиссии
с катода. В соответствии с этим электриче-
ская прочность тщательно очищенных жид-
костей на два порядка выше, чем газов, и
составляет примерно 100 МВ/м. Это объяс-
няется тем, что требуется большая напря-
женность поля для того, чтобы электрон, дви-
гаясь в более плотной среде, с меньшей длиной
свободного пробега X накопил энергию, доста-
точную для ионизации.
Природу пробоя загрязненных и техниче-
ски чистых жидкостей определяют процессы,
Рис. 18.5. Зависимость
электрической прочности
трансформаторного масла
от содержания воды:
связанные с движением и перераспределением
частиц примесей. Под действием высокого на-
пряжения эти процессы приводят к возникно-
вению таких вторичных явлений, как образова-
ние МОСТИКОВ ИЗ твердых частиц ИЛИ пузырь- / - при 6^ С; 2 - при
ков газа, т. е. проводящих каналов. В частно-
сти, при работе жидкости в сильных полях, осо-
бенно высокой частоты, происходит ее нагрев и образование пузырьков
пара. Поэтому характер пробоя жидких диэлектриков зависит от
множества факторов, определяемых в значительной мере видом, раз-
мером, количеством и распределением примесей. Наличие мостиков
и цепочек из твердых частиц сильно искажает поле между электродами.
В результате пробой жидкости происходит в неоднородном поле,
а это приводит к снижению ее электрической прочности.
Резкое снижение Епр имеет место и при загрязнении жидкости
влажными органическими волокнами (бумагой, текстилем), поскольку
149
такие волокна способны образовывать мостики, обладающие повы-
шенной проводимостью. Если мостик соприкасается с одним из элек-
тродов, то он служит игловидным продолжением этого электрода,
в результате чего уменьшается межэлектродное расстояние и возрас-
тает неоднородность поля. В случае «сухих» волокон мостики имеют
высокое сопротивление и в меньшей мере влияют на Епр жидко-
сти.
Наиболее часто встречающейся примесью в жидких диэлектриках
является влага, которая может находиться в растворенном или эмуль-
сионном состояниях.
На рис. 18.5 представлена зависимость Епр трансформаторного
масла от содержания воды. Как показывает опыт, водная эмульсия
резко снижает электрическую прочность масла. При 65° С, когда
заведомо большая часть воды находится в растворенном состоянии,
Еп0 масла почти в три раза превышает Епр масла при температуре
25° С (при общей концентрации воды в пределах 0,02—0,1%).
Процессы, связанные с движением и перераспределением примесей,
являются сравнительно медленными. Поэтому закономерности пробоя
жидкостей изменяются со временем воздействия напряжения. В част-
ности, Епр жидкого диэлектрика, протекающего между электродами,
обычно выше Епр неподвижной жидкости (эффект В. С. Дмитревского).
§ 18.4. Пробой твердых диэлектриков
Физическая картина пробоя твердых диэлектриков в разных слу-
чаях может быть весьма различна. Наряду с ионизационными про-
цессами к пробою могут приводить вторичные процессы, обусловленные
сильным электрическим полем: нагрев, химические реакции, частичные
разряды, механические напряжения в результате электрострикции
(см. § 22.1), образование объемных зарядов на границах неоднород-
ностей и т. д. Поэтому различают несколько механизмов пробоя твер-
дых диэлектриков: электрический, тепловой, электрохимический, иони-
зационный. электромеханический.
Электрический пробой — это пробой, обусловленный
ударной ионизацией или разрывом связей между частицами диэлект-
рика непосредственно под действием электрического поля.
Электрическая прочность Епр твердых диэлектриков при электри-
ческом пробое лежит в сравнительно узких пределах — 100 -4-
4- 1000 МВ/м, что близко к Епр сильно сжатых газов и очень чистых
жидкостей. Величина Епр обусловлена главным образом внутренним
строением диэлектрика (плотностью упаковки атомов, прочностью
их связей) и слабо зависит от таких внешних факторов, как темпера-
тура, частота приложенного напряжения, форма и размеры образца
(за исключением очень малых толщйн). Характерно очень малое время
электрического пробоя — микросекунды и менее.
Тепловой пробой обусловлен нарушением теплового
равновесия диэлектрика вследствие диэлектрических потерь.
Мощность, выделяющаяся в образце диэлектрика емкостью С. при
подаче на него напряжения U (действующее значение) с угловой
150
частотой со (17.6)
Рп = i/2coC tg6.
Тепловая мощность, отводимая от образца, пропорциональна
площади теплоотвода S и разности температур образца Т и окружаю-
щей среды То-
Pp = 6S(T-T0),
где k — коэффициент теплоотдачи.
Условие теплового равновесия определяется равенством мощностей,
поглощаемой и рассеиваемой: Рп = Рр. Так как tg б обычно растет
с повышением температуры, то, начиная с
некоторой критической температуры Ткр, зна-
чение Рп > Рр (рис. 18.6; другая точка равен-
ства Рп и Рр соответствует устойчивому рав-
новесию). В результате превышения тепловы-
деления над теплоотдачей диэлектрик лави-
нообразно разогревается, что приводит к его
разрушению (плавлению, сгоранию).
Согласно условию теплового равновесия
^пр— У 2nfCtg6 ’ <18,2)
где tg б соответствует критической температу-
ре Ткр.
Более строгое рассмотрение требует учета
градиента температуры по объему образца ди-
электрика и соответствующего градиента tg б
по мере удаления от электродов. По расчетам В
Рис. 18.6. Зависимость
мощности, поглощаемой
Рп и рассеиваемой Рр об-
разцом диэлектрика, от
его температуры
. А. Фока и Н. Н. Семе-
нова, пробивное напряжение (действующее значение) плоского слоя
однородного диэлектрика
UпР 382 j/^ feHtgdHTKs" ^эЛ)[кВ],
(18.3)
где X — коэффициент теплопроводности диэлектрика; 8Н и бн — ди-
электрическая проницаемость и угол потерь при начальной (до прило-
жения напряжения) температуре диэлектрика: 8„ = ен tg бн; <р (Л, X,
Хэ, h) — коэффициент, зависящий от толщины слоя Л, коэффициента
теплоотдачи k от электродов в окружающую среду, X и коэффициента
теплопроводности электродов Хэ. Значение ср обычно порядка несколь-
ких десятых, а при h -> оо равно 0,662, что соответствует максималь-
ному (7пр.
Из (18.3) видно, что (7пр при тепловом пробое для образца беско-
нечной толщины не бесконечно велико, как при электрическом пробое,
а достигает конечного значения
unf> max - 253]/" tg 5нТКе« [кВ]. (18.4)
151
Следовательно, из данного материала при заданной рабочей частоте
изоляция может быть изготовлена в расчете на пробивное напряжение
не выше указанного конечного значения. Это напряжение зависит
от коэффициента теплопроводности материала, коэффициента диэлек-
трических потерь и его температурного коэффициента ТКе".
В отличие от электрического пробоя напряжение теплового пробоя,
как видно из (18.2) и (18.3), зависит от частоты:
^пР = Л//Л (18.5)
где А — постоянная (частотной зависимостью диэлектрических пара-
метров пренебрегаем).
Следовательно, (7пр снижается на высоких частотах. Аналогично
(7пр при тепловом пробое зависит от температуры, снижаясь с ее
повышением за счет роста tg б [см. (18.2)1. По указанным причинам
с повышением частоты f или температуры Т может изменяться меха-
низм пробоя диэлектрика: при низких f или Т, когда напряжение
велико, происходит электрический пробой,
а при высоких f или Т, когда (7прл сни-
жается до значений, меньших напряжения
электрического пробоя (7пр.э, пробой ста-
новится тепловым (рис. 18.7).
Критическая частота fKp или температу-
ра 7\р, при которых происходит переход
от электрического к тепловому пробою,
зависят от свойств диэлектрика, условий
теплоотвода изоляции, времени приложе-
ния напряжения, скважности импульсов.
Электрохимический про-
бой обусловлен химическими процесса-
ми, приводящими к изменениям в диэлект-
рике под действием электрического поля.
Химические изменения (старение) при вы-
соком напряжении возникают вследствие электролиза, наличия озо-
на в воздухе и т. п. Электрическое старение особенно существенно
при воздействии постоянного напряжения и сказывается в меньшей
мере при переменном напряжении. Его характеристикой является
время жизни электрической изоляции (промежуток времени от момента
подачи напряжения до пробоя) или кривая жизни (см. § 18.1).
Ионизационнный пробой — это пробой, обусловлен-
ный ионизационными процессами вследствие частичных разрядов
в диэлектрике. Он наиболее характерен для диэлектриков с воздуш-
ными включениями (например, бумажная изоляция). При больших
напряженностях поля в воздушных порах возникает ионизация воз-
духа, образование озона, ускоренных ионов, выделение тепла. Все
эти факторы приводят к постепенному разрушению изоляции и сни-
жению Епр.
Как указывалось, в твердых диэлектриках наряду с объемным
возможен и поверхностный пробой, т. е. пробой в жидком или газооб-
разном диэлектрике, прилегающем к поверхности твердой изоляции.
Рис. 18.7. Типичная зависи-
мость пробивного напряже-
ния от частоты и температуры
152
Так как £пр жидкостей и особенно газов ниже £пр твердых диэлект-
риков, а нормальная составляющая напряженности электрического
поля непрерывна на границе раздела, то при одинаковом расстоянии
между электродами в объеме и на поверхности пробой в первую оче-
редь будет происходить по поверхности твердого диэлектрика. Чтобы
не допустить поверхностный пробой, необходимо удлинить возмож-
ный путь разряда по поверхности. Поэтому поверхность изоляторов
делают гофрированной, а в конденсаторах оставляют неметаллизи-
рованные закраины диэлектрика. Поверхностное (7пр также повышают
путем герметизации поверхности электрической изоляции лаками,
компаундами, жидкими диэлектриками с высокой электрической
прочностью.
§ 18.5. Пробой макроскопически неоднородных диэлектриков
Большинству диэлектриков, применяющихся на практике, присущи
различные виды неоднородности. Так, например, керамические ди-
электрики состоят из нескольких фаз (кристаллической и стекловид-
ной), обладающих разными электрическими свойствами, и имеют
большее или меньшее количество пор (воздушных включений). Прес-
сованные и намоточные изделия имеют слоистое строение и их чере-
дующиеся слои также обладают неодинаковыми диэлектрическими
свойствами.
В качестве простейшего слоистого диэлектрика рассмотрим ди-
электрик, состоящий из двух плоскопараллельных слоев с различными
электрическими параметрами (см. рис. 17.16). Пусть ех, hY озна-
чают диэлектрическую проницаемость, удельную проводимость и тол-
щину первого слоя. Соответствующие величины с индексом 2 будут
относиться ко второму слою. Если приложить к такому диэлектрику
напряжение (У, напряженность электрического поля в отдельных слоях
будет отличаться от среднего значения £ср = U (/ц + М-
При постоянном напряжении в стационарном режиме напряжен-
ность поля в первом Ег и во втором £2 слоях можно определить по
формулам:
р __Y2 №1 р .
1 + ср’
’ __Y1 р
2 YA + W*i ср’
(18.6)
Если и у2 отличаются друг от друга, то в зависимости от соотно-
шения электрической проводимости и толщины слоев напряженность
поля в одном из слоев может превышать £ср, например, может
достичь значения £по первого слоя. При этом произойдет пробой этого
слоя, хотя £ср < £1пр. Это в свою очередь вызовет уменьшение
общей толщины изоляции и приведет к повышению £2. Поэтому пробой
одного слоя, как правило, вызывает пробой всего образца в целом,
и таким образом неоднородность материала может вызвать снижение
пробивного напряжения, Распределение напряженности поля при
153
переменном напряжении описывается теми же формулами (18.6) при
замене у1>2 на е12.
Для максимального пробивного напряжения двухслойного диэлект-
рика должны иметь место следующие условия:
при постоянном напряжении
^inpYi= ^2пр?2, (18.7)
при переменном напряжении
£\пр 81 — ^2пр82* (18.8)
При выполнении этих условий электрически более прочный слой
работает при больших напряженностях поля, чем электрически менее
прочный.
Ввиду малых Е11р, 8 и у в газовых включениях пористого диэлектри-
ка, находящегося в сильном электрическом поле, возникают частичные
разряды. Именно эти разряды часто и являются основным процессом,
приводящим к пробою пористого диэлектрика (ионизационный пробой).
Напряженность поля, при которой возникают разряды в поре,
составляет при нормальном давлении и не слишком малом размере
поры около 3 МВ/м. В очень тонких слоях воздуха пробой происходит
при повышенных напряженностях поля (для случая однородного
электрического поля см. рис. 18.3). Следовательно, чем менее размер
пор в диэлектрике, тем более высокое напряжение нужно приложить
к образцу, чтобы вызвать разряды в порах.
Для повышения электрической прочности пористых диэлектриков
их пропитывают, заполняя поры жидким или твердеющим электро-
изоляционным материалом с высокой электрической прочностью.
Так, для непропитанной кабельной бумаги Епр = 3—5 МВ/м, а для
пропитанной компаундом Епр = 40—80 МВ/м.
Глава 19
МЕХАНИЧЕСКИЕ, ТЕПЛОВЫЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ДИЭЛЕКТРИКОВ
При выборе диэлектрического материала для конкретного приме-
нения следует учитывать не только его электрические (е, tg б, р, Епр),
но также механические и тепловые свойства, стойкость к воздействию
возможных высоких и низких температур, влаги, радиации и других
внешних факторов.
§ 19.1. Механические свойства
Упругость. Под действием механических напряжений оу материал
деформируется. При небольших оу выполняется закон Гука—отно-
сительная деформация прямо пропорциональна
6
X, = 2] SyG, = Sy<3j (19.1)
/ ~ 1
154
или компоненты напряжения о7- являются линейными функциями
компонент деформации:
6
а/ = S с4х‘ = СЧХ1 (19.2)
i= 1
(по повторяющимся индексам предполагается суммирование).
Здесь коэффициенты пропорциональности называются упругими
податливостями, а Сц — упругими жесткостями или упругими кон-
стантами.
Деформации хг- (как и напряжения оу) являются тензорами второго
ранга с компонентами xki (k, I = 1, 2, 3):

I *21
\*31
*12
*22
*32
*13
*23
*33,
*1 *6 *5
*6 *2 *4 !’
X5 Xi xj

которые для краткости пишутся с одним индексом i = 1, 2, 3, 4, 5, 6.
Деформации *ь *2, *3 означают растяжение или сжатие вдоль осей /, 2
или 3, т. е. относительные измене-
ния длины по трем направлениям;
х4 — сдвиг по оси 2 относительно
оси 3, т. е. изменение угла между
осями 2 и 3; х5 — сдвиг по оси 1 от-
носительно 3, а х6 — 1 относительно
2 (рис. 19.1).
Упругие константы измеряе-
мые в паскалях (Па), каки$/; (м2/Н),
являются тензорами 4-го ранга,
имеющими в общем случае 21 неза-
Рис. 19.1. Деформация сжатия х3 и
деформация сдвига
висимую компоненту для одного
вещества. Ввиду симметрии кристаллов число независимых компонент
их упругих констант обычно меньше 21 (см. табл. 22.1). Так, гексаго-
нальные кристаллы имеют 5 независимых констант, а кубические — 3.
Изотропные среды описываются всего двумя независимыми упруги-
ми константами: модулем Юнга
£ю — £ц — ^22 ~ ^33
и модулем сдвига
G = с44 = с55 — с6б = (си с12) /2
или коэффициентом Пуассона v = с12/(сп — £12)•
С помощью упругих констант определяют деформируемость мате-
риала и скорость звука в нем.
Прочность. Закон Гука линейной связи деформации с напряжением
сохраняется лишь в определенных пределах. С некоторого значения
напряжения от деформация растет быстрее, чем по линейному закону
155
(рис. 19.2). Это — холодное пластическое течение материала; после
снятия напряжения форма образца не восстанавливается. Напряжение
ат называют пределом текучести. Дальнейшее повышение
механического напряжения приводит к разрушению образца при напря-
жении апр, называемом пределом прочности. В таких
материалах, как стекла, керамика, пластическая деформация не
наблюдается и образец разрушается сразу: опр = ат. Эти вещества
называют хрупкими. Хрупкие материалы легко разрушаются под
действием динамических нагрузок, вибраций. Во многих полимерах,
наоборот, участок пластической деформации ат — опр очень широк —
они могут вытягиваться в десятки раз. Это—
Рис. 19.2. Типичная за-
висимость деформации х
от механического напря-
жения о
пластичные вещества.
Прочность материалов характеризуют пре-
делами прочности при растяжении (ар), сжа-
тии (ос), изгибе (аи). Для металлов все три
предела прочности близки, но для диэлектри-
ков могут сильно отличаться: ос (аР, аи)-
Пределы прочности измеряются в единицах
механического напряжения — паскалях (Па).
Механическая прочность зависит от типа
связей молекул вещества: она максимальна в
кристаллах с ковалентной связью и мини-
мальна в кристаллах с молекулярной связью.
Максимальная рабочая температура полиме-
ров, например, определяется ухудшением не
электрических свойств, а механической прочности — полимер ста-
новится текучим при малейших нагрузках. Наоборот, при низких тем-
пературах полимеры теряют свойство текучести и для них становится
характерным хрупкое разрушение, ограничивающее возможности их
применения, например, в гибких кабелях.
Вязкость. Вязкость жидкостей характеризует сопротивление их
течению.
Различают динамическую вязкость т], измеряемую в пас-
каль-секундах (Па *с), и кинематическую вязкость, равную
отношению т) к плотности жидкости и измеряемую в квадратных метрах
на секунду (м2/с).
Вязкость сильно уменьшается с повышением температуры:
г] = А (T)exp(W/kT),
(19.3)
где А (Т) — слабо зависящий от температуры множитель; W — энер-
гия активации вязкого течения.
Вязкость особенно важна для заливочных и пропиточных электро-
изоляционных материалов. С учетом соотношения (19.3) эти вещества
заливают в нагретом состоянии, когда они могут быстро заполнить
мельчайшие поры.
В некоторых случаях важны и такие механические свойства, как
ползучесть (постепенный рост деформации под нагрузкой), внутренние
напряжения, твердость и т, д,
156
§ 19.2. Тепловые свойства
Нагревостойкость. Весьма важна способность электрической изоля-
ции выдерживать повышенную температуру без существенного умень-
шения эксплуатационной надежности, так как от этого зависит наивыс-
шая допустимая рабочая температура прибора или устройства.
Для электрических машин и аппаратов повышение температуры,
которое обычно лимитируется в соответствии с материалами электри-
ческой изоляции, при заданной мощности связано с возможностями
уменьшения габаритных размеров, массы и стоимости изделия. Вопро-
сы уменьшения массы и габаритных размеров особенно важны для
тяговых и крановых электродвигателей, самолетного электрооборудо-
вания и других передвижных устройств. От допустимой температуры
зависят пожарная безопасность и взрывобезопасность (масляные хо-
зяйства электрических подстанций, электрооборудование для нефтяной
и угольной промышленности и др.).
В электрических печах и нагревательных приборах, в электросва-
рочной аппаратуре, в источниках света и многих электронных и ионных
приборах и т. п. необходимость высокой рабочей температуры изоля-
ции обусловлена особенностями работы устройства.
У одних материалов при повышенных температурах недопустимо
ухудшаются механические свойства, в других электрические (р, tg б
и др.).
У аморфных материалов (стекла, смолы и пр.) резко выраженной
температуры плавления Тпл нет, а температуру размягчения Тразм
определяют с помощью различных условных приемов. С приближением
к температуре размягчения в эксплуатационных условиях возможно
сильное снижение механической прочности и постепенная деформация
изделий. У некоторых материалов при нагреве могут наблюдаться
химическое разложение, обугливание, интенсивное окисление и даже
горение. В ряде случаев при сохранении механической прочности
и целостности изоляции диэлектрические свойства ее ухудшаются
настолько, что делают работу изоляции при повышенной температуре
невозможной. Такие изменения качества изоляции могут проявляться
и при кратковременном повышении температуры.
Помимо ухудшения качества электрической изоляции, которое
проявляется уже при кратковременном повышении температуры,
при длительном воздействии повышенной температуры могут наблю-
даться нежелательные изменения за счет медленно протекающих
химических процессов — так называемого теплового старения изо-
ляции. У трансформаторного масла старение проявляется в образо-
вании продуктов окисления, у лаковых пленок — в повышении жест-
кости и хрупкости, образовании трещин и отставании от подложки
и т. п.
Кроме температуры существенное влияние на скорость старения
могут оказать: повышение давления воздуха или концентрации кисло-
рода, наличие в окружающей среде озона, являющегося еще более
сильным окислителем, чем кислород, а также различных химических
реагентов, ускоряющих или замедляющих старение.. Тепловое старение
157
распределения температур
ускоряется при освещении образца ультрафиолетовыми лучами, при
воздействии электрического поля, механических нагрузок и т. п.
Для ряда электроизоляционных материалов, особенно хрупких
(стекла, керамика и т. д.), важна стойкость к резким сменам темпера-
туры (термоударам).
При внезапном нагреве или охлаждении поверхности изделия
из хрупкого материала, например стекла, вследствие неравномерного
в приповерхностном слое материала воз-
никают температурные напряжения, ко-
торые могут явиться причиной растре-
скивания. В случае быстрого нагрева
(рис. 19.3, а) приповерхностный слой
стекла стремится расшириться, в то вре-
мя как внутренние слои еще не успели
прогреться, и в сечениях хх... создают-
ся напряжения сжатия. Если же по-
верхность внезапно охлаждается (рис.
19.3, б), то вследствие теплового сок-
ращения поверхностного слоя создается
тенденция к расслоению соседних участ-
ков поверхностного слоя. Так как у сте-
кол прочность на разрыв много меньше
прочности на сжатие, то внезапное внеш-
нее охлаждение более опасно для них,
чем быстрый нагрев.
Допустимый для эксплуатации мате-
риала или изделия температурный ре-
жим может определяться различными
факторами. В результате испытаний уста-
навливают стойкость материала к теп-
ловым воздействиям. Способность электроизоляционных материалов
и изделий без ущерба для них как кратковременно, так и длительно
выдерживать высокую температуру, а также резкую смену темпера-
тур, называют нагревостойкостью.
Материалы, применяемые для изоляции электрических устройств
с учетом их нагревостойкости (при длительном воздействии нагрева),
подразделяют на классы нагревостойкости\ причем для каждого класса
устанавливают определенную максимальную рабочую температуру.
ГОСТ 8865—70 «Материалы электроизоляционные для электри-
ческих машин, трансформаторов и аппаратов. Классификация по
нагревостойкости» и рекомендацией СЭВ PC 964—67 предусмотрены
классы нагревостойкости, указанные в табл. 19.1. В ней приведена
максимальная температура для электроизоляционных материалов
при их использовании в электрооборудовании, длительно (в течение
ряда лет) работающем в нормальных эксплуатационных условиях.
К классу У относится изоляция из непропитанных и не погруженных
в жидкий диэлектрик волокнистых материалов на основе целлюлозы
(древесина, бумага, картон, фибра, хлопчатобумажное волокно, гидрат-
целлюлозное и ацетилцеллюлозное волокно), натурального шелка
Рис. 19.3. Возникновение тем-
пературных напряжений в по-
верхностном слое стекла при
термоударах:
а — случай быстрого нагрева; б —
случай быстрого охлаждения по-
верхности

158
и полиамидов, а также поливинилхлорид и вулканизированный
натуральный каучук.
Таблица 19.1
Класс нагревостойкости Y А Е В F Н С
Рабочая температура, °C 90 105 120 130 155 180 Выше 180
К классу А принадлежат те же волокнистые материалы, но пропи-
танные масляными, масляно-смоляными и другими лаками либо
погруженные в нефтяное масло или синтетический жидкий диэлектрик,
а также изоляция эмалированных проводов на поливинилацеталевых
лаках и полиамидные пленки.
К классу Е относятся слоистые пластики и пластмассы на термо-
реактивных связующих, обеспечивающих соответствующую нагрево-
стойкость, изоляция эмалированных проводов на эпоксидных лаках,
поликарбонатные пленки и др.
Класс В образуют неорганические материалы: слюда, стекловолокно
и асбест в сочетании со связующими и пропитывающими органическими
составами соответствующей нагревостойкости, а также политрифтор-
хлорэтилен и др.
К классу F относятся материалы на основе слюды, стекловолокна
и асбеста с более нагревостойкими связующими и пропитывающими
составами, а также изоляция эмалированных проводов на полиэфир-
имидных и полиэфирциануратных лаках.
В класс Н входят материалы на основе слюды, стекловолокна
и асбеста в сочетании с кремнийорганическими связующими и пропи-
тывающими составами, а также кремнийорганические эластомеры.
Класс С образуют неорганические материалы (слюда, электротех-
ническая керамика, бесщелочное стекло, кварц) без связующих или
с неорганическими связующими. К этому же классу относятся поли-
тетрафторэтилен и полиимидные материалы — пленки, волокна, изо-
ляция эмалированных проводов (см. рис. 20.4; кривая 3 на рис. 20.5).
В последнее время Международная электротехническая комиссия
(МЭК) предлагает более сложные способы оценки нагревостойкости
электрической изоляции с учетом воздействия не только температуры,
но и других факторов.
Холодостойкость. Во многих случаях для изоляции, например,
самолетного электро- и радиооборудования, линий электропередачи
и связи, открытых подстанций и т. п. важна холодостойкость, т. е.
способность электрической изоляции не снижать эксплуатационной
надежности при низких температурах, например —(60 ч- 70)° С
и более низких (криогенных) температурах. При низких температурах,
как правило, электрические свойства изоляционных материалов улуч-
шаются; однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных
условиях, при низких температурах становятся хрупкими и жесткими,
что создает соответствующие затруднения. Проверку электроизоля-
159
ционных материалов и изделий из них на холодостойкость нередко
осуществляют при одновременном воздействии вибраций.
Теплопроводность. Важное практическое значение теплопровод-
ности объясняется тем, что тепловые потери проводников и магнито-
проводов электрических машин, аппаратов, кабелей и т. п. должны
переходить в окружающую среду через слой изоляции (за исключением
некоторых новых конструкций электрических машин, в которых отвод
тепла от проводников осуществляется за счет пропускания охлаждаю-
щего вещества через канал внутри самого проводника).
От теплопроводности электрической изоляции зависит нагрев
проводников и магнитопроводов. Особое значение имеет теплопровод-
ность сравнительно толстой изоляции в устройствах высокого напря-
жения. Теплопроводность влияет на электрическую прочность при
тепловом пробое (см. § 18.4) и на стойкость материала к термоударам.
Количественно теплопроводность материалов характеризуется к о -
эффицие нт ом теплопроводности X, определяемым
как количество тепла, прошедшего через единицу площади за единицу
времени при градиенте температуры в 1 К/м.
Ориентировочные значения коэффициента теплопроводности неко-
торых веществ приведены в табл. 19.2.
Таблица 19.2
Вещество
Вещество
Л,
Вт/(м-К)
Воздух (в малых зазорах)
Бигум...................
Бумага..................
Лакоткань ..............
Гетинакс ..............
Плавленый кварц ........
Фарфор..................
Стеатит ................
Двуокись титана TiO2 . .
Кристаллический кварц:
по направлению оптиче-
ской оси..............
перпендикулярно оси . .
0,05
0,07
0,10
0,13
0,35
1,25
1,6
2,2
6,5
12,3
6,8
Графит...............
Окись алюминия А12О3 .
Окись магния MgO . . ,
Нитрид бора BN:
по направлению горяче
го прессования . . .
перпендикулярно . . .
Никель...............
Железо...............
Окись бериллия ВеО . .
Алюминий.............
Медь.................
18
25—30
36
19
37
65
68
218
226
390
Как видно из табл. 19.2, большинство диэлектриков имеет значе-
ния X намного меньшие, чем проводниковые материалы. Лишь неко-
торые керамические оксиды металлов (А12О3, MgO, ВеО) имеют X
того же порядка, как проводниковые материалы (графит и некоторые
металлы приведены для сравнения). Характерно, что коэффициент
теплопроводности у окиси бериллия выше, чем у металлического
бериллия.
Величина Л=А., (19.4)
где с — удельная теплоемкость, Дж/(кг -К); D — плотность материа-
ла, кг/м3, называется температуропроводностью и выражается в м2/с,
160
§ 19.3. Влажностные свойства
Многие электроизоляционные материалы в той или иной степени
гигроскопичны, т. е. способны сорбировать влагу из окружающей среды,
и влагопроницаемы, т. е. способны пропускать влагу.
Гигроскопичность. Образец электроизоляционного материала при
определенных условиях влажности и температуры окружающей среды
через некоторое время достигает некоторого «равновесного» состояния
влажности. Так, если сравнительно сухой образец материала находится
во влажном воздухе с относительной влажностью <р, то будет наблю-

Рис. 19.4. Изменение
влажности гр материала
при увлажнении (а) и при
сушке (б) в условиях по-
стоянной относительной
влажности и температуре
окружающего воздуха
даться постепенное поглощение материалом влаги из воздуха; причем
влажность материала ф, т. е. содержание
влаги на единицу массы материала, в тече-
ние времени t будет повышаться, асимптоти-
чески приближаясь к равновесному значению
г|)р, соответствующему значению ср (кривая а
на рис. 19.4). Наоборот, если при тех же усло-
виях образец из такого же материала обла-
дает высокой начальной влажностью, то влаж-
ность образца будет уменьшаться, асимптоти-
чески приближаясь к равновесной фр; в этом
случае происходит сушка материала (кривая
б на рис. 19.4).
Для различных материалов значения рав-
новесной влажности при одном и том же зна-
чении относительной влажности воздуха могут
быть весьма различны (рис. 19.5).
При повышении температуры равновесная
влажность, соответствующая тому же значе-
нию ср, понижается. Таким образом, сушке способствуют кроме по-
ниженной влажности окружающей среды и смены воздуха (вентиля-
ции), обусловливающей соприкосновение с поверхностью материала
новых объемов сухого воздуха, повышение температуры.
Под гигроскопичностью (в узком смысле слова) или влагопогло-
щаемостью подразумевают равновесную влажность данного материала
при нормальной температуре в воздухе, относительная влажность ср
которого близка к 100%.
Иногда электроизоляционные материалы соприкасаются не только
с воздухом, содержащим пары воды, но и непосредственно с водой.
Такова изоляция открытых установок, подвергающихся действию
атмосферных осадков, изоляция электрических машин и аппаратов
на кораблях, в насосах и т. п. В таких случаях представляет интерес
водопоглощаемость изоляции.
Материалы анизотропного строения впитывают влагу в разных
направлениях с различной скоростью. Так, дерево скорее впитывает
влагу вдоль волокон, т. е. с торцевого спила ствола; слоистые пласти-
ки — вдоль слоев и т. д.
Гигроскопичность материала зависит от его строения. Большую
роль играют наличие и размер капиллярных пор внутри материала,
6 п/р Тареева
161
в которые проникает влага. Сильно пористые материалы, в частности
волокнистые, более гигроскопичны, чем материалы плотного, сплош-
ного строения. Гигроскопичность материалов, практически лишенных
пор (например, стекол), может быть только поверхностной: погло-
щаемая из окружающей среды влага накапливается в виде тонкой
пленки на поверхности материала, но не проникает вглубь.
Гигроскопичность и водопоглощаемость не полностью отражают
степень возможных изменений электрических свойств электроизоля-
ционного материала при увлажнении. Если поглощенная влага спо-
собна образовывать внутри изоляции
нити или пленки, которые могут
пронизывать весь промежуток между
электродами (или значительную об-
ласть этого промежутка), то даже весь-
ма малые количества поглощенной
влаги приводят к очень резкому ухуд-
шению электрических свойств изоля-
ции. Если же влага распределяется
по объему электроизоляционного ма-
териала в виде отдельных, не соеди-
ненных между собой малых включе-
ний, то влияние влаги на электриче-
ские свойства материала менее су-
щественно. Так, например, удельное
сопротивление бумаги с 3%-ной влаж-
ностью приблизительно в 106 раз мень-
ше, чем абсолютно сухой бумаги, в то
время как увлажнение каучуковых
материалов с наполнителями вызы-
вает лишь весьма незначительное
уменьшение их р. Для несмачивае-
мых материалов уменьшение ps при
незначительно, так как влага даже
в виде росы образует отдельные капли, а не сплошную водяную
пленку.
Влагопроницаемость. Кроме гигроскопичности большое практи-
ческое значение имеет влагопроницаемость материалов, т. е. способ-
ность их пропускать через себя пары воды. Это свойство очень важно
при оценке качества материалов, применяемых в виде защитных покро-
вов (шланги кабелей, компаундные заливки, лаковые покрытия изоля-
ции электрических машин и т. п.).
О возможности проникновения влаги через мельчайшие поры
можно судить по размеру молекулы воды, диаметр которой составляет
2,5-Ю'10 м.
Коэффициент влагопроницаемости П электроизоляционного мате-
риала входит в основное уравнение влагопроницаемости: количество
воды Л4, проходящее при стационарном режиме за время t сквозь
участок площадью S слоя рассматриваемого материала толщиной й,
если с двух сторон пленки существуют парциальные давления водя-
162
Рис. 19.5. Зависимость равновесной
влажности грр различных волокни-
стых материалов от относительной
влажности воздуха (р:
/ — вискозный шелк; 2 — натуральный
шелк; 3 — хлопчатобумажное волокно;
4 — ацетатный шелк; 5 — капрон;
6 — поливинилхлоридное волокно; 7 —
полиэтилентерефталатное волокно; 8 —
полиэтиленовое волокно
выдержке во влажной среде
ного пара в воздухе рг и р2 соответственно, равно:
M = Tl(pl — p2)St/h.
(19.5)
жидкости на смачи-
Рис. 19.6. Капля
ваемой (а) и несмачиваемой (б) поверх-
ности
Это уравнение формально аналогично закону Ома при прохождении
через тело электрического тока (причем разность давлений рг — р2
подобна разности потенциалов, от-
ношение M/t— току, a h/(HS) —
электрическому сопротивлению те-
ла) или уравнению теплопровод-
ности.
Из уравнения (19.5) получает-
ся единица СИ для измерения П:
кг/(м «с «Па) = 1 с.
Способность твердого тела сма-
чиваться водой (или другой жид-
костью) характеризуется краевым углом смачивания Р капли воды,
нанесенной на поверхность тела (рис. 19.6). Чем меньше р, тем сильнее
выражена смачиваемость материала; для смачиваемых поверхностей
Р < 90° (рис. 19.6, а), для несмачиваемых р > 90° (рис. 19.6, б).
Для уменьшения гигроскопичности и влагопроницаемости пористых
электроизоляционных материалов широко применяют пропитку их.
§ 19.4. Физико-химические свойства
Растворимость. Это свойство важно для подбора растворителей
лаков, пластификаторов и пр., а также для оценки стойкости электро-
изоляционных материалов к действию различных жидкостей, с кото-
рыми эти материалы соприкасаются в процессе изготовления изоляции
(например, при пропитке лаками) и в эксплуатации (изоляция масло-
наполненных трансформаторов и т. п.).
Растворимость твердых материалов можно оценить по количеству
материала, переходящему в раствор за единицу времени с единицы
поверхности материала, соприкасающейся с растворителем; или по
тому наибольшему количеству вещества, которое может быть раство-
рено в данном растворителе (т. е. по концентрации насыщенного
раствора).
Как правило, легче всего растворяются вещества, близкие к раство-
рителю по химической природе и содержащие в молекулах похожие
группировки атомов; полярные вещества легче растворяются в поляр-
ных жидкостях, нейтральные — в нейтральных. Так, неполярные
или слабо полярные углеводороды (например, парафин, каучук)
растворяются в жидких углеводородах; полярные смолы, содержащие
гидроксильные группы (например, фенолформальдегидные смолы), —
в спирте и иных полярных растворителях. Растворимость уменьшается
с повышением степени полимеризации (молекулярной массы); высоко-
молекулярные вещества с линейной структурой молекул растворяются
сравнительно легко, а с пространственной структурой — трудно.
При повышении температуры растворимость сильно увеличивается.
6*
163
Химостойкость. Стойкость к коррозии различными химически
активными веществами (газами, водой, кислотами, щелочными и соле-
выми растворами и т. п.) электроизоляционных материалов весьма
разнообразна. При определении химостойкости образцы материалов
на длительное время помещают в условия, близкие к эксплуатационным
(или еще более суровые) с точки зрения выбора концентрации химичес-
кой активности среды, температуры (при повышении температуры
интенсивность коррозии сильно увеличивается) и т. д., после чего
определяют изменение внешнего вида образцов, их массы и других
характеристик.
Для масел, смол ит. п. измеряют кислотное число, характеризующее
содержание в материале свободных кислот. Эта величина определяет
технологические особенности материала, а также способность мате-
риала вызывать коррозию соприкасающихся с ним тел, например
металлов. В трансформаторном масле высокое кислотное число явля-
ется признаком плохой очистки при изготовлении или процесса старе-
ния масла.
Кислотное число — количество граммов едкого кали КОН, которое
требуется для нейтрализации всех свободных кислот, содержащихся
в 1 кг испытуемого материала (пример обозначения: 0,4 г КОН/кг,
или 0,4 мг КОН/г).
Радиационная стойкость. Непрерывно расширяется номенклатура
материалов, а также готовых изделий электронной и электротехничес-
кой промышленности, к которым предъявляются определенные тре-
бования радиационной стойкости, т. е. способности работать, не теряя
основных свойств, в условиях интенсивного облучения или после
радиационного воздействия. Не менее важным является радиационное
воздействие на материалы с целью полезного изменения структуры,
улучшения или придания им новых свойств (радиационная сшивка
полимеров, легирование полупроводников и т. д.).
Жесткое электромагнитное излучение (рентгеновское и гамма),
электроны высоких энергий, тяжелые заряженные частицы (протоны,
альфа-частицы) и нейтроны поглощаются веществом, создавая раз-
личного рода радиационные дефекты. Количество дефектов, а следо-
вательно, и радиационные эффекты, со временем накапливаются.
Поэтому радиационная стойкость определяется суммарной (интеграль-
ной) дозой излучения, поглощенного веществом.
Единицами поглощенной дозы рентгеновского и гамма-излучения
служат рентген (Р) и Кл/кг (1Р = 2,58 «10-4 Кл/кг), а корпускулярных
излучений — рад и Дж/кг (1 рад = 0,01 Дж/кг). Часто радиационную
стойкость выражают общим числом радиоактивных частиц, попадаю-
щих на единицу площади вещества и вызывающих заметное ухудшение
его основных характеристик, например нейтрон/м2.
Полупроводниковые материалы и приборы заметно повреждаются
реакторным излучением дозой в 1018 нейтрон/м2. Многие диэлектрики
обладают значительно большей радиационной стойкостью, выдержи-
вая дозы до 1022 нейтрон/м2.
Светостойкость. Световые и особенно ультрафиолетовые лучи могут
оказывать определенное действие на диэлектрики и полупроводники,
164
вызывая фотопроводимость, различные химические изменения и уско-
ряя старение ряда органических материалов (нефтяное масло, резина,
капрон). Под действием светового облучения некоторые материалы
теряют механическую прочность и эластичность, в результате чего
в них появляются трещины, лаковые покрытия отстают от подложек
и т. д. Способность материалов сохранять свои эксплуатационные
характеристики под действием светового облучения называют свето-
стойкостью.
Глава 20
ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
§ 20.1. Газообразные диэлектрики
Газообразные диэлектрики при использовании в качестве электро-
изоляционных материалов имеют следующие преимущества: высокое
удельное сопротивление р, малую (близкую к единице) диэлектриче-
скую проницаемость 8, малый тангенс угла диэлектрических потерь
tg б. Недостатком газообразной электрической изоляции является ее
низкая электрическая прочность. Однако в ряде случаев (устройства
низкого напряжения) этот недостаток не имеет практического значе-
ния, а иногда его устраняют путем применения газов под повышенным
давлением, особенно при подборе газов со сравнительно большой
электрической прочностью (см. далее). В электрических устройствах
газы можно использовать лишь в комбинации с обладающими доста-
точной механической прочностью твёрдыми материалами (например,
герметичный корпус устройства, заполняемый газом).
Воздух. Из газообразных диэлектриков прежде всего должен
быть назван воздух, который в силу своей распространенности часто
входит в состав электрических устройств. Например, на участках
воздушных линий электропередачи между опорами воздух образует
единственную изоляцию между голыми проводами. При недостаточно
тщательной пропитке изоляции электрических машин, кабелей, кон-
денсаторов могут оставаться следы воздуха в виде «воздушных вклю-
чений», часто весьма нежелательных, ибо при высоком рабочем напря-
жении изоляции они могут являться очагами образования частичных
разрядов (см. § 18.5).
В табл. 20.1 приведены свойства воздуха и ряда широко применя-
емых в технике газов, а также свойства тех же газов в сжиженном
состоянии (что имеет большое значение для работающих при весьма
низких температурах устройств криоэлектротехники и криорадио-
электроники).
При равных условиях (при одинаковых давлении и температуре,
форме электродов, расстоянии между ними и пр.) разные газы могут
иметь заметно различающиеся значения электрической прочности.
Азот обладает практически одинаковой с воздухом электрической проч-
ностью; его нередко применяют вместо воздуха для заполнения газовых
конденсаторов и в других случаях, поскольку он не содержит кисло-
165
8
Параметр Воздух Азот n2 Кислород Ог
Молекулярная масса, х;/моль 28,96 28,013 32,000
Температура кипения, К 83,2 77,4 90,2
Температура плавления, К 60 63,2 54,4
Плотность, кг/м3: жидкости 960 804 1142
газа 1,293 1,25 1,43 1
Теплота испарения жидко- сти, кДж/кг 197 213
Коэффициент теплопровод- ности, Вт/(м • К): жидкости 0,146 0,171
газа 0,0257 0,025 0,026
Удельная теплоемкость (при постоянном давлении, кДж/(кг • К): жидкости 2,26 1J
газа 1,01 1,06 0,91
Показатель преломления: жидкости 1,21 1,22
газа 1,00029 1,000297 1,000272
Диэлектрическая прони- цаемость: жидкости 1,431 1,48
газа 1,000576 1,000588 1,000532
Таблица 20.1
Водород Н2 Элегаз SFe Угольный ангидрид СО2 Метан СН4 Аргон Аг Неон Ne Г елий Не
2,016 146,06 44,011 16,043 39,95 20,18 4,003
20,4 209,3 194,7 111,7 87,5 27,2 4,2
14,0 — — 89,2 84,0 24,5 —
71 1910 424 1392 1204 125
0,09 6,50 1,977 0,717 1,78 0,90 0,18
458 510 162 88 21
0,120 0,19 0,120 0,120
0,166 0,015 0,026 0,014 0,045 0,14
9,6 3,42 1,09
14,2 0,82 2,18 0,52 1,03 5,2
IJ0 1,02
1,000138 1,000450 1,000441 1,000297 1,000067 1,000035
1,231 1,047
1,000272 1,0021 1,000990 1,000555 1,00127 1,000069
рода, который может оказать окисляющее действие на соприкасающие-
ся с ним материалы.
Некоторые газы, главным образом с высокой молекулярной массой
и плотностью, электроотрицательны. Эти газы, содержащие галогены
(фтор, хлор и пр.), для ионизации которых требуется большая энергия,
имеют по сравнению с воздухом более высокую электрическую проч-
ность. Так, гексафторид серы (шестифтористая сера) SF6 обладает
электрической прочностью примерно в 2,5 раза большей, чем воздух.
В связи с этим советский ученый Б. М. Гохберг, впервые исследовав-
ший этот газообразный диэлектрик, назвал его элегазом (сокра-
щение от слов «электричество» и «газ»). Элегаз может быть сжат (при
нормальной температуре) без сжиже-
ния до давления 2 МПа. Он не ток-
сичен, химостоек, не разлагается при
нагреве до 800° С; его с успехом мож-
но использовать в комплектных рас-
пределительных устройствах, конден-
саторах, кабелях и т. п.
Многие перфторированные углево-
дороды, т. е. углеводороды, в молеку-
лах которых все атомы водорода за-
менены атомами фтора, имеющие об-
щий состав С^, при нормальных ус-
ловиях давления и температуры яв-
ляются разами (например, CF4, C2F6)
или жидкостями (например, C7F14).
Электрическая прочность некото-
рых газов, а также паров жидкостей
в 6—10 раз выше, чем Еп? воздуха.
Как видно из рис. 20.1, электри-
ческая прочность Fnp фторсодержа-
щих газов и паров даже при нормальном давлении может быть
того же порядка, что и Fnp электроизоляционных жидкостей. Однако
рассматриваемые газы по сравнению с жидкими диэлектриками обла-
дают некоторыми преимуществами: значительно меньшей плотностью
(что приводит к уменьшению массы заполняемых газом аппаратов),
более высокой нагревостойкостью и стойкостью к старению. Даже
небольшая примесь фторорганических газов или паров в воздухе
заметно повышает его электрическую прочность, что используется
в некоторых электрических устройствах высокого напряжения.
Водород обладает свойствами, особо благоприятными для
использования в качестве охлаждающей среды вместо воздуха, по-
скольку характеризуется высокими значениями удельной теплопро-
водности и теплоемкости (см. табл. 20.1). Кроме того, крупные элек-
трические машины обычно герметизируются и заполняются водородом
также и с целью снижения потерь мощности на трение ротора в газе
и замедления старения органических компонентов изоляции. При
равных условиях электрическая прочность Fnp водорода примерно
на 40% ниже Fnp воздуха.
Рис. 20.1. Пробивное напряжение
на частоте 50 Гц зазора 5 мм между
сферическими электродами диамет-
ром по 12,5 мм в зависимости от
давления:
/ — в воздухе; 2 — в SFe; 3 — в па-
рах C7F14 (для сопоставления звездоч-
кой отмечено L/np трансформаторного
масла между теми же электродами при
атмосферном давлении)
167
Для заполнения электровакуумных приборов и источников света
употребляют инертные газы: аргон, неон и др., а также пары
ртути и натрия. Инертные газы обладают весьма низкой электрической
прочностью. Наиболее низкую Епр имеет гелий — примерно в 17 раз
меньшую, чем воздух.
Гелий — материал, обладающий уникальными свойствами (см.
табл. 20.1): он имеет самую низкую по сравнению со всеми газами
температуру сжижения; 8 жидкого гелия весьма мала — она того же
порядка, что и 8 газов; мало также различие коэффициентов тепло-
проводности жидкого и газообразного гелия. Теплота испарения
жидкого гелия чрезвычайно низка, что существенно для криогенной
техники. Сжиженный гелий применяют в качестве низкотемператур-
ного хладоагента, в частности для устройств, в которых используется
явление сверхпроводимости.
Иногда в качестве криогенного хладоагента применяют жидкий
неон, температура кипения которого лишь немного превосходит
температуру кипения водорода. Химическая инертность неона является
его преимуществом перед взрывоопасным (в смеси с кислородом) водо-
родом. Однако неон очень дорог: если принять относительную стои-
мость 1 м3 жидкого азота за единицу, для жидкого водорода стоимость
будет около 2, для гелия — 80, а для неона — 30 000. Жидкие азот
и водород производят в больших количествах. Для получения умеренно
низких температур широко применяют твердый угольный ангидрид
СО2 — «сухой лед».
§ 20.2. Нефтяные электроизоляционные масла
Трансформаторные и другие нефтяные (минеральные) электроизоля-
ционные масла получают из нефти посредством ступенчатой перегонки
Рис. 20.2. Зависимости
кинематической вязкости
с выделением определенной (по температуре
кипения) фракции. Эти масла обладают рядом
преимуществ, которые и обеспечили им широ-
кое применение: они сравнительно дешевы и
могут производиться в больших количествах;
при высокой степени очистки их электроизо-
ляционные свойства достаточно хороши.
Из жидких электроизоляционных материа-
лов наибольшее применение в электротехни-
ке имеет трансформаторное масло, которым
заливают многие силовые трансформаторы.
Его назначение двоякое: во-первых, масло,
заполняя поры в волокнистой изоляции и
от температуры:
/ — для трансформаторного
масла; 2 — для кремний-
органической жидкости
моток и сердечника
электрические аппараты.
промежутки между проводами обмоток и меж-
ду обмотками и баком трансформатора, по-
вышает электрическую прочность изоляции;
во-вторых, оно улучшает отвод тепла от об-
трансформатора. Масло заливают и в другие
168
Рис. 20.3. Температурная за-
висимость tg 6 трансформа-
торного масла (на частоте
50 Гц)
Трансформаторное масло — жидкость от почти бес-
цветной до темно-желтого цвета, по химическому составу представляет
собой смесь различных углеводородов и потому является практически
неполярным диэлектриком с малой е (порядка 2,2—2,3).
Типичная температурная зависимость кинематической вязкости
для трансформаторного масла показана на рис. 20.2 (кривая 7).
Малая вязкость масла весьма важна, так как слишком вязкое масло
хуже отводит тепло потерь от обмоток и сердечника трансформатора
и хуже пропитывает пористую изоляцию.
Температура застывания — параметр, особенно важный для масла,
заливаемого в аппараты, работающие при низкой температуре окру-
жающей среды. Специальнее «арктическое»
масло (марки АТМ-65) имеет температуру
застывания —70° С.
Электрическая прочность Епр очень чув-
ствительна к его увлажнению (см. § 18.3).
При сушке Епр увлажненного масла восста-
навливается. Обычно £пр, находящегося в
эксплуатируемых трансформаторах масла,
составляет 10—25 МВ/м.
Зависимости tg 6 трансформаторных ма-
сел от температуры имеют вид, характер-
ный для неполярных диэлектриков (рис.
20.3).
Плотность трансформаторного масла
870—900 кг/м3. Его температурный коэф-
фициент объема 0,00065—0,00066 К-1. Удельная теплоемкость масла
около 1500 Дж/(кг - К), а коэффициент теплопроводности— 1 Вт/(м - К);
при росте температуры как теплоемкость, так и теплопроводность
масла увеличиваются. Масло отводит тепло потерь от погруженных
в него обмоток и сердечника трансформатора в 25—30 раз интенсив-
нее, чем воздух (при свободной конвекции).
При работе в трансформаторе или ином маслозаполненном электри-
ческом аппарате масло постепенно стареет, становясь более тем-
ным; в нем образуются загрязняющие его продукты — кислоты, смолы,
которые частично растворяются в масле, а частично оказываются
нерастворимыми; последние, как более тяжелые, осаждаются на дне
бака и на погруженных в масло деталях в виде «ила», значительно
ухудшающего теплоотвод от нагревающихся деталей. Образующиеся
в масле низкомолекулярные кислоты разрушают изоляцию обмоток
и вызывают коррозию соприкасающихся с маслом металлов. При ста-
рении увеличиваются вязкость и кислотное число масла, ухудшаются
его электроизоляционные свойства. Скорость старения масла воз-
растает:
а) при доступе воздуха, так как старение масла в значительной сте-
пени связано с окислением кислорода воздуха; особенно интенсивно
старение, если воздух содержит озон;
б) при повышении температуры (обычно наивысшей рабочей темпе-
ратурой масла считают 95° С);
169
в) при соприкосновении его с некоторыми металлами (медь, железо,
свинец и т. п.) и другими веществами — катализаторами старения;
г) при воздействии света;
д) при воздействии электрического поля.
При старении в электрическом поле некоторые сорта масел выде-
ляют газы, что очень вредно, так как пузырьки газов могут стать
очагами частичных разрядов. Способность не выделять газов при
старении в электрическом поле (или даже поглощать ранее выделив-
шиеся газы) называют газостойкостъю масла.
Добавление к маслу ингибиторов (антиокислительных при-
садок), которые в противоположность катализаторам замедляют ста-
рение масла, позволяет значительно увеличить его срок службы. Инги-
биторами являются ионол, пирамидон и другие вещества.
Регенерация начавшего стареть масла, т. е. удаление из него про-
дуктов старения и восстановление исходных свойств, достигается
обработкой масла специальными адсорбентами.
Помимо трансформаторного масла в электротехнике и радиоэлектро-
нике применяют и другие нефтяные электроизоляционные масла.
Конденсаторное масло служит для пропитки бумаж-
ных и пленочных конденсаторов. При пропитке бумаги повышается
как ее диэлектрическая проницаемость, так и электрическая прочность;
это в свою очередь дает возможность уменьшить габариты, массу и
стоимость конденсатора.
Конденсаторное масло сходно с трансформаторным, но характери-
зуется особо тщательной очисткой. Значение tg 6 этого масла при 100° С
должно быть не более 0,002 на частоте 1 кГц и не более 0,005 на 50 Гц;
Епр просушенного под вакуумом конденсаторного масла не ниже
20 МВ/м.
Кабельные масла различных типов используют в произ-
водстве силовых электрических кабелей. Пропитка бумажной изоляции
этих кабелей маслом повышает ее электрическую прочность, а также
способствует отводу тепла.
§ 20.3. Синтетические жидкие диэлектрики
Несмотря на преимущества электроизоляционных масел нефтя-
ного происхождения в некоторых случаях применения их качество
оказывается недостаточно высоким. Например, если требуется по-
жарная безопасность и взрывобезопасность, маслозаполненные аппа-
раты применять нельзя. Нагревостойкость нефтяных масел также
невысока. Для пропитки конденсаторов с целью повышения емкости
в данных габаритных размерах желательно иметь полярный жидкий
диэлектрик с более высоким, чем у неполярных нефтяных масел, зна-
чением е.
Ряд синтетических жидких диэлектриков по тем или иным свойст-
вам превосходит нефтяные электроизоляционные масла. Рассмотрим
важнейшие из них.
Хлорированные углеводороды получают из раз-
личных углеводородов путем замены в их молекулах некоторых (или
170
даже всех) атомов водорода атомами хлора. Наиболее широко приме-
няет полярные продукты хлорирования дифенила, имеющие состав
С12Н10_гС1г при среднем значении z от 3 до 6.
Типичная для полярных диэлектриков температурная зависимость
8 хлорированного дифенила представлена на рис. 15.6 (кривая а).
Замена хлорированным дифенилом масла при пропитке бумажных
конденсаторов позволяет значительно уменьшить объем, массу и стои-
мость конденсатора при той же реактивной мощности; однако при
падении температуры ниже 0° С емкость конденсаторов, пропитанных
хлорированным дифенилом, сильно снижается.
На рис. 20.4 представлены температурные зависимости tg 6 хло-
рированного дифенила различной степени очистки. Как видно, нали-
чие примесей существенно сказывается на
потерях на электропроводность (при вы-
соких температурах), но практически не
влияет на значение tg 6 в области релак-
сационных потерь (ср. гл. 17).
Хлорированные дифенилы, а также га-
зы, которые образуются при воздействии
на эти жидкости электрической дуги, ток-
сичны. Поэтому в ряде стран применение
Рис. 20.4. Температурные за-
висимости tg 6 (на частоте
50 Гц) для хлорированного
дифенила разной степени очи-
стки:
/ — после первой перегонки;
2 — после второй перегонки;
3 — после обработки адсорбен-
том (специальной глиной)
хлорированных дифенилов для пропитки
конденсаторов запрещено законом.
Некоторые полярные синтетические
электроизоляционные жидкости, например
нитробензол H5Ce — NO2, этиленгликоль
НО — СН2— СН2 — ОН и цианоэтилсаха-
роза C38H4eN8Ou, имеют весьма высокую
диэлектрическую проницаемость (порядка
35—40). Нитробензол характеризуется силь-
но выраженным эффектом Керра и применяется в устройствах, ис-
пользующих этот эффект.
Большой интерес представляют кремнийорганические и фтор-
органические соединения, среди которых имеются и жидкости.
Кремнийорганические жидкости обладают ма-
лым углом диэлектрических потерь, низкой гигроскопичностью
и повышенной нагревостойкостью. Для них характерна слабая зависи-
мость вязкости от температуры (см. рис. 20.2, кривая 2).
В зависимости от характера радикалов, присоединенных к ато-
мам Si в основной силоксановой цепочке молекулы (см. стр. 183),
различают полиметил сил оксановые (ПМС), полиэтил силоксановые-
(ПЭС) и полиметилфенилсилоксановые (ПМФС) жидкости. Эти жид-
кости имеют при 1 кГц и 20° Се = 2,5 4- 3,3 и tg 6 = 0,0001 + 0,0003;
наивысшая допустимая рабочая температура некоторых из них дохо-
дит до 250° С (кратковременно). Как к другие кремнийорганические
соединения, такие жидкости весьма дороги, что ограничивает их при-
менение.
Фторорганические жидкости имеют малый tg S,
ничтожно малую гигроскопичность и высокую нагревостойкость.
171
Отдельные фторорганические жидкости могут длительно работать
при температуре 200° С и выше. Как отмечалось в § 20.1, пары неко-
торых фторорганических жидкостей имеют необычно высокую для
газообразных диэлектриков электрическую прочность.
Для фторорганических жидкостей характерны малая вязкость,
низкое поверхностное натяжение (что способствует пропитке пори-
стой изоляции), высокий температурный коэффициент объема и лег-
кая летучесть. Последнее требует герметизации аппаратов, заливаемых
фторорганическими жидкостями.
Фторорганические жидкости обеспечивают более интенсивный
отвод тепла потерь от охлаждаемых ими обмоток и магнитопроводов,
чем нефтяные масла или кремнийорганические жидкости. Существуют
специальные конструкции малогабаритных электронных устройств
с заливкой фторорганическими жидкостями, в которых для улучше-
ния отвода тепла используют испарение жидкости с последующей
конденсацией ее в охладителе и возвратом в устройство («кипящая
изоляция»). При этом теплота испарения удаляется от охлаждаемых
обмоток, а наличие в пространстве над уровнем жидкости фторорга-
нических паров, особенно под повышенным давлением, значительно
увеличивает электрическую прочность газовой среды в аппарате.
Важным преимуществом фторорганических жидкостей по сравнению
с кремнийорганическими является также негорючесть и высокая дуго-
стойкость. Однако, как и кремнийорганические соединения, фтор-
органические жидкости дороги.
Помимо рассмотренных синтетических электроизоляционных жид-
костей, которые существенно отличаются по химическому составу
и свойствам от нефтяных масел, существуют и синтетические
жидкости углеводородного состава. Эти неполяр-
ные жидкости в ряде случаев обладают более ценными свойствами
(лучшие электроизоляционные свойства, стойкость к тепловому ста-
рению, газостойкость) по сравнению с маслами, получаемыми из нефти.
Так, пропитка бумажных конденсаторов полиизобутиленом с низкой
(порядка 10—20) степенью полимеризации (см. стр. 176) приводит
к повышению постоянной времени саморазряда конденсатора примерно
на порядок по сравнению с пропиткой нефтяным конденсаторным
маслом.
§ 20.4. Электроизоляционные полимеры
Полимеры — высокомолекулярные соединения, молекулы ко-
торых представляют собой совокупность весьма большого коли-
чества имеющих одинаковое строение групп атомов и получаются
в результате объединения друг с другом молекул сравнительно про-
стых по своему составу веществ, так называемых мономеров.
Реакцию образования полимера из мономера называют полиме-
ризацией. При полимеризации молекулярная масса увеличивается,
возрастает температура плавления и кипения, повышается вязкость.
В процессе полимеризации вещество может переходить из газообраз-
ного или жидкого состояния в состояние весьма густой жйдкости
и далее в состояние твердого тела, уменьшается растворимость и т. д.
172
Например, стирол — жидкий ненасыщенный углеводород, имею-
щий состав С8Н8 и строение молекулы
Нч /Н
>С=С<
НХ ХСвНб
благодаря наличию двойной связи между двумя соседними атомами
углеводорода обладает способностью легко полимеризоваться. Обра-
зующийся в результате полимеризации из стирола (мономера) поли-
стирол является уже твердым веществом; его молекула имеет строение
НН НН
II II
...—С—С----с—с—...
II II
Н СвНб Н С6Н5
и может быть представлена как цепочка, состоящая из одинаковых
повторяющихся звеньев:
/ Н Н \
I —С---С—
\ Н Свн5/Л
число молекул мономера и, объединившихся в одну молекулу поли-
мера, называют степенью полимеризации.
Для полистирола п может доходить до 6000. Температура плав-
ления стирола равна —33° С, а температура размягчения полисти-
рола составляет 70 -т- 85° С.
Полимеры представляют собой не строго индивидуальные хими-
ческие вещества, а смеси веществ, несколько различающихся значе-
нием п (так называемых полимер-гомологов). Практически можно
говорить лишь о некоторой средней степени полимеризации. Так как
разные полимер-гомологи имеют различные температуры плавления
(и тем выше, чем выше и), полимеры не имеют резко выраженной тем-
пературы плавления, а переходят из твердого в жидкое состояние
при нагреве постепенно, на протяжение некоторого температурного
интервала размягчения.
Полимеры являются обычно частично кристаллическими веще-
ствами — объемное содержание кристаллической фазы колеблется
от единиц процентов до 90%.
В случаях, подобных полимеризации стирола, когда все атомы
молекул мономера полностью входят в состав молекулы полимера,
содержание каждого химического элемента в полимере должно быть
таким же, как и в мономере. Но могут быть и более сложные случаи
полимеризации. Таковы, например, совместная полимеризация (сопо-
лимеризация) нескольких мономеров различного состава, и поли-
конденсация, когда не все атомы мономерных молекул входят в состав
173
образующихся полимерных молекул, а одновременно с образованием
полимера выделяется вода Н2О или иные низкомолекулярные вещества.
Полимеры делят на две группы — линейные и пространственные.
Молекулы линейных полимеров имеют вид цепочек или нитей (изо-
гнутых и переплетенных друг с другом), так что отношение длины
молекулы к ее поперечным размерам очень велико. Так, молекула
полистирола при п = 6000 (см. ранее) имеет длину около 1,5-10“6 м,
а поперечный размер 1,5-10"9 м. Молекулы пространственных («трех-
мерных») полимеров развиты в пространстве в различных направле-
ниях более равномерно, так что они имеют более компактную форму.
Между свойствами линейных и пространственных полимеров
имеются существенные различия. Как правило, линейные полиме-
ры сравнительно гибки и эластичны; многие из них при умеренном
повышении температуры размягчаются, а затем расплавляются. Про-
странственные полимеры обладают большой жесткостью; размягче-
ние их происходит лишь при высоких температурах, а многие из них
еще до достижения температуры размягчения химически разрушаются
(сгорают, обугливаются и т. п.). Линейные полимеры обычно спо-
собны растворяться в соответствующих по составу растворителях;
пространственные же растворяются с трудом, а многие из них прак-
тически нерастворимы. Текстильные волокна, а также тонкие гибкие
пленки могут получаться только из линейных полимеров.
Практически распространено также разделение полимеров на две
группы: термопластичные и тер мореактивные.
Термопластичные материалы (термопласты)
при достаточно низких температурах тверды, но при нагреве становятся
мягкими (пластичными) и легко деформируются; они могут раство-
ряться в соответствующих растворителях. Характерной особенностью
термопластичных материалов является то, что нагрев до темпера-
туры, соответствующей пластичному состоянию, не вызывает необра-
тимых изменений их свойств. После охлаждения эти материалы
сохраняют способность растворяться и при новом подъеме темпера-
туры размягчаться.
Термореактивные материалы (реактопла-
сты) в противоположность материалам первой группы при нагреве
претерпевают необратимое изменение свойств — они запекаются (от-
верждаются), т. е. приобретают значительную механическую проч-
ность и твердость, теряя при этом свойства растворимости и плавкости.
Термопластичные материалы — это линейные полимеры, сохра-
няющие линейное строение молекул и при нагреве; таков, например,
упомянутый полистирол. Термореактивными же являются материалы,
которые после нагрева приобретают пространственное строение.
Если электрическая изоляция в эксплуатации должна выдержи-
вать повышенные температуры, не деформируясь и сохраняя высо-
кую механическую прочность, или если она должна быть стойкой
при соприкосновении с растворителями, целесообразнее использовать
термореактивные материалы. Термопластичные материалы имеют
свои преимущества: многие из них эластичнее и менее хрупки,
чем термореактивные, и к тому же менее подвержены тепловому
174
старению. В ряде случаев технология обработки термопластичных
материалов проще; некоторые новые виды термопластов (политетра-
фторэтилен, полиимиды) имеют и высокую нагревостойкость.
Различают также полимеры гомоцепные, основные цепи строения
молекул которых образованы атомами только одного химического
элемента, и гетероцепные, в цепи которых входят два (или более)
элемента. Из гомоцепных полимеров наиболее важны карбоцепные,
цепи которых состоят лишь из атомов углерода С; таковы полистирол,
полиэтилен, поливинилхлорид (см. стр. 173—176) и др. К гетеро-
цепным полимерам, в частности, принадлежат полимеры с цепью
из атомов С и кислорода О, из атомов С и азота N (см. стр. 179—180)
и др., а также кремнийорганические полимеры (см. стр. 182—183), цепь
которых образована чередующимися атомами О и кремния Si.
Полимерные углеводороды. Простейший олефин, т. е. ненасыщенный
углеводород с двойной связью С = С в молекуле, — этилен С2Н4
или Н2С = СН2 — газообразное вещество. Молекула полимера эти-
лена, т. е. полиэтилена, имеет строение
Н н Н Н
...—С—С—С—С—...
н н н н
(см. также § 15.2). Имеется несколько способов полимеризации эти-
лена, различающихся условиями давления (от нормального до 300 МПа)
при полимеризации и типом катализатора реакции полимеризации.
Полимеры, полученные в неодинаковых условиях, имеют различную
плотность — от 920 до 960 кг/м3 и разную степень кристаллизации.
Полиэтилен, обладающий хорошими механическими свойствами,
высокой прозрачностью и стойкостью к действию кислот и щелочей,
широко применяют в технике и в быту. Его в больших количествах
используют для изоляции радиочастотных, телефонных и силовых
кабелей.
Для повышения нагревостойкости полиэтилен подвергают иони-
зирующему облучению (например, поток электронов от ускорителя
или от радиоактивного изотопа кобальта). При этом происходит
частичное сшивание линейных молекул полиэтилена благодаря нали-
чию в нем в небольшом количестве (около одной на тысячу атомов
углерода) двойных связей, т. е. образование пространственного строе-
ния. Так как формовка облученного полиэтилена затруднительна,
облучению подвергают уже отформованные полиэтиленовые изделия.
У облученного в растянутом состоянии изделия из полиэтилена
(как и некоторые другие полимеры) при нагреве восстанавливаются
форма и размеры, которые имелись ранее. Это явление называют
термоусадкой, и, в частности, используют в электроизоляционных
трубках и муфтах, которые после монтажа и последующего нагрева
плотно обжимают проводники.
Помимо облучения возможен и чисто химический способ получе-
ния полиэтилена, имеющего пространственное строение молекул
175
(«сшитого» или «структурированного»), — путем добавления к мате-
риалу катализаторов (органических перекисей).
Следующий после этилена гомологический член ряда олефинов —
пропилен Н2С = СН — СН3. Полипропилен — полимер этого
мономера, имеющий структурную формулу
НН НН
С—С—С—С—...
н сн3 н сн3
и обладающий особой правильностью в расположении боковых групп —
СН3 и атомов Н в пространстве («изотактическое» строение). Он весьма
эластичен (удлинение при разрыве 500—700%); электроизоляционные
свойства его того же порядка, а температура размягчения (165 -и
-т- 170° С) выше, чем у полиэтилена.
Полимер изобутилена Н2С = С (СН3)2 — полиизобути-
лен — имеет строение молекулы
Н СН3 Н СН3
1111
...—С—С—с—с—...
н сн3 н сн3
Высокомолекулярный полиизобутилен — каучукоподобное веще-
ство, обладающее значительной липкостью и склонное к хладотеку-
чести. Он обладает хорошей холодостойкостью (сохраняет эластич-
ность при температуре —80° С). Полиизобутилен с низкой степенью
полимеризации представляет собой вязкую жидкость.
Строение молекулы полистирола уже приводилось (см.
стр. 173). Недостатками этого полимера являются хрупкость при
пониженных температурах, склонность к постепенному образованию
поверхностных трещин, малая стойкость к действию растворителей
(в частности, жидких углеводородов) и невысокая нагревостойкость.
Рассмотренные полимеры чисто углеводородного состава — поли-
этилен, полипропилен, полиизобутилен, полистирол — являются прак-
тически неполярными диэлектриками (ср. кривую б на рис. 15.4
и кривую б на рис. 15.6), поэтому они обладают высокими электро-
изоляционными свойствами и низкой гигроскопичностью.
Поливинилхлорид (ПВХ) — твердый продукт полиме-
ризации газообразного мономера — винилхлорида Н2С = СН —С1, пред-
ставляющего собой этилен, в молекуле которого один атом Н замещен
атомом С1 (винилом называют остаток Н2С = СН —). Структурная
формула ПВХ:
Н Н Н Н
III!
...—С—С—С—С—...
Н С1 Н С1
176
(см. § 15.2; полярность ПВХ объясняется асимметрией строения
его молекул из-за наличия атомов С1). Он стоек к действию воды,
щелочей, разбавленных кислот, масел, бензина и спирта, широко
используется в технике и в быту для изготовления пластических
масс и резиноподобных продуктов, в частности для изоляции прово-
дов, защитных оболочек кабелей, аккумуляторных баков и т. п.
Для улучшения эластичности и холодостойкости к* ПВХ часто
добавляют пластификаторы, представляющие собой трудноиспаряю-
щиеся органические жидкости, обычно сильнополярные и ухудшаю-
щие электроизоляционные свойства материала. Так, для непласти-
фицированного ПВХ при нормальной температуре на частоте 50 Гц
значение е = 3,2 ч- 3,6, а для пластифицированного («поливинил-
хлоридного пластиката») 8 = 5 ч- 6; tg 6 пластиката доходит до 0,15.
Поливиниловый спирт, имеющий строение молекулы
Н Н Н Н
1111
..С—С—С—С—...
н они он
может рассматриваться как полимер гипотетического винилового
спирта Н2С = СН — ОН. Его не применяют в качестве электриче-
ской изоляции из-за сильно выраженных полярных свойств, высо-
кого tg 6 и легкой растворимости в воде; он служит исходным продук-
том для синтеза полимеров типа поливинилацеталей,
находящих широкое применение, в частности, для изготовления
эмаль-лаков. Изоляция проводов (винифлекс, металвин и др.) на этих
лаках имеет более высокую механическую прочность, чем ранее
применявшаяся изоляция на основе высыхающих растительных масел.
Фторорганические полимеры. Важнейший из материалов этого
класса — пол итетрафторэтилен (ПТФЭ) получают путем
полимеризации тетрафторэтилена F2C = CF2 (этилен, в молекуле
которого все четыре атома водорода замещены атомами фтора); он
имеет строение молекулы
F F F F
...—С—С—С—С—...
F F F F
Благодаря симметричному строению молекул ПТФЭ неполярен
(см. § 15.2 и рис. 15.4, кривая а). Этот материал выпускается в СССР
под названием фторлон-4 или фторопласт-4 (цифра 4 указывает
на число атомов F в молекуле мономера), а за рубежом — под назва-
нием тефлон и др. ПТФЭ обладает весьма высокой для органического
вещества нагревостойкостью (до 250° С), что объясняется высокой
энергией связи С — F и экранирующим влиянием атомов F на связи
между атомами С. Он исключительно стоек химически, превосходя
в этом отношении золото и платину (на него не действуют соляная,
177
Рис. 20.5. Температур-
ная зависимость вре-
мени жизни эмалиро-
ванных проводов на
различных эмаль-ла-
ках:
1 — лак поливинилаце-
талевый; 2 — кремний-
органический; 3 — по-
лиимидный
серная, азотная и плавиковая кислоты, щелочи; некоторое действие
на него оказывают лишь расплавленные щелочные металлы, фтор
и фтористый хлор при повышенной температуре); негорюч, прак-
тически негигроскопичен и не смачивается водой и другими жид-
костями.
ПТФЭ — белый или сероватый полупрозрачный материал, срав-
склонный к хладотекучести. По электроизоля-
ционным свойствам ПТФЭ принадлежит к луч-
шим из известных диэлектриков: его е = 2,0
при 50 4- 1010 Гц; tg б = 0,0001 4- 0,0003; р
^Ю16Ом‘М. Холодостойкость ПТФЭ характе-
ризуется сохранением гибкости при температу-
рах ниже —80° С, для тонких пленок — даже
ниже —100° С.
Широкому внедрению ПТФЭ препятствуют
его высокая стоимость и сложная технология
переработки. При температурах выше 400° С он
разлагается с выделением ядовитого газообраз-
ного фтора. Кроме того, ПТФЭ обладает ма-
лой радиационной стойкостью и короностой-
костью.
Помимо ПТФЭ для электрической изоляции
применяют и другие фторорганические полиме-
ры. Так, совместный полимер тетрафторэтиле-
на F2C = CF2 с гексафторполипропиленом
F2C == CF — CF3 имеет практически важные свойства, приближаю-
щиеся к свойствам ПТФЭ, но значительно технологичнее последнего.
Политрифторхлорэтилен, имеющий строение моле-
кулы
F F F F
1111
...—С—С—С—С—...
1111
F Cl F С1
и являющийся полимером трифторхлорэтилена F2C = CFC1, выпу-
скается в СССР под названием фторлон-3 или фторопласт-3. В силу
несимметричного строения молекул вследствие наличия в них ато-
мов хлора (§ 15.2) он является полярным диэлектриком. Это под-
тверждается представленными на рис. 15.5 данными о его 8 и tg б
при различных температурах и частотах. Химостойкость фторлона-3
весьма высока, хотя ниже, чем у ПТФЭ, а радиационная стойкость
выше. Технология переработки фторлона-3 сравнительно проста.
Полиэфиры (также «полиэфирные смолы»; некоторые синтети-
ческие полимеры, по физическим свойствам близкие к природным
смолам — канифоли, шеллаку и т. п. — по традиции иногда назы-
вают смолами) — продукты поликонденсации различных спиртов
и органических кислот (или их ангидридов). Полиэфиры, получае-
мые из двухатомных спиртов (гликолей), т. е. спиртов, имеющих две
178
гидроксильные группы — ОН в молекуле, и из двухосновных орга-
нических кислот, т. е. кислот, имеющих две карбоксильные группы
— СООН в молекуле, — термопластичны. Полимеры, получаемые из
трех атомных спиртов и из кислот с основностью не менее 2, — термо-
реактивны.
Так, полиэтилентерефталат, получаемый из этилен-
гликоля НО — СН2 — СН2 — ОН и двухосновной терефталевой
кислоты НООС — С6Н4 — СООН, имеет линейное строение моле-
кулы
...—СН2—СН2—О—СО—С6Н4—СО—...
и является типичным термопластичным материалом. Преимущества
полиэтилентерефталата — значительная механическая прочность и
высокая температура размягчения (порядка 260° С). Его широко
применяют для изготовления синтетических волокон, гибких пленок,
обладающей высокой механической прочностью изоляции эмалиро-
ванных проводов и т. п. В СССР он производится под названием
«лавсан» (аббревиатура слов «Лаборатория высокомолекулярных
соединений Академии наук СССР»), а за рубежом — под названиями
«майлар», «хостафан» и др. (пленки) и «терилен», «терен», «дакрон»
и др. (волокна). При повышенных температурах полиэтилентерефта-
лат на воздухе заметно окисляется; поэтому переработка размягчен-
ного нагревом материала должна вестись в атмосфере химически ней-
трального газа (азота).
Глифтали (глифталевые смолы) получают из простейшего
трехатомного спирта — глицерина НО — СН2 — СН (ОН) — СН2 — ОН
и фталевого ангидрида
/СОк
Н4С6< >0
XCOZ
Эти термореактивные материалы обладают высокой клейкостью, они
применяются для изготовления клееной слюдяной изоляции (см.
§ 20.14) и для других целей. Полностью отвержденный глифталь весьма
стоек к действию растворителей.
Ненасыщенные полиэфиры получают путем поли-
конденсации гликолей или многоатомных спиртов с ненасыщенными
кислотами или ангидридами, например акриловой кислотой
Н2С= СН — СООН, метакриловой кислотой Н2С = С (СН3) —СООН,
фталевым ангидридом, малеиновым ангидридом
НС—СОХ
II /О
НС—со7
и др. Их широко применяют для изготовления термореактивных
компаундов, в том числе компаундов для герметизации радиоэлектрон-
ной аппаратуры и для изоляции электрических машин и аппаратов,
как связующее в производстве слоистых пластиков (см. § 20.8) и т. п.
179
Полиметилметакрилат — полимер метилового эфира
метакриловой кислоты Н2С — ССН3 - СОО — СН3; он известен под
названиями «органическое стекло», «плексиглас» и др. Этот прозрач-
ный бесцветный полимер широко используют как конструкционный
материал.
Полиамиды имеют молекулы линейного строения, образованные
комплексами из 4—8 метиленовых групп — СН2 — , между которыми
расположены пептидные группы — СО — NH. — . Полиамиды обла-
дают высокой механической прочностью и эластичностью; растворимы
лишь в ограниченном числе растворителей (в частности, в крезоле
и расплавленном феноле).
Полиамидам присуща относительно высокая гигроскопичность,
легкая деформируемость при повышенных температурах, малая радиа-
ционная стойкость и низкая светостойкость. Их широко применяют
для изготовления синтетических волокон, гибких пленок, пластиче-
ских масс и т. п.
В СССР из полиамидов особенно широко применяют капрон,
имеющий строение молекулы
...—(СН2)5—СО—NH—(СН2)5—СО—NH—...
и температуру размягчения 215 4- 200° С и найлон (анид) со строе-
нием молекулы
.. .(СН2)6—NH—СО—(СН2)4—СО—NH—...
и несколько более высокой температурой размягчения.
Еще более высокой нагревостойкостью обладают аромати-
ческие полиамиды, в состав молекул которых входят аро-
матические остатки, например:
...—С6Н4—СО—NH—СбС4—СО—NH—...
Полиуретаны — линейные полимеры, в цепочках молекул
которых между углеводородными остатками располагаются группы
— NCOO—. Следует отметить их использование для эмалирования
проводов. Особенностью полиуретановых эмалированных проводов
является способность их облуживаться без предварительной за-
чистки эмалевой изоляции, при простом погружении конца незачи-
щенного провода в расплавленный припой или (в случае тонких про-
водов) непосредственно при обработке паяльником; эти «самооблужи-
вающиеся» провода весьма удобны при монтаже. Недостатком их явля-
ется склонность к размягчению эмалевой пленки при повышенных
температурах (выше 150° С).
Полиимиды весьма перспективны, они содержат имидную группи-
ровку атомов
...—СОЧ
>N—...
...—СО7
и принадлежат к числу наиболее нагревостойких органических поли-
меров: допустимая для них рабочая температура — длительно порядка
180
200 ч- 250° С, а кратковременно — до 500° С. Высокая нагревостой-
кость полиимидных эмалированных проводов подтверждается рис. 20.5.
Совместные полимеры — полиамидимиды — имеют свойства, про-
межуточные между свойствами полиамидов и полиимидов.
Эпоксидные смолы характеризуются наличием в их моле-
кулах эпоксидных групп (колец)
/°\
Н2С—СН—
В исходном состоянии эти материалы — вязкие жидкости, кото-
рые могут растворяться в ацетоне и других соответствующих раст-
ворителях. В чистом виде они длительно хранятся, не изменяя свойств.
Однако после добавления к ним отвердителей эпоксидные смолы
сравнительно быстро отверждаются, приобретая пространственное
строение. Процесс отверждения представляет собой чистую полиме-
ризацию, без выделения воды или других низкомолекулярных веществ.
Поэтому эпоксидные смолы, к которым непосредственно перед их
употреблением были добавлены отвердители, становясь уже термо-
реактивными материалами, могут равномерно отверждаться в весьма
толстом слое, образуя при этом монолитную, в высокой степени водо-
непроницаемую изоляцию.
В зависимости от типа отвердителя эпоксидные смолы могут
отверждаться либо при нагреве (обычно до 80 4- 150° С), либо при
комнатной температуре («холодное отверждение»); отверждение мо-
жет проводиться без внешнего давления, что технологически проще,
или при повышенном давлении. В последнем случае получается
изоляция, обладающая более высокой электрической прочностью.
Распространенными отвердителями для холодного отверждения явля-
ются азотсодержащие вещества (амины), для отверждения при нагре-
ве — ангидриды органических кислот. Выбор отвердителя оказывает
большое влияние на свойства (эластичность, нагревостойкость и т. д.)
отвержденной эпоксидной смолы.
Усадка при отверждении эпоксидных смол сравнительно неве-
лика (0,5—2%). Большим преимуществом этих смол является также
их высокая адгезия к пластическим массам, стеклам, фарфору, метал-
лам и другим материалам. Отвержденные эпоксидные смолы (поли-
эпоксиды) обладают довольно высокой нагревостойкостью, благо-
даря чему в ряде случаев они могут заменить, например, кремний-
органические полимеры, имеющие намного худшие механические
свойства и более дорогие.
Эпоксидные смолы сами по себе или в композиции с другими
материалами применяют для изготовления клеев, лаков, заливочных
компаундов, например для заливки трансформаторов и узлов аппа-
ратуры. Многие эпоксидные смолы (с отвердителями) оказывают
на организм человека токсическое действие, вызывая, в частности,
кожные заболевания. Это требует при работе с ними соответствую-
щих мер предосторожности (охраны труда). Отвержденные поли-
эпоксиды уже не токсичны.
181
Фенолоформальдегидные смолы принадлежат
к наиболее ранним по времени разработки (начало XX в.) синтетиче-
ским полимерам и до сего времени производятся в значительных коли-
чествах. Это — продукты поликонденсации фенола Н5С6 — ОН (или
крезола Н3С — С6Н4 — ОН и аналогичных веществ) с формальдеги-
дом Н2СО. Их получают посредством нагрева в закрытом котле вод-
ного раствора фенола и формальдегида в присутствии катализа-
тора.
Фенолоформальдегидные смолы могут быть изготовлены как тер-
мореактивными, так и термопластичными. Если в реакции смоло-
образования участвует не менее одного моля формальдегида на моль
фенола, получается термореактивная смола, так называемый баке-
лит. При его изготовлении берется щелочной катализатор — обычно
аммиак, не оставляющий в готовой смоле примесей ионного харак-
тера. Бакелит обладает высокой механической прочностью, но мало
эластичен; отрицательным свойством его является и наклонность
к трекингу, т. е. образованию на его поверхности проводящих элек-
трический ток (науглероженных) следов при воздействии электри-
ческих зарядов. Бакелит применяют для пропитки различных мате-
риалов, при изготовлении пластических масс, в том числе слоистых
пластиков — гетинакса, текстолита и др.
Если же при варке смолы взять менее одного моля формальде-
гида на моль фенола и применить не щелочной, а кислотный ката-
лизатор (например, соляную кислоту), то получится смола типа
новолака.
Н о в о л а к является термопластичной смолой и после на-
грева сохраняет плавкость и растворимость. Его широко применяют
для изготовления пластических масс (пресс-порошков).
Фенолоформальдегидные смолы вследствие наличия в их молеку-
лах гидроксильных групп —ОН полярны. Для отвержденного
бакелита р = 10й — 1012 Ом -м; = 1013 Ом, плотность равна
1250 кг/м3, водопоглощаемость 0,1%.
Крезольные смолы менее полярны по сравнению с фенольными,
так как в молекуле крезола углеводородный остаток больше, чем
в молекуле фенола.
При реакции с формальдегидом анилина Н5Св — NH2 полу-
чаются анилиноформальдегидные смолы; поляр-
ные свойства их выражены еще слабее, и они менее гигроско-
пичны благодаря замене группы —ОН менее полярной груп-
пой —NH2.
Кремнийорганические смолы (полиоргано-
сил о к с а н ы, силиконы). В их состав помимо характерного
для органических полимеров углерода С входит кремний Si. Основу
строения их молекул образует «силоксанная» цепочка чередующихся
атомов кремния и кислорода:
...— Si— О—Si—О—...
182
(см. также стр. 171). Полиорганосилоксаны могут быть как термо-
пластичными и иметь линейное строение
R R
...— si—О—Si— О—...
I I
R R
так и термореактивными и образовывать пространственные структуры,
например:
R R R
I I I
..Si—О—Si—О—Si—...
I I
R R
R О R
I I I
..Si—О—Si—О—Si—...
(под R подразумевают органические радикалы, например метил—СН3,
этил — С2Н5, фенил —С6Н5).
Энергия силоксанной связи Si — О больше, чем энергия связи
между двумя атомами углерода С — С, что и определяет более высо-
кую нагревостойкость кремнийорганических полимеров по сравне-
нию с большинством из рассматриваемых в настоящем параграфе
органических полимеров.
Кремнийорганические полимеры используют в лаках, компаун-
дах, пластмассах; некоторые из них весьма эластичны («кремнийорга-
нические каучуки» см. § 20.8). Как уже отмечалось, кремнийоргани-
ческие соединения могут быть получены и в виде жидкостей (см. § 20.3).
Электроизоляционные свойства кремнийорганических полимеров
высоки даже при повышенных температурах. Кремнийорганические
соединения обладают малой гигроскопичностью и практически не сма-
чиваются водой. Более того, покрытие этими соединениями целлю-
лозных материалов, пластических масс, керамики создает гидро-
фобизацию обрабатываемых материалов, т. е. снижает их смачивае-
мость, делая их водоотталкивающими. Однако кремнийорганические
материалы сравнительно дороги. Кроме того, они, как правило,
имеют низкую механическую прочность (даже в исходном состоянии,
до теплового старения), обладают плохой адгезией к большинству дру-
гих материалов и низкой маслостойкостью.
Искусственные полимеры. Природные полимеры, входящие в состав
организмов животных и растений, играют большую роль во всей
органической жизни: таковы белки, целлюлоза и т. п. Некоторые
из природных полимеров (целлюлоза, шелк и др.) непосредственно
используются в электрической изоляции (см. § 20.9).
183
Кратко остановимся на некоторых искусственных полимерах,
которые получают из природных полимеров — эфирах целлюлозы.
Целлюлоза (см. стр. 193) имеет строение молекулы
ОН
сн2
I
У/СН--Ох
...—НС< /СН—о—...,
ХСН—CHZ
он он
т. е. в каждом звене цепочки этого полимера имеются три гидроксиль-
ные группы —ОН, объясняющие сильно выраженные полярные
свойства целлюлозы как диэлектрика и ее большую гигроскопич-
ность.
Различают простые эфиры целлюлозы, в которых
атомы Н гидроксильных групп замещаются (полностью или частично)
углеводородными остатками, и сложные эфиры, в которых
заместителями этих же атомов Н являются остатки тех или иных кис-
лот. Из простых эфиров наибольшее значение имеет этилцеллюлоза,
в которой атомы Н гидроксильных групп замещаются группами этила
— С2Н5; она имеет высокие электроизоляционные свойства и хорошую
холодостойкость (сохраняет гибкость при —50° С). Большое зна-
чение имеют сложные эфиры: нитроцеллюлоза, в которой заместителями
являются остатки азотной кислоты (нитрогруппы) —NO2, и ацетил-
целлюлоза (заместители — остатки уксусной кислоты —СО—СН3)
и др. Нитроцеллюлоза весьма горюча, а при большом содержании
в ней нитрогрупп даже взрывоопасна; ацетилцеллюлоза менее огне-
опасна.
По сравнению с природной целлюлозой ее эфиры имеют то пре-
имущество, что они являются термопластичными материалами и обла-
дают плавкостью и способностью растворяться в соответствующих
растворителях, а потому удобны для переработки и широко исполь-
зуются при изготовлении искусственных текстильных волокон, пле-
нок, лаков, пластических масс. Кроме того, благодаря замене сильно-
полярных гидроксильных групп менее полярными группами, эфиры
целлюлозы имеют лучшие электроизоляционные свойства и меньшую
гигроскопичность по сравнению с природной целлюлозой. Недостат-
ком эфиров целлюлозы является их низкая нагревостойкость.
§ 20.5. Электроизоляционные лаки
Большое значение в электроизоляционной технике имеют лаки
и компаунды (см. § 20.6). В процессе изготовления изоляции их исполь-
зуют в жидком состоянии. Таким образом, лаки и компаунды явля-
ются твердеющими материалами.
184
Лаки — это коллоидные растворы смол, битумов, высыхающих
масел и составляющих так называемую лаковую основу в летучих
растворителях. При сушке лака растворитель улетучивается, а лако-
вая основа переходит в твердое состояние, образуя (в тонком слое)
лаковую пленку.
По применению электроизоляционные лаки подразделяют на про-
питочные, покрывные и клеящие.
Пропиточные лаки служат для пропитки пористой и,
в частности, волокнистой изоляции. После пропитки поры в изоляции
оказываются заполненными не воздухом, а высохшим лаком, имею-
щим более высокие электрическую прочность и теплопроводность, чем
воздух. В результате пропитки повышается пробивное напряжение,
увеличивается теплопроводность (это важно для отвода тепла по-
терь), уменьшается гигроскопичность, улучшаются механические
свойства изоляции. После пропитки органическая изоляция в мень-
шей мере подвергается окисляющему влиянию воздуха и поэтому
ее нагревостойкость повышается (см. § 19.2 — переход целлюлозных
материалов при пропитке из класса нагревостойкости У в класс А).
Покрывные лаки служат для образования механически
прочной, гладкой, блестящей, влагостойкой пленки на поверхности
(часто предварительно пропитанной) твердой изоляции. Эта пленка
повышает напряжение поверхностного разряда и поверхностное
сопротивление изоляции, защищает лакируемое изделие от действия
влаги, растворителей и химически активных веществ, а также улучшает
внешний вид изделия и затрудняет приставание к нему загрязнений.
Специальные покрывные лаки (эмаль-лаки) наносят непосред-
ственно на металл, создавая на его поверхности электроизоляционный
слой (эмалированные провода, изоляция листов ферромагнетика в рас-
слоенных магнитопроводах).
Клеящие лаки применяют для склеивания твердых элек-
троизоляционных материалов или для приклеивания их к металлу.
Они должны обеспечивать высокую адгезию к склеиваемым материа-
лам.
Приведенная классификация лаков по областям применения
не всегда может быть выдержена достаточно строго. Так, при изго-
товлении гетинакса и текстолита лак является одновременно и про-
питочным и клеящим.
По режиму сушки различают лаки горячей (печной)
сушки, для которых требуется повышенная (обычно более 100° С)
температура, илаки холодной (воздушной), сушки,
которые достаточно быстро и хорошо сохнут при комнатной темпера-
туре. Режим сушки лака определяется как его основой, так и раство-
рителем. Если основа лака термореактивна, для сушки обычно
требуется нагрев; лаки с термопластичной основой не требуют запека-
ния пленки при высокой температуре. Однако для лаков, в состав кото-
рых входит растворитель, кипящий при высокой температуре (напри-
мер, керосин), требуется печная сушка независимо от вида лаковой
основы; для лаков с растворителем, легко испаряющимся при нор-
мальной температуре (например, бензин или ацетон), достаточна
185
воздушная сушка, если только их основа не требует высокой тем-
пературы для запекания пленки. Как правило, лаки печной сушки
дают более высококачественную пленку, чем лаки воздушной сушки.
Электроизоляционные лаки очень многочисленны и разнообразны.
Рассмотрим лишь некоторые из них.
Смоляные лаки — это растворы различных синтетических,
искусственных или природных смол: бакелита, глифталя, шеллака
и т. п.
Целлюлозные лаки являются растворами термопластич-
ных эфиров целлюлозы. Для большей части целлюлозных лаков доста-
точна холодная сушка. Наибольшее значение из них имеют нитро-
целлюлозные лаки (нитролаки). Пленки нитролаков механически
прочны, отличаются блеском, хорошим сопротивлением к воздействию
воздуха, влаги, масел и др. Нитролаки плохо пристают к металлам,
поэтому на металле обычно предварительно создают слой «грунто-
вого» лака, хорошо пристающего к металлу, менее стойкого к дей-
ствию воздуха, света и влаги (например, глифталевого), а затем уже
слой нитролака. Первое покрытие для запекания грунта требует
горячей сушки и ее производят до нанесения нитролака. Нитролаки
применяют также для пропитки хлопчатобумажных оплеток про-
водов.
Масляные лаки. Основу их составляют высыхающие масла,
способные при воздействии нагрева, освещения, соприкосновения
с кислородом воздуха и других факторов переходить в твердое со-
стояние. Тонкий слой масла, налитый на поверхность какого-либо
материала, высыхает и образует твердую, блестящую, прочно при-
стающую к подложке электроизоляционную пленку. Высыхание
масел — это сложный химический процесс, связанный с поглощением
маслом некоторого количества кислорода из воздуха. Для полного
высыхания масел при сушке лаков необходим доступ воздуха.
Скорость высыхания увеличивается с повышением температуры, при
освещении, а также в присутствии катализаторов химических реак-
ций — так называемых сиккативов. В качестве сиккативов используют
соединения свинца, кальция, кобальта и др. Наиболее распростра-
ненными высыхающими маслами являются льняное и тунговое.
Черные лаки. В их состав входят битумы, которые и опре-
деляют черный цвет как жидкого лака, так и лаковой пленки. Биту-
мы — аморфные материалы, представляющие собой в основном слож-
ные смеси углеводородов. Различают битумы искусственные (нефтя-
ные), представляющие собой тяжелые продукты перегонки нефти,
и природные (ископаемые), называемые также асфальтами.
Черные лаки по сравнению с масляными дешевле, образуют пленки
менее гигроскопичные, но зато менее эластичные и более подвержен-
ные действию растворителей; при нагреве пленки этих лаков склонны
к размягчению. Поэтому в качестве электроизоляционных используют
не чисто битумные, а масляно-битумные лаки.
Наилучшими растворителями для масляно-битумных лаков явля-
ются ароматические углеводороды (бензол, толуол и др.), а также
скипидар. Из-за существенной вредности для организма человека
186
ароматики, особенно бензола, широко применяют смеси этих раство-
рителей с бензином.
Применяют и другие электроизоляционные лаки, главным образом
на основе синтетических полимеров. Марки лаков (а также компаунды)
обычно состоят из условных букв и цифр; примеры: БТ-980 — чер-
ный масляно-битумный пропиточный лак; ГФ-95 — светлый масляно-
глифталевый пропиточный маслостойкий лак; КО-964 — светлый крем-
нийорганический лак для пропитки обмоток, работающих в условиях
повышенной температуры и влажности (первая цифра 9 означает, что
лак предназначен для электрической изоляции).
§ 20.6. Электроизоляционные компаунды
Компаунды отличаются от лаков (см. § 20.5) отсутствием в их
составе летучего растворителя. Если компаунд в исходном состоя-
нии представляет собой твердое вещество, перед употреблением его
нагревают, чтобы получить массу достаточно малой вязкости. Ком-
паунды (от английского compound — смесь, соединение) часто
являются смесями различных полимеров или способных к поли-
меризации веществ, битумов, восков и т. п.
Различают две основные группы электроизоляционных компаун-
дов — пропиточные, назначение которых аналогично назна-
чению пропиточных лаков, и заливочные, служащие для запол-
нения сравнительно больших полостей и промежутков между раз-
личными деталями в электрических аппаратах, а также для нанесе-
ния сравнительно толстого покрытия на деталях — узлах и блоках.
Заливочные компаунды применяют для защиты изоляции, узлов ит. п.
от увлажнения, увеличения разрядного напряжения, улучшения
условий отвода тепла.
По сравнению с лаками компаунды способны обеспечить лучшую
влагостойкость и влагонепроницаемость изоляции, так как при охлаж-
дении после пропитки затвердевают полностью, и в них не остается
пор (каналов) — следов испаряющегося из затвердевающего материала
растворителя. При заполнении компаундом воздушных промежутков
улучшаются условия отвода тепла потерь, вследствие чего мощность
аппарата может быть повышена. Теплоотвод можно улучшить еще
больше, если применить обладающий повышенной удельной тепло-
проводностью компаунд, смешанный с минеральным наполнителем —
кварцевым песком и т. п.
Битумные компаунды, состоящие в основном из биту-
мов с определенной температурой плавления, принадлежат к термо-
пластичным,} они размягчаются (для пропитки или заливки) при нагре-
вании и отвердевают при охлаждении.
За последние годы все большее значение приобретают термо-
реактивные компаунды, необратимо отверждающиеся
в результате происходящих в жидком компаунде химических пре-
вращений. Они, как правило, обладают более высокой нагревостой-
костью по сравнению с термопластичными, так как при нагреве (после
отверждения) уже не размягчаются. Однако заливка термореактивным
187
компаундом затрудняет ремонт детали при ее пробое или ином по-
вреждении; в большинстве случаев при повреждении залитой детали
требуется ее замена.
Весьма распространены эпоксидные компаунды, пред-
ставляющие собой эпоксидную смолу (см. § 20.4) с добавлением напол-
нителей, пластификаторов и других ингредиентов. Непосредственно
перед употреблением компаунда в него вводится отвердитель; в зави-
симости от вида отвердителя эпоксидные компаунды могут отверж-
даться или при охлаждении, или при нагреве.
Важное значение имеют также термореактивные полиэфир-
ные компаунды на основе ненасыщенных полиэфирных смол
(см. § 20.4), иногда со стиролом, метилметакрилатом и другими моно-
мерами, которые служат «активными» (т. е. вступающими в реакцию
совместной полимеризации) разбавителями; катализаторами отвержде-
ния являются органические перекиси. Полиэфирные компаунды,
как правило, дают значительную (порядка 6% ) усадку при отвержде-
нии; в этом отношении они хуже эпоксидных.
Наиболее совершенный способ компаундирования состоит в том,
что изделия сначала подвергают вакуумной сушке для возможно
лучшего удаления как паров воды, так и следов воздуха, а затем
в том же резервуаре (чтобы в поры вакуумированного изделия не про-
ник воздух) пропитывают компаундом под давлением, принудительно
загоняя компаунд в поры изоляции.
Для заливки изделия помещают в соответствующие формы, в кото-
рые и заливается компаунд; после его отверждения форма удаляется.
Если требуется, перед заливкой производят вакуумирование, а при
отверждении дают повышенное давление.
Для нанесения сравнительно тонкого изоляционного слоя ком-
паунда на поверхность изделия применяют вихревое напыление: в спе-
циальной ванне с пористым дном помещается измельченный в тонкий
порошок электроизоляционный состав, и сквозь дно вдувается сжатый
воздух (под избыточным давлением 0,01—0,02 МПа). Таким образом,
в ванне образуется суспензия порошка в воздухе, внешне напоми-
нающая кипящую жидкость («кипящий» или «псевдоожиженный»
слой), имеющая резко выраженную верхнюю границу. В эту суспен-
зию на короткое время вводят предварительно нагретое обрабатывае-
мое изделие; частицы порошка, соприкасаясь с нагретым изделием,
плавятся, образуя на его поверхности электроизоляционный слой.
Если требуется, затем производят термообработку покрытого изделия.
Покрытие вихревым напылением может использоваться в массовом
производстве.
§ 20.7. Пластические массы
Пластические массы (пластмассы, пластики) — это обычно ком-
позиционные материалы, способные под влиянием внешнего давления
(часто при одновременном нагреве) приобретать определенную форму,
соответствующую очертаниям пресс-формы, используемой для изго-
товления изделий. В пресс-форме требующихся размеров и конфигу-
рации можно отпрессовьщать большое количество изделий, точно
188
повторяющих очертания внутренней полости пресс-формы. При массо-
вом производстве изделий одинаковой формы и размеров применение
пластических масс обеспечивает высокую производительность труда
и снижение стоимости готовых изделий.
Многие пластмассы имеют высокую механическую прочность
и хорошие электроизоляционные свойства; их преимуществом явля-
ется также легкость (плотность пластмасс обычно составляет 900 4-
4- 1800 кг/м3).
В большинстве случаев пластмассы состоят из двух основных
компонентов: связующего и наполнителя.
Связующее — обычно органический полимер, обладающий способ-
ностью деформироваться при нагреве и давлении. Иногда применяют
и неорганическое связующее (стекло, цемент).
Наполнитель, прочно сцепляющийся со связующим, может быть
порошкообразным, волокнистым, листовым («каменная мука», «дре-
весная мука» — мелкие опилки, хлопчатобумажное, асбестовое или
стеклянное волокно, слюда, бумага, ткань и т. п.). Наполнитель
обычно существенно удешевляет пластмассу и в то же время может
улучшать ее механические характеристики (увеличивать прочность,
уменьшать хрупкость).
В состав пластмасс вводят иногда пластификаторы, увеличиваю-
щие пластичность и уменьшающие хрупкость материала, а также
красители, придающие пластмассе определенную окраску, и другие
добавки.
Особенности технологии изготовления изделий из пластмасс в основ-
ном зависят от вида связующего: различают пластмассы горячей прес-
совки, требующие нагрева, и пластмассы холодной прессовки, прес-
сующиеся при нормальной температуре.
Для большинства электроизоляционных пластмасс с органическим
связующим необходимо горячее прессование. Эти пластмассы разде-
ляют на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реак-
топласты) (см. § 20.4).
Исходным материалом для изготовления большинства изделий
из пластических масс, имеющих самые разнообразные формы, служат
пресс-порошки, т. е. отвешенные в нужных соотношениях, тонко
измельченные, высушенные и тщательно перемешанные составные
части пластмассы. Фасонные изделия из пресс-порошков обычно
прессуют на гидравлических прессах, обеспечивающих достаточно
большое давление.
В пресс-форму, изготовленную из твердой стали и хромирован-
ную, засыпают требуемое количество пресс-порошка и ставят ее
на нижнюю плиту пресса. Затем плиты пресса сближают, и на нахо-
дящийся внутри пресс-формы пресс-порошок подают давление. Если
требуются одновременно нагрев и давление, то пластины пресса или
сама пресс-форма снабжаются электронагревательным устройством,
или же обогреваются паром, горячей водой, которые пропускаются
через каналы, просверленные в плитах пресса или стенках пресс-
формы. По окончании прессования снимают давление, разводят
плиты пресса и вынимают из пресс-формы готовое изделие. Если
189
применяются термореактивный пресс-порошок, отпрессованные изде-
лия можно вынимать из пресс-формы готовыми; если же пресс-поро-
шок термопластичный, то изделия должны охлаждаться в пресс-
форме, для чего по каналам в ней пропускается холодная вода.
Для получения изделий из термопластов часто используют литье
под давлением; материал размягчают вне пресс-формы в обогреваемом
цилиндре и затем вдавливают в пресс-форму движущимся в цилиндре
поршнем (плунжером).
Литье под давлением — это прерывный процесс: при ходе плун-
жера в одну сторону происходит загрузка полости машины, при ходе
в другую сторону — прессовка. При выдавливании размягченной
нагревом термопластичной массы посредством червяка (шнека) осу-
ществляется непрерывный процесс прессовки через наконечник нуж-
ной формы. Этим способом (шприцевание, экструзия) изготовляют
стержни, ленты, трубы и т. п. изделия, имеющие неизменное по всей
длине поперечное сечение. Экструзию широко применяют также для
наложения изоляции и защитных оболочек из полиэтилена, поли-
винилхлорида и других термопластов на кабельные изделия.
Многие термопластичные пластмассы можно соединять путем свар-
ки, подобно сварке металлов. Нагрев при сварке пластмасс осуще-
ствляется струей горячего воздуха; используют сварку и применяя
нагрев в электрическом поле высокой частоты. Применяют также
склеивание пластмасс друг с другом и с другими материалами клеями.
Широко распространены в качестве конструкционных и электро-
изоляционных материалов слоистые пластики, в которых наполни-
телем является тот или иной листовой волокнистый материал. К этим
материалам относятся: гетинакс, текстолит и пр.
Гетинакс получают посредством горячей прессовкой бумаги,
пропитанной бакелитом. Пропитанная бумага нарезается листами
требующегося формата, собирается пачками нужной толщины и укла-
дывается между стальными плитами гидравлического пресса.
Плотность гетинакса 1350 4- 1450 кг/м3; его электрическая проч-
ность (перпендикулярно слоям) 20—40 МВ/м, е = 5 4- 6. Дуго-
стойкость гетинакса, как и других пластмасс на фенолоформальде-
гидном связующем, невысока. После действия разряда на поверх-
ности материала остается науглероженный след, обладающий зна-
чительной проводимостью (трекинг, см. стр. 145 и 182).
Слоистая структура гетинакса, подобно всем слоистым пласти-
кам, приводит к заметной анизотропии свойств. Например, удельное
объемное сопротивление гетинакса вдоль слоев в 50—100 раз, а элек-
трическая прочность в 5—8 раз ниже, чем поперек слоев.
Текстолит — пластик, аналогичный гетинаксу, но изготов-
ляемый из пропитанной ткани. Он намного дороже гетинакса и при-
меняется главным образом для изделий, подвергающихся ударным
нагрузкам или работающих на истирание.
Помимо гетинакса и текстолита изготавливают и другие виды
электроизоляционных слоистых пластиков. Наиболее нагревостой-
кими, влагостойкими и механически прочными слоистыми пласти-
ками являются стеклотекстолиты.
190
Фольгированные материалы - слоистые пластики
(или же синтетические пленки), облицованные с одной или с обеих
сторон металлической (обычно — медной) фольгой. Их широко при-
меняют для изготовления печатных плат в различных электротехни-
ческих и радиоэлектронных устройствах, а также для изготовления
микромашин (с печатными схемами вместо обычных обмоток).
Намотанные изделия. Помимо описанных листовых
слоистых пластиков, находят применение и фасонные слоистые изде-
лия. Например, намотанные изделия, известные на практике под
названием гетинаксовых (бакелитовых) трубок и цилиндров. Баке-
литовые трубки и цилиндры изготовляют из лакированной с одной
стороны бумаги: такая бумага туго наматывается на металлическую
оправку и вместе с ней подвергается запеканию в термостате, после
чего готовое изделие снимается с оправки. Свойства намотанных
изделий уступают свойствам листового гетинакса. Выпускают также
текстолитовые цилиндры, стержни и различные фасонные детали
сложной формы.
§ 20.8. Эластомеры
Большое значение в самых разнообразных отраслях техники
и в быту имеют материалы, созданные на основе каучука и близких
к нему по свойствам веществ, так называемые эластомеры.
Натуральный каучук (НК) получают из млечного
сока (латекса) растений — каучуконосов. По химическому составу
он представляет собой полимерный углеводород, имеющий состав
(С5Н8)Л и строение, характеризуемое наличием двойных связей:
...—СН2—С=СН—СН2—СН2—С=СН—СН2—...
СН3 СН3
Высокая эластичность каучука связана с зигзагообразной, «шар-
нирной» формой цепочек его молекул; при действии на каучук растя-
гивающего усилия форма цепочки приближается к прямолинейной.
Каучук — аморфное вещество, но в растянутом состоянии он дает
рентгенограммы, характерные для кристаллических тел, имеющих
упорядоченное расположение молекул в пространстве. После снятия
растягивающего усилия каучук вновь приобретает свойства аморфного
тела.
Из-за малой стойкости к действию как повышенных, так и пони-
женных температур, а также растворителей чистый НК для изготов-
ления электрической изоляции не употребляют. Чтобы каучук не имел
указанных недостатков, его подвергают вулканизации,
т. е. нагреву после введения в него серы или содержащих серу сое-
динений. При вулканизации происходит частичный разрыв двойных
связей цепочечных молекул и сшивание цепочек через атомы —S—
с образованием пространственной структуры.
В зависимости от количества серы, добавляемой к каучуку, при
вулканизации получают различные продукты: при 1—3% серы —
191
мягкую резину, обладающую еще весьма высокой растяжимостью
и упругостью, а при 30—35% серы — эбонит — твердый мате-
риал, обладающий высокой стойкостью к ударным нагрузкам. Отно-
сительное удлинение при разрыве для различных резин составляет
150 -н 500%, а для эбонита — 2 -ь 6%.
Помимо каучука и серы при изготовлении резины и эбонита в со-
став резиновой смеси вводят различные наполнители (мел, тальк
и пр.), а также красители, катализаторы (ускорители процесса вулка-
низации) и другие вещества.
Резину широко применяют для изоляции установочных и мон-
тажных проводов, гибких переносных проводов и кабелей. Она упо-
требляется также для изготовления за-
щитных перчаток, галош, ковриков и
изоляционных трубок, используемых при
монтаже проводов.
К недостаткам резины как электро-
изоляционного материала следует отне-
сти низкую нагревостойкость, малую
стойкость к воздействию нефтяных ма-
сел и других неполярных жидкостей
(бензола, бензина и др.), малую стой-
кость к воздействию света, особенно уль-
трафиолетового, а также озона.
Натуральный каучук практически
Рис. 20.6. Зависимости 8 и tg 6
вулканизированного каучука от
содержания серы
неполярен; он имеет р порядка
1014 Ом -м; е = 2,4; tg б = 0,002. Примерный характер изменения
е и tg б при вулканизации каучука с различными количествами
серы показан на рис. 20.6; рост 8 и tg б вызван усилением поляр-
ных свойств материала из-за влияния атомов серы, но при очень боль-
шом содержании серы (материал типа эбонита) ориентация дипольных
молекул затрудняется. Для обычных электроизоляционных резин
р « 1013 Ом-м; е = 3—7; ,tg б = 0,002—0,10; Епр - 20—30 МВ/м.
Помимо натурального каучука широко применяют различные
виды синтетических каучуков (СК), сырьем для которых служат
спирт, нефть, природный газ и др. Близкими по свойствам к нату-
ральному каучуку являются синтетические каучуки углеводородного
состава: бутадиеновый (СКВ), бутадиен-стирольный (СКС), бутил-
каучук.
Хлоропреновый каучук (в СССР его называют наи-
ритом, за рубежом — неопреном) — полярный (вследствие наличия
в молекуле атомов хлора) материал с пониженными электроизоля-
ционными свойствами; сравнительно стоек к действию масла и бен-
зина, а также озона и других окислителей, более стоек к тепловому
старению и менее проницаем для газов, чем НК.
Кремнийорганические каучуки в основе строе-
ния молекулы имеют полисилоксановую цепочку (см. стр. 182). Они
вулканизируются при введении специальных добавок, например,
органических перекисей. Кремнийорганические каучуки обладают
высокой нагревостойкостью (порядка 250° С) и хорошей холодостой-
192
костью [сохраняют гибкость при температуре —(70 4- 100° С)] при
хороших электроизоляционных свойствах, но имеют невысокие меха-
нические свойства, мало стойки к воздействию растворителей и весьма
дороги.
§ 20.9. Волокнистые материалы
Волокнистые материалы целиком или в основном состоят из ча-
стиц удлиненной формы — волокон. В некоторых из этих материа-
лов, особенно в текстильных, волокнистое строение совершенно
очевидно. Но есть материалы, такие, как дерево, бумага, картон,
где волокнистое строение может быть изучено с помощью микро-
скопа при небольшом увеличении.
Преимущества многих волокнистых материалов — это их до-
вольно большая механическая прочность и гибкость, удобство обра-
ботки и малая стоимость. К недостаткам же относятся: невысокие
электрическая прочность и коэффициент теплопроводности (из-за
наличия промежутков между волокнами, заполненными воздухом),
гигроскопичность (развитая поверхность волокон легко адсорбирует
влагу, проникающую в поры). Свойства волокнистых материалов
можно существенно улучшить путем пропитки, поэтому для элек-
трической изоляции их обычно применяют в пропитанном состоянии.
Большая часть волокнистых материалов относится к органиче-
ским веществам. К ним принадлежат материалы растительного про-
исхождения (дерево, хлопчатобумажное волокно, бумага и пр., состоя-
щие в основном из целлюлозы) и животного происхождения (шелк,
шерсть), искусственные и синтетические волокна.
Целлюлозные волокнистые материалы имеют сравнительно боль-
шую гигроскопичность, так как целлюлоза (см. ее структурную
формулу на стр. 184) — полярное вещество с большим содержанием
гидроксильных групп —ОН, а также низкую нагревостойкость
(см. § 19.2). Многие искусственные и особенно синтетические, волок-
нистые материалы имеют более низкую гигроскопичность (см. рис. 19.5)
и повышенную нагревостойкость по сравнению с целлюлозными.
В тех случаях, когда требуется высокая рабочая температура изо-
ляции, которую органические волокнистые материалы обеспечить
не в состоянии, применяют неорганические материалы, в частности
стеклянное волокно и асбест.
Бумага — листовой или рулонный материал коротковолокни-
стого строения, состоящий в основном из целлюлозы. При изготовле-
нии бумаги для электрической изоляции используют особо прочную
и нагревостойкую сульфатную и натронную целлюлозу, получаемую
путем варки древесины в щелочных растворах.
Кабельные бумаги применяют для изоляции силовых электриче-
ских кабелей. Особый вид кабельной бумаги — телефонная бумага —
имеет толщину 50 мкм при низкой объемной массе (не более 800—
820 кг/м3) для уменьшения емкости непропитанной изоляции теле-
фонных кабелей. Эту бумагу применяют также для изоляции обмо-
точных проводов марок ПБ и ПББО и для других целей,
7 <i/p Гареева
193
Пропиточную бумагу употребляют для изготовления
листового гетинакса, а намоточную бумагу, более тонкую
и более плотную по сравнению с пропиточной, — для намоточных
изделий (см. § 20.8).
Конденсаторная бумага в пропитанном виде обра-
зует диэлектрик бумажных конденсаторов. Толщины различных марок
этой бумаги — от 4 до 40 мкм. Малая толщина позволяет получить
высокое значение удельной (т. е. рассчитанной на единицу активного
объема) емкости конденсатора.
В последнее время в качестве диэлектрика силовых электриче-
ских конденсаторов наряду с конденсаторной бумагой все шире
применяют синтетические пленки, в частности полипропиленовые.
Производятся и бумажно-пленочные конденсаторы, диэлектрик кото-
рых состоит из двух слоев — бумаги и пленки; при этом бумага играет
роль «фитиля», по которому в процессе пропитки легче проникает
в глубь конденсатора пропиточная масса.
Картоны в основном отличаются от бумаги большей толщи-
ной. Электроизоляционные картоны изготовляют двух типов: воз-
душные, более твердые и упругие, предназначенные для работы на воз-
духе (прокладки для пазов электрических машин, каркасы катушек,
шайбы и пр.), и масляные, более рыхлой структуры и более мягкие,
предназначенные в основном для работы в трансформаторном масле
(например, в маслонаполненных трансформаторах). Масляные кар-
тоны хорошо пропитываются маслом и в пропитанном виде имеют высо-
кую электрическую прочность.
Текстильные материалы получают методами спе-
циальной обработки (прядение, тканье) из длинноволокнистого сырья.
Они отличаются от бумаги определенным строением (переплетение
нитей), в то время как в бумаге отдельные волокна расположены
по отношению друг к другу беспорядочно. При равных условиях
текстильные материалы (ткани, ленты) имеют более высокую механи-
ческую прочность, особенно при перегибе и при истирании, и не столь
сильно снижают прочность при увлажнении, но эти материалы
намного дороже и обладают меньшей электрической прочностью,
чем бумага.
Непосредственное определение диаметра волокон и изделий из них
затруднительно, так как волокна часто не имеют правильной цилин-
дрической формы. Поэтому для оценки толщины волокон, пряжи
и нитей указывается значение массы (в граммах) единицы длины (ки-
лометра) нити; эту единицу (г/км) называют тексом. Единица СИ толщи-
ны нити — килограмм на метр; 1 кг/м = 1 Мтекс. Для пряжи, скру-
ченной из нескольких нитей, после значения толщины отдельных нитей
и знака умножения указывают число нитей; например, 50 текс X 3 —
означает пряжу, скрученную из трех нитей толщиной по 50 текс.
В электроизоляционной технике пряжу применяют для защитных
покрытий кабелей и для изоляции (обмотки и оплетки) обмоточных
проводов; ленты и ткани — для защиты изоляции электрических
машин и аппаратов. Ткани используют также для изготовления
лакотканей (см. далее) и текстолитов (см. § 20.8),
194
Синтетические, волокна (полиэтилентерефталатные,
полиамидные, полиэтиленовые, полистирольные, поливинилхлорид-
ные, политетрафторэтиленовые и др.) изготовляют путем вытягивания
из растворов или расплавов соответствующих полимеров (см. § 20.4).
Л акотканью называют гибкий электроизоляционный мате-
риал, представляющий собой ткань, пропитанную электроизоляцион-
ным лаком. Ткань обеспечивает значительную механическую проч-
ность, а лаковая пленка — электрическую прочность материала.
Лакоткань широко применяют для изоляции в электрических
машинах, аппаратах, кабельных изделиях в виде обмоток, обверток,
прокладок и пр.
В качестве основы для изготовления лакоткани используют хлоп-
чатобумажную или шелковую ткань, а также ткани из синтетических
волокон, в частности капрона.
По роду пропитывающего лака наиболее распространенные лако-
ткани подразделяют на светлые (желтые) — на масляных лаках
и черные — на масляно-битумных лаках. Светлые лакоткани относи-
тельно стойки к действию органических растворителей; недостатком
их является склонность к тепловому старению. Электрическая проч-
ность хлопчатобумажных лакотканей (на 50 Гц): светлых — порядка
35 50, шелковых — 55 4- 90 МВ/м.
При пропитке лаками бумаги получают лакобумагу, которую можно
использовать как заменитель лакоткани.
Наблюдается тенденция к замене лакотканей и лакобумаги более
прогрессивными электроизоляционными материалами — гибкими по-
лимерными пленками.
Асбест — неорганический волокнистый материал, состоящий
в основном из минерала хризотила 3MgO ‘2SiO2 ‘2Н2О. Для улучше-
ния механических свойств к асбестовому волокну добавляют в неболь-
шом количестве хлопчатобумажное. Из асбестовых нитей получают
шнуры, ткани, бумагу и другие изделия. Иногда применяется асбест
со связующим (асбоцемент, асботекстолит, асбогетинакс и др.).
Основным преимуществом асбеста является высокая нагревостой-
кость: он разрушается, теряя кристаллизационную воду, лишь при
450—700° С (температура плавления 1450—1500° С). Значение р =
= 10е 4- 1010 Ом »м. Асбестовые электроизоляционные материалы
применяют главным образом для высокотемпературной электроизоля-
ции, а также теплоизоляции.
О стеклянном волокне см. § 20.10.
§ 20.10. Электроизоляционные стекла
Стекла — неорганические аморфные вещества, представляю-
щие собой обычно системы различных оксидов. Кроме стеклообра-
зующих оксидов, каждый из которых способен образовывать стекло
(SiO2, В2О3), в состав стекол входят и другие оксиды: щелочные —
Na2O, К2О» щелочноземельные — СаО, ВаО, а также РЮ, А12О3
и др. Основную часть большинства стекол составляет SiO2; такие
стекла называют силикатными,
7*
195
Стекло получается при быстром охлаждении расплавленной смеси
оксидов (стекломассы). Если вести охлаждение расплава медленно,
то увеличивается вероятность перехода вещества в кристаллическое
состояние. Быстрое охлаждение с соответственно быстрым возраста-
нием вязкости приводит к тому, что молекулы не успевают образо-
вывать кристаллическую решетку и остаются закрепленными в тех
случайных положениях, в которых их застало повышение вязкости,
препятствующее молекулярным перемещениям.
Размягченное нагревом до достаточно высокой температуры стекло
легко обрабатывается путем выдувания, вытяжки, прессовки, литья.
Нагретые стеклянные детали могут привариваться друг к другу,
а также к деталям из разных материалов (металлов, керамики и т. д.).
Изготовленные стеклянные изделия должны быть подвергнуты
отжигу, чтобы устранить механические напряжения, образовавшиеся
в стекле при быстром и неравномерном его остывании. При отжиге
изделие нагревают до определенной температуры, а затем подвергают
медленному охлаждению. Свойства стекол меняются в широких пре-
делах в зависимости от их состава и режима тепловой обработки.
Плотность стекол колеблется от 2000 до 8000 кг/м3; плотность
обычных силикатных стекол близка к 2500 кг/м3. Прочность стекол
при сжатии (6000 + 21 000 МПа) много больше, чем при растяже-
нии (100 300 МПа).
Как и другие аморфные материалы, стекла не имеют резко выра-
женной температуры плавления. При нагреве вязкость стекол умень-
шается постепенно; за температуру размягчения стекла принимают
температуру, при которой вязкость его составляет 107 — 108 Па »с.
Температуры размягчения большинства стекол находятся в пределах
от 400 до 1600° С; последнее значение соответствует кварцевому стеклу
(состава 100% SiO2). Добавки к SiO2, в частности щелочные оксиды,
понижают температуру варки и размягчения стекла, т. е. облегчают
технологию изготовления и переработки, но ухудшают его электро-
изоляционные свойства (см. далее).
Температурный коэффициент длины ТК I стекла важен для оценки
стойкости стекол к термоударам (см. § 19.2); чем меньше ТК/, тем
больше стойкость стекла к термоударам. Значение ТК/ также суще-
ственно при спайке друг с другом различных стекол или стекла с иными
материалами, при впайке металлической проволоки или ленты в стекло,
при нанесении стеклоэмали на ту или иную поверхность. Необходимо
подбирать значения ТК/ стекла и соединяемых с ним материалов при-
близительно одинаковыми, иначе при смене температур может про-
изойти растрескивание стекла, нарушение герметичности в месте ввода
металлической проволоки сквозь стекло. Названия стекол «вольфра-
мовое», «молибденовое» объясняются близостью ТК/ этих стекол
к ТК/ вольфрама и молибдена — металлов, широко применяемых
в электровакуумных приборах, лампах накаливания и т. п. Значе-
ния ТК/ разных стекол изменяются в пределах от 0,55 «Ю"6 К'1 (квар-
цевое стекло) до примерно 15-Ю"6 К-1.
Обычные стекла прозрачны для лучей видимой части спектра.
Некоторые добавки придают стеклам определенную окраску (CoQ
196
синюю, Cr2O3 — зеленую, U02 — желтую и пр.), что используется
при получении цветных стекол и глазурей.
Большинство технических стекол благодаря содержанию при-
меси оксидов железа сильно поглощает
У виолевые стекла, содержащие менее 0,02%
Fe2O3, обладают прозрачностью для ульт-
рафиолетовых лучей; хорошо пропускает
эти лучи кварцевое стекло, которое при-
меняют в специальных кварцевых лампах,
дающих ультрафиолетовое излучение.
Показатель преломления света п раз-
личных стекол колеблется от 1,47 до 1,96;
высокие значения п имеют тяжелые свинцо-
вые стекла—хрустали.
Для кварцевого стекла при 20° С е =
-3,8 и tg б = 0,0002; при 200° С р «
« 1015 Ом -м. Сильно уменьшает р и р.у
наличие в стекле оксидов щелочных ме-
ультрафиолетовые лучи.
Рис. 20.7. Зависимость р сте-
кол систем SiO2—Na2O и
SiO2—К2О от состава
таллов, причем меньшее количество ионов
натрия более вредно, чем ионов калия (рис. 20.7). Стекла с большим
ат.%к
60 4/7 20 0
ат,°/о Na
Рис. 20.8. Зависимость
tg б стекол системы
В2О3—Na2O—К2О от
состава (числа атомов
Na и К, приходящихся
на 100 молекул В2О3;
сумма ат. % Na и К во
всех случаях равна
60%)
содержанием щелочных оксидов при малом содержании тяжелых
оксидов металлов имеют значительный tg б, ко-
торый при повышении температуры заметно воз-
растает.
Одновременное наличие в составе стекла двух
различных щелочных оксидов дает увеличение
р и уменьшение tg б по сравнению со стеклом,
содержащим только один щелочной оксид (в ко-
личестве, равном сумме количеств обоих окси-
дов) — явление, называемое нейтрализационным
или полищелочным эффектом (рис. 20.8).
Стекла, содержащие в больших количест-
вах тяжелые оксиды металлов (ВаО, РЮ), имеют
низкий tg б даже при сравнительно высоком со-
держании в них щелочных оксидов.
Содержание щелочных оксидов (Na2O в боль-
шей степени, чем К2О) повышает е силикатных
стекол (рис. 20.9). Температурный коэффициент
диэлектрической проницаемости ТК е различных
технических стекол находится в пределах (30 ч-
~ 50) • 10'6 К"1.
Электрическая прочность стекол при элек-
трическом’ пробое мало зависит от их состава.
Решающее влияние на Епр оказывают воздуш-
ные включения — пузыри в толще стекла. При
постоянном напряжении в однородном электрическом поле Епр стек-
ла весьма велика и достигает 500 МВ/м. При высоких частотах или
при высоких температурах пробой стекла имеет тепловой харак-
тер.
197
По химическому составу технические силикатные стекла можно
подразделить на три группы:
1) щелочные стекла без тяжелых оксидов или с незначительным
их содержанием. Сюда относятся наиболее распространенные в быту
(оконные, бутылочные и т. п.) стекла;
2) щелочные стекла с большим содержанием тяжелых оксидов
(ВаО и РЬО), применяемые в качестве оптических и электроизоля-
ционных стекол. Они имеют высокую е и ма-
лый tg S;
3) бесщелочные стекла — кварцевое стек-
также стекла с очень малым содержа-
щелочных оксидов; эти стекла приме-
для оптических, электроизоляционных
Рис. 20.9. Зависимость 8
стекол систем SiO2—Na2O
и SiO2—К2О от состава
^пр
диа-
ло, а
нием
ня ют
и различных специальных целей.
По применению в радиоэлектронике раз-
личают установочные стекла, которые служат
для изготовления различных установочных
деталей, изоляторов (телеграфных, антенных,
опорных, проходных и т. п.), а также лампо-
вые стекла, которые используют для балло-
нов, ножек ламп, различных электронных
приборов и т. д.
Стеклоэмали — легкоплавкие стек-
ла, предназначаемые для покрытия различных
изделий и изготовления стеклоэмалевых кон-
денсаторов.
Стекловолокно. Толстый слой
стекла является хрупким материалом, а тон-
кие стеклянные изделия обладают повышен-
ной гибкостью. Весьма тонкие (диаметром 4—
7 мкм) стеклянные волокна имеют настолько
высокую гибкость, что могут обрабатываться
по методам текстильной технологии.
На рис. 20.10 дана зависимость прочности
при растяжении такого волокна от его диа-
метра. Большая гибкость и прочность стек-
ловолокна объясняется ориентацией молекул
поверхностного слоя стекла, имеющей место
при вытягивании стекловолокна с очень боль-
шой скоростью из расплавленной стекломас-
сы и быстром охлаждении.
Из стеклянных нитей, скрученных из от-
дельных волокон, изготовляют стеклянные
ткани, ленты и шланги; эти же нити идут на изоляции обмоточных
проводов. Стеклянные ткани используют в производстве нагревостой-
ких стеклолакотканей и стеклотекстолитов. Короткое стекловолокно
употребляют как наполнитель в пресс-порошках.
Преимуществами стеклянной волокнистой изоляции по сравне-
нию с органическими волокнами (см. § 20.9) являются: высокая нагре-
198
стек-
нити,
предела прочности
при растяжении от
метра:
/ — для одиночного
ловолокна; 2 — для ......
скрученной из 100 волокон
востойкость, высокая механическая прочность, относительно малая
гигроскопичность и хорошие электроизоляционные свойства.
Световоды — жгуты, скрученные из волокон, имеющих серд-
цевину и оболочку из стекол разного состава, с различными показа-
телями преломления; причем показатель преломления сердцевины
больше показателя преломления оболочки п2 (рис. 20.11). Световой
луч, падая из среды, оптически более
плотной (сердцевина), на поверхность
раздела со средой, оптически менее
плотной, под углом, большим предель-
ного, испытывает полное внутреннее
отражение и, многократно отражаясь,
идет вдоль волокна, не выходя в окру-
жающее пространство. Изображение
целого освещенного объекта может
быть передано по изогнутому световоду
Рис. 20.11. К принципу действия
световодов
виде мозаики, состоящей из от-
дельных точек, каждая из которых соответствует отдельному волокну.
Диаметр двухслойного стекловолокна берется равным 20—30 мкм;
в световоде диаметром 5—6 мм помещается несколько десятков тысяч
волокон. Световоды могут изготовляться и из прозрачных органических
полимеров; такие световоды более гибки, но менее нагревостойки
по сравнению со стеклянными. Возможно также изготовление плоских
световодов, в частности в виде покрытий на соответствующих под-
ложках (печатных платах).
§ 20.11. Ситаллы
С и т а л л ы изготовляют путем кристаллизации стекол специаль-
ного состава («ситалл» —сокращение от слов «силикат» и «кристалл»).
Они занимают промежуточное положение между обычными стеклами
и керамикой (см. § 20.12). При изготовлении стеклянных изделий
процесс частичной кристаллизации (расстекловывание) приводит к по-
явлению неоднородности строения и ухудшению прозрачности стекла.
Однако, если в состав такого стекла ввести вещества, образующие
зародыши кристаллизации, удается стимулировать процесс кристал-
лизации стекла по всему его объему и получить материал, обладающий
ценными механическими и электроизоляционными свойствами. В отли-
чие от стекол ситаллы непрозрачны, но многие из них частично пропу-
скают свет.
Технология изготовления ситалловых изделий состоит из несколь-
ких операций. Сначала обычными способами изготовляют изделия
из стекломассы специально подобранного состава. Затем их подвергают
двухступенчатой термообработке; на первой ступени, при 500—700° С,
происходит образование зародышей кристаллизации, а на второй,
при 900—1100° С, — развитие кристаллической фазы. Содержание
кристаллической фазы в материале после второй ступени термо-
обработки составляет 30 ч- 95% и даже более; размеры оптимально
развитых кристаллов — до 2 мкм. Усадка при кристаллизации дохо-
дит до 2%. В качестве стимуляторов кристаллизации, применяют
199
TiO2, FeS, фториды и фосфаты некоторых металлов и другие веще-
ства.
Получаемые по описанной технологии ситаллы называют термо-
ситаллами. Особенностью другого типа ситаллов — фотоситаллов —
является то, что стимуляторами кристаллизации являются мельчай-
шие (коллоидальные) частицы металлов: серебра, золота, меди и др.,
выделяющиеся из соответствующих оксидов, входящих в состав
стекла, под влиянием его облучения с последующей низкотемператур-
ной обработкой (процесс проявления). При проявлении материал,
ранее бесцветный, приобретает определенную окраску.
Примерные свойства ситаллов: плотность 2300 — 3000 кг/м3,
температура размягчения 900 4- 1300° С (в отличие от стекол интер-
вал размягчения ситаллов более узкий); предел прочности при изгибе
150—200 МПа, при сжатии 500—1200 МПа; ТК/= (0,1 4- 12) х
Х10"6 К"1; р = Ю10 -ь 1012 Ом-м; е = 5 + 7; tg б - (10 4- 800) х
Х10"4 (при 1 мГц); ЕПо = 20 4- 80 МВ/м. Как правило, электро-
технические ситаллы обладают более высокими электроизоляцион-
ными свойствами (в частности, более низким tg 6), чем аморфные
стекла того же состава, а по сравнению с керамикой аналогичного
состава ситаллы обладают более высокой электрической прочностью.
Ситаллы применяют для ряда изделий: вместо стекол в технике
СВЧ (ввиду более низкого tg б), вместо керамики в конденсаторах
(ввиду более высокой Епр) и т. п. Разработаны сегнето- и пьезоситаллы,
которые используют в качестве активных диэлектриков (см. ч. IV).
§ 20.12. Электроизоляционная керамика
Керамическими материалами (керамикой) называют неорганиче-
ские материалы, изделия из которых получают путем обжига при высо-
кой температуре. В результате обжига в керамической массе происхо-
дят сложные физико-химическйе процессы, благодаря которым гото-
вое (обожженное) изделие приобретает нужные свойства.
Керамические материалы разнообразны по свойствам и области
применения. В электротехнике используют керамику в качестве
полупроводниковых, магнитных (ферриты), сегнето- и пьезоэлектри-
ческих материалов.
Очень большое значение приобрели керамические электроизоля-
ционные материалы, многие из которых имеют высокую механическую
прочность, малый tg б, значительную нагревостойкость и другие
ценные свойства. По сравнению с органическими электроизоляцион-
ными материалами керамика, как правило, более стойка к электри-
ческому и тепловому старению; она не дает остаточных деформаций
при продолжительном приложении к ней механической нагрузки.
Металлизация керамики (чаще всего нанесением серебра методом
вжигания, см. § 6.2) обеспечивает возможность осуществления спайки
с металлом, что имеет особое значение для герметизированных кон-
струкций.
Фарфор с начала развития электротехники и по настоящее время
является одним из основных материалов для производства изоляторов
различных форм и назначений.
200
Для изготовления фарфора применяют специальные сорта глин
и минералы: кварц SiO2 и полевой шпат. Сущность технологического
процесса изготовления фарфора сводится к очистке от примесей состав-
ных частей, тщательному их измельчению и перемешиванию в одно-
родную массу с водой. Из фарфоровой массы той или иной консистен-
ции различными способами — обточкой, прессовкой, отливкой в гип-
совые формы, выдавливанием через отверстие — получают изделия
нужной конфигурации. Отформованные изоляторы или другие фар-
форовые изделия вначале сушат, а затем обжигают.
Обжиг — очень существенная операция, придающая фарфору
высокую механическую прочность, водостойкость и электроизоляцион-
ные качества. Обжиг (при температуре порядка 1300 -ь 1400° С)
занимает сравнительно небольшое время; но необходимы как посте-
пенный подъем температуры (во избежание повреждения изделий
бурно выделяющимися водяными парами и газами), так и медленное
охлаждение изделий перед их извлечением из печи (во избежание
появления температурных напряжений и трещин).
Подвергающиеся обжигу фарфоровые изделия помещают в спе-
циальную печь в цилиндрах или коробках из огнеупорной глины
(шамота), так называемых капселях, чтобы предохранить изделия
от воздействия пламени, неравномерного нагрева с разных сторон
и загрязнения. При обжиге вследствие потерь составными частями
фарфора воды и уплотнения структуры наблюдается усадка — зна-
чительное (до 20%) уменьшение размеров обжигаемого изделия.
Усадка затрудняет получение обожженных изделий из фарфора
с очень малыми допусками по размерам. Операцию обжига часто
сочетают с глазуровкой, т. е. покрытием поверхности изделия гла-
зурью — стекловидной массой, придающей изделию красивый внеш-
ний вид и окраску в нужный цвет, увеличивающий напряжение поверх-
ностного разряда, механическую прочность и влагостойкость изделия.
Обожженный фарфор состоит из кристаллов муллита ЗА12О3 -2SiO2
и кварца SiO2, промежутки между которыми заполнены стеклообраз-
ным материалом, образовавшимся в основном в результате расплав-
ления полевого шпата. Наличие стекловидной фазы определяет до-
вольно высокую механическую прочность фарфора. Электротехниче-
ский фарфор содержит примерно 70% SiO2 и 25% А12О3 (прочее —
К2О, Na2O, Fe2O3 и другие оксиды). Фарфор имеет высокий предел
прочности при сжатии (400 -ь 700 МПа); значительно меньше предел
прочности при растяжении (45 ч- 70МПа) и при изгибе (80 + 150 МПа).
Электроизоляционные свойства фарфора при нормальной температуре
удовлетворительны для его использования на низких частотах. Однако
фарфор имеет сравнительно высокий tg 6 (около 0,02), который быстро
увеличивается с повышением температуры. Это затрудняет применение
фарфора для электрической изоляции на высоких частотах, а также
при высоких температурах.
Развитие радиотехнической и электронной промышленности потре-
бовало новых керамических материалов, обладающих повышенными
свойствами по сравнению с фарфором. Работа над этой проблемой
шла не только путем усовершенствования фарфора, но и за счет полу-
201
у сове рше нствован ие м
Ри?. 20.12. Температур-
ные зависимости удельно-
го объемного сопротивле-
ния р некоторых керами-
ческих электроизоляцион-
ных материалов:
/ — фарфор; 2 — стеатит;
3 — алюминоксид
чения керамических материалов совершенно отличного от фарфора
состава. Отметим лишь наиболее интересные и характерные предста-
вители этой группы материалов.
Группа материалов с низкой диэлектрической проницаемостью
содержит в виде основной кристаллической фазы кварц |3-SiO2,
корунд а-А12О3, муллит (см. выше), цельзиан BaO-А12О3 *2SiO2,
клиноэнстатит MgO*SiO2, форстерит 2MgO*SiO2, шпинель MgOx
хА12О3, периклаз MgO, анортит CaO *А12О3‘2SiO2, волластонит СаОх
xSiO2 и циркон ZrO2‘SiO2.
Радиофарфор представляет собой фарфор, стекловидная
фаза которого облагорожена введением в нее тяжелого оксида ВаО.
Ультрафарфор различных марок является дальнейшим
радиофарфора, характеризуется значительным
содержанием А12О3. Значение tg 6 ультрафар-
фора меньше, а р больше, чем обычного элек-
тротехнического фарфора. Кроме того, ульт-
рафарфор имеет повышенную по сравнению с
обычным фарфором механическую прочность,
а также теплопроводность.
Высокоглиноземистая ке-
рамика (алюминоксид) в основ-
ном состоит из корунда. Этот материал, тре-
бующий сложной технологии изготовления с
высокой температурой обжига (до 1750° С),
обладает высокой нагревостойкостью (рабо-
чая температура до 1600° С), высоким р (рис.
20.12) и малым tg 6 даже при повышенных
температурах, очень высокой механической
прочностью и теплопроводностью (коэффи-
циент теплопроводности в 10—20 раз выше,
чем у фарфора). Значение е близко к 10.
Обладающий особо плотной структурой
(его плотность близка к теоретической плотно-
сти А12О3) поликор (за рубежом — люкалокс)
в отличие от обычной (непрозрачной) корундовой керамики прозрачен,
поэтому его применяют для изготовления колб некоторых специаль-
ных электрических источников света; он имеет р на порядок выше,
чем непрозрачная глиноземистая керамика.
Стеатит — разновидность керамики, изготовляемая на основе
талька 3MgO -4SiO2 *Н2О. В то время как фарфор состоит в основном
из силикатов алюминия, стеатитовая керамика — из силикатов маг-
ния. Электроизоляционные свойства стеатита высоки (рис. 20.12).
Керамические материалы на основе цельзиана имеют е = 6,5 4- 7,0
и tg 6 = (1 -4- 2) ’10"4 при 1 МГц, на основе анортита — соответственно
7,0 4- 7,5 и (2 4- 3) -10'4, на основе шпинели — 7,5 4- 8,0 и (4 4- 6) X
х 10"4, на основе волластонита — 6,0 4- 6,5 и (5 4- 6) ИО-4, на основе
циркона — 7,0 4- 8,0 и (50 4- 60) *10'4.
Все указанные материалы имеют положительный температурный
коэффициент диэлектрической проницаемости ТКе,
202
В конденсаторостроении применяют керамические материалы с вы-
сокой е (до 10 000 и более). Выбор материала зависит от типа и назна-
чения конденсатора. В высокочастотных конденсаторах, емкость кото-
рых обычно невелика (менее 1000 пФ), используют материалы с в —
= 10 ч- 100, не являющиеся сегнетоэлектриками. Многие из них
Рис. 20.13. Зависимость е и
ТКе керамики системы
CaTiO3—LaAlO3 от содержа-
ния LaAlO3
в своем составе содержат двуокись титана TiO2 (рутил) и в принятом
в СССР обозначении имеют букву Т («титанатовая» керамика); после-
дующая цифра обычно означает номинальную диэлектрическую про-
ницаемость. К титанатовым относятся многие материалы на основе
титаната кальция CaTiO3 (перовскита). Наряду с титанатами исполь-
зуют цирконаты (в обозначение материала
входит буква Ц), станнаты, ниобаты, тан-
тал аты и другие соединения.
Диэлектрические потери перечисленных
материалов малы (tg 6= 10“4—10“3) во всем
диапазоне от низких до сверхвысоких ча-
стот; в зависимости от состава ТК е =
= (—1500 ч- 100)-Ю'6 К"1.
Перспективна для изготовления радио-
конденсаторов керамика, содержащая алю-
минат лантана LaAlO3. На рис. 20.13 пред-
ставлены свойства керамики системы пе-
ровскит — алюминат лантана. При боль-
шом содержании CaTiO3 значение в срав-
нительно велико, а ТК 8 отрицательный и
большой по абсолютной величине; при вы-
сокой концентрации LaAlO3 значение 8
материала уменьшается, но и ее зависи-
мость от температуры сглаживается. Значение tg б керамики на
основе LaAlO3 не превышает 5-Ю"4 при температурах до 200° С.
Весьма высокими значениями 8 обладают параэлектрик и—
сегнетоэлектрики с точкой Кюри, лежащей ниже области рабочих
температур; их ТК 8 отрицателен и имеет большое абсолютное зна-
чение. Меньший ТК 8 при 8 порядка 1000 может быть получен при
использовании сегнетоэлектриков с размытым фазовым переходом (по-
дробнее см. гл. 21).
Для работы при высоких температурах и при наличии термоуда-
ров применяются специальные виды керамических материалов с ма-
лым ТК/, в частности, на основе кордиерита 2MgO‘2А12О3 *5SiO2
(ТК / ~ 3 ’10"6 К"1), двуокиси циркония ZrO2 (ТК I ~ 4 -10'6 К"1),
титаната алюминия Al2O3-TiO2 (ТК I « 0,1 -10'6 К*1).
Большой интерес представляют чистые оксиды различных
металлов, некоторые из которых весьма нагревостойки. Есть оксиды,
обладающие также очень высокой для электроизоляционных материа-
лов теплопроводностью. Таковы окиси бериллия ВеО, магния MgO
и алюминия А12О3 (см. стр. 160). Керамика ВеО (брокерит) токсична,
поэтому работа с ней требует соблюдения необходимых мер техники
безопасности. Брокерит применяют в тех случаях, когда основным
требованием к электроизоляционному материалу является особо вы-
203
сокая теплопроводность (например, подложки мощных транзисторов
и микросхем). Наивысшей температурой плавления (3250° С) из всех
оксидов металлов обладает двуокись тория ThO2.
Керамика на основе ZrO2 обладает очень низким р при высоких
температурах, ее можно применять даже как высокотемпературный
проводниковый материал (см. § 6.2).
Все упоминавшиеся до сих пор керамические материалы предста-
вляют собой оксиды или системы нескольких оксидов. Существуют,
однако, и безоксидные керамические материалы — нитриды, карбиды,
силициды, бориды и т. п. и их композиции. Некоторые из них яв-
ляются полупроводниками (например, карбид кремния SiC — см.
ч. II), а некоторые — диэлектриками. Электроизоляционными мате-
риалами высокой нагревостойкости являются нитриды бора BN,
кремния Si3N4 и алюминия A1N. Нитрид бэра (боразон) может рабо-
тать при очень высоких температурах, но в нейтральной или восста-
новительной атмосфере; на воздухе он окисляется уже при темпера-
туре 800° С; кипящая вода и слабые кислоты разрушают его с об-
разованием Н3ВО3 и NH3. Температура плавления нитрида бора
BN ~ 3000° С. Его е « 4, tg ~ 7 НО-4 (при нормальной темпе-
ратуре).
§ 20.13. Слюда и материалы на ее основе
Слюда является важнейшим из минеральных (природных) электро-
изоляционных материалов, обладая ценными качествами — высокими
электроизоляционными свойствами, нагревостойкостью, механической
прочностью, гибкостью. В тонких слоях многие виды слюды про-
зрачны.
Слюда встречается в виде кристаллов, характерной особенностью
которых является способность легко расщепляться на тонкие пла-
стинки по параллельным друг другу плоскостям — так называемым
плоскостям спайности. Это свойство используют для изготовления
листовой («щепаной») слюды. Хотя слюды и весьма распространенные
минералы (они занимают около 4% земной коры), но богатые промыш-
ленные месторождения, дающие слюду высокой чистоты в виде срав-
нительно крупных кристаллов, немногочисленны. Такие месторожде-
ния имеются как в СССР, так и за рубежом (например, крупнейшие
месторождения высококачественной слюды имеются в Индии).
По химическому составу слюда — водный алюмосиликат. Важней-
шие виды слюды: мусковит, состав которого приближенно может
быть выражен формулой
К2О • ЗА12О3 • 6SiO2 • 2Н2О
и флогопит
К2О • 6MgO • А12О3 • 6SiO2 • 2Н2О
Фактический состав природных слюд много сложнее из-за присут-
ствия в них примесей других оксидов.
204
при 500 4- 600° С,
мость tg 6 мусковита
от температуры на ча-
стотах 50 Гц (кривая /)
и 2 МГц (кривая 2)
По сравнению с флогопитом мусковит обладает лучшими электрои-
золяционными свойствами, более прочен механически, тверд, гибок и
упруг. Однако многие флогопиты более нагревостойки, чем мусковиты.
Допустимая рабочая температура слюд ограничивается выделением
входящей в их состав воды (у мусковитов обычно
у флогопитов — при 800 4- 900° С), что связа-
но с потерей прозрачности, увеличением тол-
щины («вспучиванием») и разрушением кристал-
лической структуры; плавятся обезвоженные
слюды лишь при температуре порядка 1250 4-
+ 1300° с.
На рис. 20.14 и 20.15 даны типичные зави-
симости tg 6 от температуры и электрической
прочности от толщины для слюды мусковит. Зна-
чения е слюд составляют 64-8; р = 10-12 4-
-4- 10"14 Ом *м для мусковита и р = 1011 4-
-4- 1012 Ом -м для флогопита; коэффициент теп-
лопроводности X = 0,45 4- 0,50 Вт/(м-К).
Приведенные выше свойства слюд относятся
к направлению, перпендикулярному плоскости
спайности. Вследствие резко выраженной ани-
зотропности слюд их свойства поперек и вдоль
плоскости спайности существенно различаются; причем электроизоля-
ционные свойства вдоль плоскости спайности значительно хуже:
р = 105 4- 109 Ом -м, 8 10 4- 50, tg 6 « 0,1, Епр = 1—3 МВ/м.
Теплопроводность слюд вдоль плоскости спайности на порядок вы-
ше, чем перпендикулярно к ней. Плотность
слюд 2650—2900 кг/м3, удельная теплоемкость
около 0,87 кДж/(кг-К).
Наибольшее количество слюды в виде тон-
ких пластинок («щепаной слюды»), клееных
из щепаной слюды листовых и ленточных ма-
териалов (миканита, микаленты и пр.) и ряда
других продуктов используют для изоляции
вращающихся электрических машин. Кроме
того, большое значение имеет применение слю-
ды в радиотехнике и электронике.
Следует отметить конденсатор-
ную слюду — прямоугольные пластинки
мусковита, применяемые в качестве диэлект-
рика в слюдяных конденсаторах; теле-
визионную слюду — прямоугольные
пластинки мусковита, образующие диэлект-
рическую основу, фотокатодов и мишеней в передающих телевизион-
ных трубках; слюдяные детали для электронных
приборов — штампованные фасонные детали (пластинки сложных
очертаний с отверстиями), служащие для крепления и электрической
изоляции внутренней арматуры в электронных лампах и других элект-
ронных приборах.
электрической прочности
мусковита от толщины
205
§ 20.14. Неорганические электроизоляционные пленки
В различных областях электротехники, в частности в радиотех-
нике, используют тонкие нагревостойкие диэлектрические пленки,
которые наносят на поверхность металла или полупроводника или на
иные подложки. Такие пленки можно наносить способами испарения
в вакууме, шоопированием и т. п.; возможно также осаждение исход-
ных веществ, которые в результате взаимной химической реакции дают
диэлектрическую пленку. Представляют большой интерес пленки,
получаемые путем оксидирования (термического, электрохимического
или плазменного) металла-подложки, т. е. получение диэлектрической
пленки на поверхности металла за счет химического ссединения этого
металла с кислородом — так называемая оксидная изоляция.
Представление о том, может ли на данном металле образовываться
оксидная изоляция в виде сплошного слоя, дает объемный коэффициент
оксидирования, т. е. отношение объема оксида к объему металла, во-
шедшего в этот оксид:
(20-1)
где М — молекулярная масса оксида; Dw — плотность металла;
п — число атомов металла, входящих в молекулу оксида; А — атом-
ная масса металла; £)0 — плотность оксида. Если К> 1, образую-
щийся оксидный слой может дать на металле сплошное покрытие, если
же К < 1, то сплошное покрытие получено быть не может.
Например, для алюминия, который в обычных условиях всегда
покрыт на воздухе весьма тонкой пленкой оксида А12О3, А = 26,97;
DM = 2,7 Мг/м3; М = 101,91; п = 2; Do = 3,2 Мг/м3, такчто/< - 1,6.
Однако для железа К < 1, вследствие чего сплошной оксидный слой
на железе не получается.
Чаще всего на практике применяют оксидную изоляцию на алю-
минии; она получается посредством электрохимической «анодной»
обработки этого металла. Оксидная изоляция алюминия относится
к классу нагревостойкости С. Недостатками оксидной анодированной
изоляции является ее малая гибкость и заметная гигроскопичность.
Наиболее широко применяют оксидную изоляцию в оксидных
(электролитических) конденсаторах, в которых оксидная пленка на
алюминии работает в контакте с жидким электролитом (находящимся
в свободном состоянии или же пропитывающим твердый пористый
материал), с твердым полупроводником (в оксидно-полупроводниковых
конденсаторах) или с металлическими слоями (металло-оксидных кон-
денсаторах).
Оксидные конденсаторы имеют при малых размерах и массе высо-
кую емкость благодаря малой (до 1 мкм) толщине диэлектрика и зна-
чительной (порядка 10) 8 оксида А12О3. Еще более совершенными яв-
ляются танталовые (8 оксида Та2О5 — около 27) и ниобиевые (8 оксида
Nb2O5 — порядка 40) оксидные конденсаторы. В радиоэлектронике
распространены также тонкопленочные конденсаторы, в которых диэ-
лектриком является наносимая методами вакуумной технологии на
проводящую подложку пленка SiO2, Та2О5, Nb2O5 и других оксидов.
ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ
АКТИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ
Как указывалось, активными назы-
вают диэлектрики, предназначенные для генерации, усиления, моду-
ляции и преобразования электрических сигналов.
Если в обычных (пассивных) диэлектриках, применяемых в каче-
стве электроизоляционных материалов (см. гл. 20), основным исполь-
зуемым явлением служит поляризация, индуцируемая внешним элект-
рическим полем, то в активных диэлектриках используется широкий
круг свойств и взаимодействий; некоторые из них схематически пред-
ставлены на рис. IV. 1. Прямые (непосредственные) взаимодействия
между «внешними» свойствами диэлектрика (механическое напряже-
ние о, напряженности электрического Е и магнитного Н полей, тем-
пература Т) и его «внутренними» свойствами (поляризованность Р,
плотность тока J, намагниченность М, энтропия S, деформация х)
представлены сплошными линиями. Наряду с прямыми взаимодейст-
виями — электрическими, характеризуемыми диэлектрической про-
ницаемостью 8 и удельным сопротивлением р, магнитными, характе-
ризуемыми магнитной проницаемостью р, тепловыми (удельная теп-
лоемкость с) и механическими (упругие константы s/y) — важную роль
играют связи между различными группами свойств, т. е. пьезоэлект-
рические, пироэлектрические, сегнетомагнитные, магнитокалор иче-
ские, магнитострикционные, термоупругие взаимодействия. Так, поля-
ризация может создаваться не только за счет электрического поля,
но и при деформации (пьезоэлектрический эффект), изменении тем-
пературы (пироэлектрический эффект), намагничивании (сегнетомаг-
нитный эффект). Возможны и обратные явления — деформация в ре-
зультате поляризации (обратный пьезоэлектрический эффект), нагрев
или охлаждение при воздействии электрического поля (электрокало-
рический эффект), перемагничивание за счет поляризации. В актив-
ных диэлектриках часто используют нелинейность связей между Р
и Е или другими величинами. Иногда важнейшими свойствами оказы-
ваются спонтанная (самопроизвольная) поляризация, возникающая
207
при Е = 0 (сегнетоэлектрики), спонтанная деформация (сегнетоэла-
стики), спонтанная намагниченность (ферромагнетики).
Широко используются в технике различные перекрестные взаимо-
действия, показанные на рис. IV. 1 пунктирными линиями. Так, упра-
вление величиной е с помощью температуры, давления или магнит-
ного поля может служить основой
для создания датчиков соответст-
вующих параметров. Воздействие
электрического поля на упругие
константы применяют в электриче-
ски управляемых фильтрах и ли-
ниях задержки, в параметрических
усилителях акустических сигналов.
Если в обычных диэлектриках
наличие активной составляющей
тока нежелательно, то в некоторых
активных диэлектриках использует-
ся именно переход («переключе-
ние») из непроводящего состояния
в проводящее и обратно (позисто-
ры, варисторы, полупроводниковые
стекла). В сегнетоэлектриках-полупроводниках удельное сопротивле-
ние р зависит от поляризованности Р, а в пьезополупроводниках —
от деформации х, что может служить основой для создания новых при-
боров радиоэлектроники (запоминающие устройства, акустические
усилители).
Рассмотрение активных диэлектриков начнем с сегнетоэлектри-
ков, у которых указанные на рис. IV. 1 взаимодействия выражены наи-
более сильно.
1'4
Рис. IV. 1. Виды взаимодействий
активных диэлектриках
KJ
термоцпругие
SiJ
б
Электрид
чес кие »\|
Механи-\ \
ческие ।
\ Сегнетомаг-
^нитнь/е^
\ i Тепло-
\ । бые
в
Глава 21
СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ
§ 21.1. Спонтанная поляризация и классификация
сегнетоэлектриков
Сегнетоэлектриками называют вещества, обладающие
спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено
при внешних воздействиях, например, электрическим полем.
Спонтанная (самопроизвольная) поляризация — это поляризация,
возникающая под влиянием внутренних процессов в диэлектрике, без
внешних воздействий. Объем сегнетоэлектрика, как правило, разде-
лен на домены — области с различным направлением векторов спон-
танной поляризованности Р5. В результате этого суммарная поляри-
зованность образца в целом равна нулю (как и намагниченность ферро-
магнетиков).
Спонтанной поляризацией обладают и классические пироэлектрики
(см. гл. 23), но направление вектора Р5 в них строго фиксировано, и
208
Напряженность
Рис. 21.1. Петля диэлек-
трического гистерезиса
идеального сегнетоэлект-
рика
они не разбиваются на домены. Зависимость поляризованности Р от
напряженности поля Е в сегнетоэлектриках нелинейна и при цикли-
ческом изменении Е имеет вид характерной замкнутой кривой, назы-
ваемой петлей гистерезиса (рис. 21.1). При Е = 0 поляри-
зованность Р однодоменного образца равна Ps или —Ps, С увеличе-
нием напряженности поля, приложенного по направлению Ps, Р ли-
нейно растет за счет обычных механизмов индуцированной поляриза-
ции (электронного, ионного, дипольного). Если же прикладывать
электрическое поле противоположного знака, то при некоторой его
напряженности Ес произойдет переполяризаци я — измене-
ние направления вектора Ps на противоположное,
поля, при которой происходит изменение на-
правления спонтанной поляризованности, на-
зывают коэрцитивной силой. На-
личие петли гистерезиса — основное .свойст-
во сегнетоэлектриков, отличающее их от дру-
гих классов диэлектриков.
По значению коэрцитивной силы сегнето-
электрические материалы подразделяют на
сегнетомягкие (Ес<0,1 МВ/м) и сегнето-
твердые (Ес > 1 МВ/м).
Другим характерным параметром сегне-
тоэлектриков является сегнетоэлект-
рическая (в отличие от магнитной —
см. ч. V) точка Кюри — температура,
при которой возникает (при охлаждении) или
исчезает (при нагреве) спонтанная поляри-
зация. После достижения точки Кюри про-
исходит фазовый переход (первого рода, второго рода, размытый) из
сегнетоэлектрического состояния в пароэлектрическое, когда Ps = 0.
При этом изменяются симметрия кристалла, параметры элементарной
ячейки, а значения диэлектрических, упругих, пьезоэлектрических,
электрооптических и других характеристик имеют резкие максиму-
мы и минимумы.
Диэлектрическая проницаемость 8 вещества при температуре точки
Кюри (Тк) максимальна, а при Т>ТК обычно подчиняется закону
Кюри — Вейсса:
8 = С/(Т-0),
где С — константа Кюри; 0 — температура Кюри — Вейсса.
В сегнетоэлектриках с фазовым переходом первого рода спонтанная
поляризованность в точке Кюри изменяется скачком, 0 < Т к
(рис. 21.2, а). Для этого перехода характерно наличие температур-
ного гистерезиса и выделение скрытой теплоты перехода.
При фазовом переходе второго рода (рис. 21.2,6) при Т-> 7\
Ps плавно уменьшается до нуля, 0 = Тк, температурного гистерезиса
нет, а 8 -> оо.
Имеются и сегнетоэлектрики с размытым фазовым переходом,
в которых нет определенной точки перехода, а наблюдается более или
(21.1)
209
менее широкая область температур, где Ps постепенно уменьшается,
а 8 имеет размытый максимум (рис. 21.2, в). В этой области температур,
называемой областью Кюри, сосуществуют обе фазы — сегнето- и
параэлектрическая.
Перечисленные особенности поляризации были впервые открыты
у кристалла сегнетовой соли, а диэлектрики с такими свойствами полу-
чили название сегнетоэлектриков.
Большой вклад в изучение сегнетоэлектричества внесли советские
ученые. В 30-х годах нашего столетия важные исследования сегнето-
электрических явлений были проведены И. В. Курчатовым. В 1944 г.
Б. М. Вул открыл важнейший для практических применений сегне-
тоэлектрик— титанат бария. Ряд сегнетоэлектриков был открыт
Г. А. Смоленским и др. В настоящее время известно около 500 сегне-
тоэлектрических соединений.
Рис. 21.2. Температурные зависимости спонтанной поляризованности Ps и диэлек-
трической проницаемости е сегнетоэлектриков:
а — с фазовым переходом первого рода; б — второго рода; в — с размытым фазовым переходом
Рассмотрим природу спонтанной поляризации сегнетоэлектриков.
Спонтанная поляризованность Ps складывается из электрических мо-
ментов pt отдельных одинаковых структурных единиц кристалла
(элементарных ячеек), имеющихся в единице объема:
р,= 5 р/.
У = 1
При температурах выше точки Кюри моменты pf равны нулю или
(при наличии дипольной поляризации) направлены равновероятно,
так что 2 р/ = 0. С понижением температуры при переходе через Тк
у структурных единиц кристалла возникают электрические моменты,
которые выстраиваются в строгом порядке.
Проанализируем, как диэлектрик поляризуется без приложения
внешнего поля.
Представим, что диэлектрик находится в плоском конденсаторе
с расстоянием между обкладками h, на который подано напряжение U.
Напряженность электрического поля, действующего на частицу внутри
диэлектрика, не равна напряженности внешнего поля Е = U/h, так
210
как оно, поляризуя окружающие частицы, превращает их в диполи,
каждый из которых обладает собственным электрическим полем.
В месте расположения частицы напряженность локального (т. е. мест-
ного) поля равна векторной сумме напряженностей внешнего электри-
ческого поля и полей всех диполей:
F = E + £EZ. (21.2)
Так как напряженность поля f-ro диполя Ef прямо пропорцио-
нальна его дипольному моменту р£, то сумма Ef пропорциональна
2 Pi = Р, т. е. 2 Ei = рР. Коэффициент пропорциональности р назы-
вают фактором Лорентца, Для кубических кристаллов и изотропных
сред р = 1/(Зе0), а для кристаллов других структур — порядка этой
величины.
С введением фактора Лорентца напряженность локального поля
(поля Лорентца)
(21.4)
(21.5)
F = E + pP. (21.3)
Слагаемое РР характеризует дипольное взаимодействие между
отдельными структурными единицами. Дипольный момент отдельной
структурной единицы определяется именно локальным, а не внешним
полем: р = aF, где а — поляризуемость. Отсюда дипольный момент
единицы объема, содержащей N структурных единиц, pN = Р =
= NaF = NaE + Na$P, Тогда
р — Р
1-Моф
и диэлектрическая восприимчивость
__ Wa/80
х 1-Wap-
В обычных твердых диэлектриках с невысокой диэлектрической
проницаемостью Na » 80, и так как Р ~ 1/(Зе0), то Wap « 1/3 и взаи-
модействие диполей не оказывает существенного влияния на диэлект-
рические свойства, лишь слегка повышая х и 8 = 1 + х. Однако в ве-
ществах с повышенной поляризуемостью, кристаллическая структура
которых хотя бы в одном направлении обеспечивает большой фактор
Лорентца Р, может оказаться, что
Wap = l. (21.6)
При этом восприимчивость х обращается в бесконечность и при
любом сколь угодно слабом поле (всегда существующем, например,
за счет флуктуаций) без внешнего воздействия возникает поляризация.
Это и есть спонтанная поляризация.
Явление обращения в нуль знаменателя формулы (21.5), когда
восприимчивость стремится к бесконечности, называют поляризацион-
ной катастрофой (неустойчивостью) или катастрофой Мосотти
(по имени ученого, предсказавшего это явление). В большинстве сег-
нетоэлектриков спонтанная поляризация и возникает вследствие по-
211
ляризационной катастрофы: при температурах выше Тк значение Mz|3
несколько меньше единицы, а в точке Кюри достигает единицы вслед-
а) б)
Рис. 21.3. Разрез элементарной ячейки
BaTiO3 в неполяризованном (а) и по-
ляризованном (б) состояниях (ионы Ва
лежат не в плоскости рисунка)
иодат калия КЮ3 (Тк = 210° С)
ствие увеличения поляризуемости
а или плотности структурных еди-
ниц W при охлаждении. В за-
висимости от вида поляризации,
приводящего к поляризационной
катастрофе, сегнетоэлектрики под-
разделяют на ионные и дипольные,
К ионным сегнето-
электрикам относятся многие
соединения со структурой типа пе-
ровскита (минерал СаТЮ3): титанат
бария ВаТЮ3 (Тк = 120° С), тита-
нат свинца PbTiO3 (Тк = 490° С),
ниобат калия KNbO3 (Тк = 435° С),
и др. Структурной единицей поля-
ризации в кристаллах типа перовскита служит элементарная ячейка,
содержащая одну молекулу вещества типа АВО3. Ячейка имеет вид
куба (рис. 21.3), по вершинам которого расположены ионы А (Ва2+
в ВаТЮ3), в центре ионы В (Ti4+), а в центрах граней ионы кисло-
рода О2". Если ион Ti4+ находится в центре элементарной ячейки, как
показано на рис. 21.3, а, то центры тяжести положительных и отрица-
тельных зарядов ячейки совпадают
и ее дипольный момент равен ну-
лю. Смещение иона Ti4+ из центра
кислородного октаэдра (см. рис.
21.3, б) приводит к возникновению
у ячейки дипольного момента р, на-
правленного в сторону смещения.
Спонтанная поляризация в та-
ких сегнетоэлектриках является
следствием упорядоченного смеще-
ния ионов из положения равнове-
сия. Поэтому фазовый переход в
ионных сегнетоэлектриках в точке
Кюри называют переходом типа
смещения. Этот переход обусловлен
поляризационной катастрофой при охлаждении кристалла. Полагая,
что параметр Мх[3 с понижением температуры линейно растет и при
температуре 0 становится равным единице (рис. 21.4), для электриче-
ской восприимчивости %, выраженной формулой (21.5), а также для
диэлектрической проницаемости е « х (при 8 1) получим закон
Кюри — Вейсса (21.1) в параэлектрической фазе. Константа Кюри С
порядка 105 К.
К дипольным сегнетоэлектрикам относятся
сегнетова соль NaKC4H4O6-4Н2О (Тк = 24° С), триглицинсульфат
(ТГС) (NH2CH2COOH)3.H2SO4 (Тк-49°С), нитрит натрия NaNO2
(Тк = 160° С) и др. В элементарной ячейке этих кристаллов содер-
212
жатся атомы или группы атомов с двумя положениями равновесия,
например атом азота в NaNO2 (рис. 21.5). Ячейка обладает электри-
ческим моментом р, направление которого определяется положением
указанных атомов. В результате хаотического теплового движения
единицы, дипольная поляризуе-
атомы перемещаются из одного положения в другое, вызывая пере-
ориентацию момента р структурной ~
мость адип = p2/(kT), где k — кон-
станта Больцмана, растет с пони-
жением температуры Т (формула
Ланжевена). При некоторой темпе-
ратуре 0 величина Мх|3 становится
равной единице (рис. 21.6) и про-
исходит фазовый переход в сегне-
тоэлектрическое состояние. Вблизи
температуры перехода диэлектри-
ческая проницаемость подчиняется
закону Кюри — Вейсса с констан-
той Кюри С « 103 К, т. е. на два
порядка меньшей, чем у ионных
сегнетоэлектриков.
В параэлектрической фазе ди-
поли распределены беспорядочно,
равновероятно по обоим направлениям, а в сегнетоэлектрической —
упорядоченно, с ориентацией преимущественно в одном направлении.
Поэтому фазовый переход в дипольных сегнетоэлектриках, происходя-
щий в точке Кюри, называют переходом типа порядок — беспорядок.
К особой группе относят несобственные сегнето-
электрики, в которых к появлению спонтанной поляризации
а) s)
Рис. 21.5. Строение элементарной ячей-
ки кристалла NaNO2 при положитель-
ном (а) и отрицательном (б) направ-
лениях дипольного момента
приводит не поляризационная катастро-
фа, а другие причины, например дефор-
мация кристаллической решетки при фа-
зовом переходе.
К несобственным сегнетоэлектрикам
относятся некоторые молибдаты, в ча-
стности молибдат гадолиния Gd2 (МоО4)3
(Тк 159° С); лангбейниты, например
дикадмийдиталлийсульфат Tl2Cd2(SO4)3
(7\ = 130 К); борациты, сульфат аммо-
ния (NH4)2SO4 (Тк = 223 К), фторберил-
лат аммония (NH4)2BeF4 (7\ = 176 К)
и др. Их е слабо зависит от темпера-
туры, а константа Кюри — Вейсса близ-
ка к нулю.
одноименные ионы в соседних структур-
Рис. 21.6. Температурная зави-
симость параметра Мар для ди-
польных сегнетоэлектриков
В некоторых кристаллах
ных единицах оказываются смещенными в противоположных напра-
влениях или (в полярных диэлектриках) соседние диполи — ориенти-
рованными в противоположных направлениях. Такие кристаллы с ан-
типараллельно упорядоченными дипольными моментами называют
антисегнетоэлектриками.
213
Спонтанная поляризованность антисегнетоэлектриков равна нулю,
но они, как и сегнетоэлектрики, имеют точку Кюри, выше которой
исчезает упорядоченность дипольной структуры и при которой наблю-
дается максимум диэлектрической проницаемости и аномалии других
характеристик. При наложении достаточно сильного электрического
поля антисегнетоэлектрик может переходить в сегнетоэлектрическое
состояние с параллельной ориентацией диполей. По этой причине в ан-
тисегнетоэлектриках наблюдаются двойные петли диэлектрического
гистерезиса типа «бабочка» (рис. 21.7).
Антисегнетоэлектриками являются кристаллы цирконата свинца
PbZrO3 (ТК = 234°С), ниобата натрия NaNbO3 (Тк = 354° С), гаф-
ната свинца РЬНЮ3 (Тк = 215° С), дигидрофосфата аммония (ADP)
NH4H2PO4 (7\ = —125° С) и др.
Существуют кристаллы, которые самопроизвольно деформируются
при определенной температуре. Вещества, обладающие спонтанной
деформацией, знак которой может быть изменен при внешних воздей-
ствиях, называют сегнетоэластиками. Возникновение спонтанной де-
формации часто сопровождается появлением спонтанной поляризации.
В этом случае кристалл будет сегнето-
электриком-сегнетоэластиком. Такими яв-
ляются многие несобственные сегнетоэлек-
трики, например молибдат гадолиния. Осо-
бенностями сегнетоэлектриков-сегнетоэла-
стиков являются возможность их перепо-
ляризации при создании механических на-
пряжений и изменение знака спонтанной
деформации при воздействии электрическо-
го поля.
Рис. 21.7. Петля гистерези- в некоторых веществах упорядоченная
са антисегнетоэлектрика электрическая дипольная структура (сегне-
то- либо антисегнетоэлектрическая) соче-
тается с упорядоченной магнитной дипольной структурой (ферро-,
ферри- либо антиферромагнитной). Эти вещества называют сегнето-
магнетиками. Сегнетомагнетики могут одновременно обладать элект-
рической и магнитной точками Кюри и высокими диэлектрической и
магнитной проницаемостями. Сегнетомагнетики можно перемагничи-
вать с помощью электрического поля, а переполяризовывать за счет
магнитного.
Сегнетоэлектрические свойства могут сочетаться с полупроводни-
ковыми ; такие сегнетополупроводники рассматриваются далее (см.
§ 21.5).
Весь комплекс ценных свойств сегнетоэлектриков и близких к ним
материалов широко используется в технике. В § 20.13 уже говори-
лось об использовании в конденсаторах сегнетокерамики с высокой
диэлектрической проницаемостью [(особенно в области размытого фазо-
вого перехода (см. рис. 21.3, в)]. Длительно сохраняемое поляризо-
ванное состояние используется в запоминающих устройствах (см.
§ 21.2), ярко выраженная нелинейность — в варикондах (см. § 21.3,
21.4), особенности электропроводности — в позисторах (см. § 21.5).
214
Сегнетоэлектрики служат основой многих пьезоэлектрических, пиро-
электрических, электрооптических и нелинейнооптических мате-
риалов.
§ 21.2. Сегнетоэлектрики с прямоугольной петлей гистерезиса
Благодаря основному отличительному свойству — петле гистере-
зиса — сегнетоэлектрики можно применять в запоминающих устрой-
ствах (ЗУ) ЭВМ аналогично ферромагнетикам (см. ч. V). Использова-
ние сегнетоэлектриков открывает широкие
возможности для твердотельного интеграль-
ного исполнения ЗУ. Так как основным
требованием к материалам для ЗУ являет-
ся прямоугольность петли гистерезиса, то
соответствующие материалы называют сег-
нетоэлектриками с ППГ.
В отсутствие внешнего поля поляри-
зованный сегнетоэлектрик имеет два ста-
бильных состояния с поляризованностями
+PS и —Ps (см. рис. 21.1). Одно из этих
состояний (например, +PS) в запоминаю-
щей ячейке ЭВМ соответствует хранению
единицы, а второе (—Ps) — нуля. Меняя
Рис. 21.8. Петля гистерези-
напряжение записи, сегнетоэлектрик мож- са реального сегнетоэлект-
но переводить из одного состояния в дру- рика
гое. Считывание информации производится
или, так же как в ферритовых ЗУ, за счет подачи переключающих
импульсов одного знака, или без разрушения информации — оптиче-
ским путем, по сопротивлению тонкого поверхностного слоя и т. д.
Степень прямоугольности петли гистерезиса материалов для ЗУ
характеризуется коэффициентом прямоугольности Кппг, равным от-
ношению остаточной поляризованности Ро к поляризованности насы-
щения Рн:
КпПГ = Ро/Р^
(21.7)
где Рп — значение поляризованности в начале участка насыщения
петли гистерезиса, где две ее ветви сходятся вместе (рис. 21.8).
Коэффициент Кппг всегда меньше единицы, так как с одной сто-
роны имеется составляющая поляризованности, линейно зависящая
от напряженности поля, и РИ > Ps, ас другой — при снятии напря-
жения образец сегнетоэлектрика частично деполяризуется, и его
остаточная поляризованность Ро меньше спонтанной Ps, характерной
для однодоменного образца [сравните петли гистерезиса идеального
(см. рис. 21.1) и реального (см. рис. 21.8) образцов].
Особо жесткие требования предъявляются к материалам для мат-
ричных ЗУ, в которых Кппг должен быть больше 0,9. Этому требова-
нию удовлетворяют лишь некоторые монокристаллы — титаната ба-
рия, ТГС, гуанидиналюминийсульфата (ГАС), слоистого титаната
висмута (СТВ). Их Кипг достигает 0,95, однако после 108—109 пере-
215
ключений он снижается (явление сегнетоэлектрической «усталости»),
У керамики Кппг ниже и для лучших составов равен 0,85—0,90 (ва-
риконды типа ВК-6, твердые растворы ЦТС — цирконата-титаната
свинца).
Коэффициент Кппг для ЗУ зависит не только от сегнетоэлектриче-
ского материала, но и от напряженности переполяризующего поля,
размеров и формы ЗУ, типа электродов.
Второе требование к материалам для ЗУ — высокое быстродейст-
вие. Быстродействие определяется временем переключения (перепо-
ляризации) т сегнетоэлектрика из одного состояния (например, —Ps)
в другое (+PS). Процесс переключения происходит вследствие зарож-
дения в однодоменном образце доменов противоположной полярности
и их прорастания. Время переполяризации т складывается из времени
появления зародышей новых доменов (обычно в приэлектродных
областях или на дефектах) и времени их последующего прорастания
Т2 I Т — Т1 Т2.
При малых напряженностях поля (£ < Ес) образование зародышей
маловероятно, Tj велико и т « экспоненциально зависит от Е:
1/т = (1/Тоо) ехр (—а/Е), (21.8)
где Tqo и а — константы.
В сильных полях, наоборот, зародыши в большом количестве появ-
ляются практически мгновенно (тх т2) и т определяется временем
прорастания доменов т2 =- vh, где v = р, (Е — £0) — скорость дви-
Рис. 21.9. Зависимость
обратного времени пе-
реполяризации от на-
пряженности поля:
/ — область слабых по-
лей; // — область силь-
ных полей
жения доменной стенки; ц — подвижность стен-
ки; Ео ж Ес\ h — толщина кристалла. Отсюда
1/т = (н/А) (Е — Ео). (21.9)
Общая зависимость скорости переполяриза-
ции от напряженности поля показана на рис.
21.9.
Так как в ЗУ сегнетоэлектрик работает в об-
ласти сильных полей с напряженностью, в не-
сколько раз большей коэрцитивной силы £с, то
его время переключения определяют по форму-
ле (21.9). Это время прямо пропорционально
толщине кристалла и при толщинах в несколь-
ко десятых миллиметра составляет несколько
микросекунд.
В сегнетокерамике процесс переполяриза-
ции в отдельных зернах проходит независимо,
и время прорастания определяется размерами
зерен, которые составляют 1—5 мкм. Поэтому в ЗУ на основе сегне-
токерамики можно достичь значительно большего быстродействия,
чем на основе монокристаллов, — т порядка 10 нс.
Третье требование к материалам для ЗУ — малая коэрцитивная
сила Ес. Значением Ес определяются напряжение переключения
U = (2 4- 3) Ech (h — толщина элемента) и расход энергии на пере-
ключение. Так как даже для сегнетомягких материалов Ес ~ 0,1 -ь
216
4- 1 МВ/м, то в сочетании с транзисторными схемами (U » 5 В)
должны быть пленочные ЗУ толщиной порядка 10 мкм.
Четвертое требование — большая остаточная поляризованность,
так как с ее величиной связано значение импульса тока переполяри-
зации или выходного сигнала при иных способах считывания.
Кроме того, материал должен быть стабильным во времени. В сег-
нетоэлектриках наблюдаются два временных процесса, препятст-
вующих практическому применению этих материалов: старение и уста-
лость.
Старение проявляется в том, что при хранении сегнетоэлектрика
в нерабочем состоянии его доменная структура закрепляется натекаю-
щими к границам доменов заряженными частицами и дефектами, и
петля гистерезиса в первое время после включения отличается от ста-
ционарной. Для нормальной работы ЗУ необходимо «омоложение»
сегнетоэлектрика путем нагрева до температуры выше точки Кюри
или тренировки с помощью высокого переменного напряжения.
Явление усталости проявляется в изменении переключательных
характеристик сегнетоэлектрика в процессе длительной работы. Число
циклов переключения, начиная с которого проявляется усталость,
зависит не только от сегнетоэлектрического материала, но и от мате-
риала электродов. Так, в керамике цирконата-титаната свинца с лан-
таном (ЦТСЛ) с алюминиевыми и серебряными электродами усталость
проявляется через 107 переключений, а с индиевыми — через 109.
Явление усталости сказывается незначительно в устройствах внеш-
ней памяти ЭВМ, а также в схемах ЗУ со считыванием информации
без разрушения, где число переключений относительно невелико.
Подобное считывание осуществляется по сопротивлению тонкой полу-
проводниковой пленки, нанесенной на поверхность сегнетоэлектрика,
или световым лучом. Пластинка сегнетоэлектрика с нанесенной полу-
проводниковой пленкой используется для записи и хранения оптиче-
ских изображений. Оптические изображения могут запоминаться и
объемом сегнетоэлектрика, а считываться по фотоиндуцированному
изменению показателя преломления (см. гл. 25).
Из сегнетоэлектрических монокристаллов с ППГ наилучшими пара-
метрами для ЗУ обладает триглицинсульфат (ТГС). В кристалле ТГС
отсутствует явление усталости, он имеет минимальную коэрцитивную
силу (15—30 кВ/м) при /Сппг = 0,9, но гигроскопичен и водораство-
рим, а низкая точка Кюри (49° С) в ряде случаев не обеспечивает необ-
ходимого интервала рабочих температур. Кристаллы ВаТЮ3 имеют
вид мелких пластинок, что затрудняет построение на их основе мат-
ричных ЗУ. Кристаллы слоистого титаната висмута (СТВ) расщеп-
ляются, подобно слюде, на тонкие пластинки, что позволяет изготов-
лять ЗУ с малым переключающим напряжением, несмотря на довольно
большую коэрцитивную силу (220—620 кВ/м). Ввиду высокой
(670° С) СТВ термостабилен, а благодаря наклонному положению век-
тора Ps к плоскости пластинки применим в ЗУ с оптическим считыва-
нием.
Для ЗУ целесообразнее всего использовать сегнетокерамические
материалы, имеющие, кроме того, значительно меньшую стоимость,
217
чем монокристаллы. Наиболее освоенные составы керамики с ППГ —
это твердые растворы цирконата-титаната свинца (ЦТС):
xPbZrO3 - (1 - х) PbTiO3.
В составах с х # 0,52, находящихся вблизи морфотропной фазовой
границы двух сегнетоэлектрических фаз — ромбоэдрической и тетра-
гональной (см. рис. 22.4) — наблюдаются прямоугольные петли гисте-
резиса с довольно малой коэрцитивной силой — 600 -ь- 800 кВ/м.
Для снижения Ес в эти материалы вводят различные добавки. Кера-
мика варикондов ВК-6, являющаяся твердым раствором Pb (Zr, Ti,
Sn) О3 с 7\ = 200° С, характеризуется значением Ес = 500 -4- 700 кВ/м
при Лппг = 0,85 ч- 0,94. Еще лучшими параметрами обладают со-
ставы ЦТС с лантаном (ЦТСЛ), находящиеся вблизи морфотропной
фазовой границы (область III на фазовой диаграмме системы ЦТСЛ,
см. рис. 25.4). Керамика ЦТСЛ рассмотрена в гл. 25.
Рис. 21.10. Зависимость эффектив-
ной диэлектрической проницаемо-
сти сегнетоэлектриков от амплиту-
ды напряженности переменного
электрического поля (а) и петли
гистерезиса при различных ампли-
тудах (б)
§ 21.3. Вариконды
Варикондами называют нелинейные диэлектрические кон-
денсаторы, емкость которых зависит от приложенного напряжения.
(Слово «вариконд» произошло от слов «вариация» и «конденсатор».)
Аналогичные полупроводниковые кон-
денсаторы называют варикапа-
м и (см. ч. II). В варикапах измене-
ние емкости под действием напряже-
ния происходит в результате измене-
ния расстояния между обкладками
конденсатора (области р и п полупро-
водника), а в варикондах — за счет
изменения диэлектрической проницае-
мости е.
Конструктивно вариконды выпол-
няют в виде плоских керамических
конденсаторов — дисковых или пле-
ночных. В зависимости от области
применения в них используется два
вида диэлектрической нелинейности —
эффективная и реверсивная.
Эффективная нелинейность — из-
менение эффективной диэлектриче-
ской проницаемости 8эф в зависимости
от амплитуды напряженности перемен-
ного электрического поля Ет. Эффек-
и эффективную емкость конденсатора
Сэф, определяют по действующему значению тока I (несинусоидаль-
ного), протекающего через конденсатор при заданном действующем
напряжении U с угловой частотой со:
Сэф = //(cot/). (21.10)
тивную проницаемость 8эф, как
218
С увеличением амплитуды напряженности поля Ет значение еэф
возрастает от начального 8Н до максимального 8тах, после чего умень-
шается, снова приближаясь к 8Н (рис. 21.10). Такой вид зависимо-
сти 8эф от Ет объясняется нелинейностью доменной поляризации
в общей поляризованности сегнетоэлектрика, так как
е9ф= 1+Р/(е0£т). (21.11)
В слабых полях с амплитудами напряженности, меньшими коэр-
цитивной силы Ес, зависимость Р от Е практически линейна, домен-
ная поляризация осуществляется только за счет обратимого смещения
доменных стенок (область / на рис. 21.10). С приближением Ет к Ес
(область //) появляется переполяризация доменов путем необрати-
мого смещения доменных стенок, две ветви петли гистерезиса разде-
ляются и дополнительный механизм доменной поляризации приводит
к увеличению 8эф (21.11). При Ет> Ес (область III) переполяри-
зуется весь объем образца, доменная поляризованность достигает на-
сыщения (при этом для монокристаллов она равна Ps), а 8эф снижается
с ростом Ет за счет увеличения знаменателя в формуле (21.11) при
почти постоянном числителе. Максимального значения 8эф достигает
при амплитуде напряженности поля, близкой к коэрцитивной силе
данного материала.
Количественно эффективная нелинейность характеризуется отно-
шением максимальной проницаемости к начальной
Кэф = Smax/8H, (21.12)
называемым коэффициентом эффективной нелинейности, а также
амплитудой напряженности поля £тах, при которой 8эф достигает мак-
симума. Чем больше К3$ и чем ниже £тах, тем выше эффективная не-
линейность материала. При работе вариконда на линейном участке
зависимости 8эф от Ет два указанных параметра нелинейности можно
заменить одним коэффициентом
1 v Эф р Л/7
ьэф аст
Эффективная нелинейность существует лишь на низких частотах.
При высокой частоте, когда полупериод приложенного напряжения
становится меньше времени переполяризации доменов, вклад в 8эф
механизма необратимого смещения доменных стенок исчезает и 8эф
практически не зависит от Ет. Поэтому с ростом частоты /<эф умень-
шается, а £Шах растет (рис. 21.11).
Эффективную нелинейность используют в стабилизаторах пере-
менного напряжения, в устройствах искрогашения, для повышения
контрастности электрооптических устройств изображения, индикато-
ров, телевизионных экранов (см. гл. 25). Вариконд обычно работает
на начальном крутом участке кривой 8эф (Ет), когда коэффициент не-
линейности А/Эф максимален. Для создания указанных варикондов не-
обходимы материалы с максимальным /<эф и минимальной Етах.
В СССР под руководством Т. Н. Вербицкой разработаны сегнето-
керамические материалы ВК-1 + В К-6, обладающие большой эффек-
тивной нелинейностью. Их основные свойства приведены в табл. 21.1.
(21.13)
219
Свойства сегнетокерамики для вари кондов
Таблица 21.1
Материалы гк- °с ен «Эф ^тах» кВ/м К- tg 6
ВК-1 75 2 000 6-8 150—200 ^2 0,02
ВК-2 75 2 000 15—20 120—150 -^2 0,01
В к-з 25 10 000 1-2 50—100 0,03
ВК-4 105 1 800 10—16 250—300 ^2 0,015
ВК-5 75 2 000 35—50 80—100 ^2 0,01
ВК-6 200 400 20—50 500—600 — 0,03
ВК-7 — 10 3 000 — — ^2 0,001
Материалы ВК-1, В К-2 и В К-5 на основе твердых растворов
Ba (Ti, Sn) О3 имеют 7\ = 75 ± 10° С. При одинаковой начальной
Рис. 21.11. Зависимость эффектив-
ной диэлектрической проницаемо-
сти сегнетокерамики В К-2 от ам-
плитуды напряженности электриче-
ского поля при различных частотах
проницаемости 8Н ж 2000 эти материа-
лы различаются по степени нелиней-
ности: чем выше номер марки керами-
ки, тем больше Кэф и тем меньше f^ax-
Максимальная эффективная проницае-
мость сегнетокерамики В К-5 достигает
100 000. Однако свойства этих мате-
риалов нестабильны при изменении
температуры.
Материалы В К-4 на основе ВаТЮ3
и В К-6 на основе Pb (Ti, Zr, Sn)O3
имеют более высокие точки Кюри (105
и 200° С) и отличаются большей тер-
мостабильностью. Параметры керами-
ки В К-4 (8, практически не из-
меняются при 20 4- 80° С, а ВК-6 —
при —60 ч- +100° С. Однако эти ма-
териалы более сегнетотверды и их
^тах ВЫШе.
Диэлектрические потери варикон-
дов в слабых полях характеризуют-
ся начальным tg 6 = 0,01 4- 0,03
(табл. 21.1). С увеличением напряженности поля tg 6 возрастает за
счет появления гистерезисных потерь, т. е. потерь на необратимое
движение доменных стенок. Работа, затрачиваемая за период на
переполяризацию конденсатора А = $qdU, где q — заряд. Макси-
мальная запасенная конденсатором энергия W = qmUт/2, где Um —
амплитуда напряжения; qm — максимальный заряд. Отсюда
. . A §PdE
tg 6 ~ 2лW ~ nqmUw ~ лРтЕт' (21.14)
Следовательно, tg 6 равен отношению площади петли гистерезиса
ф PdE к площади прямоугольника РтЕт, умноженной на л (рис. 21.12)
220
В слабых полях, когда площадь петли гистерезиса мала (см. рис. 21.10),
tg б мал. С приближением Ет к Ес площадь петли увеличивается,
растет и tg б. В сильных же полях (Ет >> Ес) площадь петли остается
постоянной, a tg б уменьшается с ростом Ет за счет знаменателя в фор-
муле (21.14). Следовательно, тангенс угла гистерезисных потерь изме-
няется в зависимости от амплитуды поля так же, как 8эф, достигая
максимума при Ет « Стах. Максимальные значения tg б варикондов
составляют 0,1 0,5 (в случае идеально прямоугольной петли гисте-
резиса при Ет = Ес значение tg б = 4/л). Это необходимо учитывать
при расчете теплового режима кон-
денсатора.
При использовании эффектив-
ной нелинейности варикондов так-
же следует иметь в виду наличие
сегнетоэлектрического старения, в
результате которого прямой и об-
ратный ход кривой 8эф (£т) не сов-
падают. В «омоложенном» сильным
переменным полем конденсаторе пе-
репел я ризация доменов облегчена,
в связи с чем 8эф выше, а £тах ни-
же, чем в «состаренном».
Реверсивная нели-
нейность— это изменение диэ-
р
Рис. 21.12. Гистерезисные потери сег-
нетоэлектриков
лектрической проницаемости в переменном поле другим, управляющим
электрическим полем. Управляющее напряжение прикладывается
к вариконду одновременно с переменным; оно бывает постоянным или
медленно меняющимся, во всяком случае частота управляющего на-
пряжения значительно меньше частоты переменного напряжения, в ко-
тором фиксируется 8. Амплитуда переменного напряжения обычно
бывает ниже амплитуды управляющего напряжения.
С увеличением напряженности управляющего поля Е_ реверсив-
ная диэлектрическая проницаемость обычно монотонно уменьшается
от начального значения 8Н до минимального 8min (рис. 21.13). Коли-
чественной характеристикой реверсивной нелинейности служит коэф-
фициент перекрытия
К-= 6H/6min (21.15)
или коэффициент реверсивной нелинейности
К-=7-Л2- <2|-1е>
Величина N. зависит от £_, достигая максимума при напряженности
поля Е_« Етах. Для практических применений нужны материалы
с большим коэффициентом перекрытия и малой Етах. Напряженность
Стах близка к коэрцитивной силе £с.
Уменьшение 8 в переменном поле при наложении управляющего
напряжения объясняется уменьшением площади доменных стенок и
соответствующим снижением влияния доменов на поляризованность,
321
а также (в сегнетоэлектриках типа BaTiO3) анизотропией диэлектриче-
ской проницаемости 8 домена. В направлении спонтанной поляриза-
ции ВаТЮ3 значение 8 = 200, а в перпендикулярной плоскости е=4000,
Рис. 21.13. Зависимость ре-
версивной диэлектрической
проницаемости сегнетоэлект-
риков от напряженности по-
поэтому ориентация доменов в направлении управляющего поля при-
водит к снижению средней 8 в этом направлении.
Начальная 8 на реверсивной характеристике рис. 21.13 зависит
от амплитуды напряженности переменного поля за счет эффективной
нелинейности и при амплитуде Ет = Етах
она достигает максимума. Конечное же
значение 8, достигаемое в сильных Е_, (8min)
практически не зависит от Ет. Поэтому
коэффициент перекрытия в зависимости от
Ет изменяется так же, как 8эф (см. рис.
21.10), достигая максимума при Ет « £тах.
Для перечисленных материалов вари-
кондов в слабом переменном поле «
ж 2 (см. табл. 21.1), а в поле с амплитудой
Ет £тах достигает десятков. С ростом
частоты переменного поля /<_ уменьшается
ввиду снижения 8тах и на высоких часто-
тах не зависит от амплитуды переменного
поля.
Большим коэффициентом перекрытия в
слабых полях и на высоких частотах об-
лядля0двух амплитуд напря- лада“т материалы с точкой Кюри, близкой
женности переменного изме- к рабочей температуре. К таким материа-
рительного поля: Ет1 -> 0 и лам относится керамика варикондов ВК-3
Ет2 (см. табл. 21.1), представляющая собой
твердый раствор Ba (Ti, Sn) О3 с =
= 25° С и размытым фазовым переходом. Для материала ВК-3 зна-
чение К_>8 и мало зависит от напряженности поля. Параметры
керамики ВК-3 сильно зависят от температуры.
Реверсивная нелинейность сегнетоэлектриков может быть исполь-
зована в диэлектрических усилителях, стабилизаторах напряжения,
устройствах автоматики. Однако применение подобных устройств
возможно лишь на низких частотах и в тех системах, где несущест-
венны их недостатки, связанные с большими потерями сегнетоэлект-
риков, гистерезисным характером зависимости 8 от £_, температурной
и временной нестабильностью. От перечисленных недостатков в зна-
чительной мере свободны параэлектрики, рассматриваемые в § 21.4.
§ 21.4. Параэлектрики
Параэлектрики — это нелинейные диэлектрики, находя-
щиеся в параэлектрической фазе при рабочих температурах. К ним
относятся сегнето- и антисегнетоэлектрики при температурах выше
точки Кюри, а также вещества типа титаната стронция и танталата
калия, не переходящие в сегнето- или антисегнетоэлектрическое со-
стояние, диэлектрическая проницаемость которых растет с пониже-
222
нием температуры по закону Кюри — Вейсса (21.1). У параэлектри-
ков в отличие от обычных диэлектриков имеет место высокая 8, изме-
няющаяся с изменением температуры по закону Кюри — Вейсса,
а в отличие от сегнетоэлектриков — отсутствует спонтанная поляри-
зация, домены и сопутствующие явления.
Ввиду очень высокой 8 (1000 4- 10 000) поляризованность пара-
электриков достигает насыщения в относительно слабых электриче-
ских полях, тогда как у обычных диэлектриков с е = 1 4- 10 насы-
щению предшествует пробой (рис. 21.14, а). В связи с наличием насы-
щения на кривой Р (Е) диэлектрическая проницаемость 8 умень-
шается при больших напряженностях поля Е (рис. 21.14, б). Согласно
термодинамической теории
8 = Г+Бе3 (0) £2’ (21.17)
где В — коэффициент, характеризующий степень нелинейности.
Отсюда коэффициент перекрытия
К- = е (0)/8 (Е) = 1 + В83 (0) Е2.
(21.18)
Второе слагаемое, характеризующее нелинейность, пропорцио-
нально кубу начальной диэлектрической проницаемости 8 (0). Поэтому
чем выше 8 параэлектрика или чем
ближе рабочая температура к 0,
тем больше нелинейность и тем при
более слабых Е происходит опре-
деленное изменение 8 (Е).
В неполярных параэлектриках
(например, ионных сегнетоэлектри-
ках при температуре выше Тк),
обладающих только электронной и
ионной поляризациями, диэлектри-
ческая дисперсия отсутствует вплоть
до частот 10124-1013 Гц. Поэтому не-
линейность практически не зависит
от частоты в радиочастотном диапа-
Рис. 21.14. Зависимость поляризован-
ности (а) и диэлектрической проницае-
мости (б) параэлектриков (сплошные
кривые) и обычных диэлектриков
(пунктир) от напряженности электри-
ческого поля
зоне, вплоть до миллиметрового диа-
пазона. В этом существенное преимущество параэлектриков перед
сегнетоэлектриками, нелинейность которых падает на высоких ча-
стотах. Ввиду отсутствия доменов зависимости Р (Е) и 8 (£) (см.
рис. 21.14) носят безгистерезисный характер, обеспечивая однознач-
ность 8 при заданном управляющем напряжении на параэлектриче-
ском элементе.
Вторым важнейшим параметром нелинейных реактивных элемен-
тов являются потери. У сегнетоэлектриков в диапазоне СВЧ tg 6 —
= 0,3 4- 0,5 в связи с дисперсией доменной поляризации. У пара-
электриков доменная дисперсия отсутствует, и tg 6 сохраняет отно-
сительно низкие значения (10"4 4- 10"2) до частот в 10 ГГц. В диапа-
зоне СВЧ tg б параэлектриков линейно растет с увеличением частоты,
достигая значений больше 1 с приближением к частоте дисперсии
(1012 4- Ю13 Гц). В зависимости от температуры tg 6 изменяется по
223
закону Кюри — Вейсса (21.1), как и е. Вблизи точки Кюри tg 6 имеет
максимум, поэтому область рабочих температур начинается на 5 ч-
ч- 10 К выше точки Кюри.
Основным недостатком параэлектриков является температурная
нестабильность 8. В сегнетоэлектриках с размытым фазовым перехо-
дом при температурах выше Тк нестабильность е может быть малой.
Однако при этом возрастают и диэлектрические потери, особенно при
СВЧ, по сравнению с материалами с четким фазовым переходом.
Использование параэлектриков в качестве нелинейных реактивных
материалов радиоэлектроники предложено В. М. Петровым в 1963 г.
/ — параэлектрическая фаза; II — сегнето-
электрическая фаза
На основе параэлектриков де-
лают нелинейные конденсаторы
(вариконды), электрически пере-
страиваемые резонаторы и линии
передачи. Параэлектрики могут
заменять в радиосхемах варика-
пы, /м-я-диоды и ферритовые
элементы, отличаясь повышен-
ными рабочими мощностями и
меньшими потерями. На основе
параэлектриков делают низко-
шумящие параметрические уси-
лители, СВЧ-фазовращатели и
коммутаторы, ЧМ-генераторы и
другие частотноуправляемые уст-
ройства.
Из химически индивидуаль-
ных параэлектриков минималь-
ными диэлектрическими потеря-
ми обладают перовскиты: танта-
лант калия КТаО3 (0= 1 К), титанат стронция SrTiO3 (0 = 30 К), тита-
нат кадмия CdTiO3 (0 = 50 К). Однако ввиду низкой 0 их применение
ограничено областью низких температур: КТаО3 может с успехом приме-
няться при температуре жидкого гелия, a SrTiO3 и CdTiO3 — при тем-
пературе жидкого азота. При нормальной температуре применяются
твердые растворы на основе указанных соединений. КТаО3 образует
непрерывный ряд твердых растворов с ниобатом калия KNbO3; тем-
пература сегнетоэлектрического фазового перехода почти линейно
зависит от состава твердых растворов танталата-ниобата калия (со-
кращенно КТН), изменяясь от 1 К до 708К (+435° С) (рис. 21.15).
Непрерывные ряды твердых растворов образуются также в системах
титаната бария-стронция (ТБС) и титаната стронция-свинца (ТСС)
(рис. 21.15). Эти твердые растворы имеют четкий сегнетоэлектрический
переход и соответственно низкий tg 6 при температуре выше 7\.
Материал на заданную рабочую температуру берут из области соста-
вов параэлектриков, заштрихованной на рис. 21.15. Параэлектрики
системы КТН получают в виде монокристаллов, а ТБС и ТСС — в виде
керамики. Материал В К-7, указанный в табл. 25.1, относится к си-
стеме ТБС.
224
§ 21.5. Сегнетополупроводники
Большинство сегнетоэлектриков в чистом виде является диэлект-
риками с удельным сопротивлением р > 109 Ом *м и лишь некоторые
из них (SbSI, BiFeO3, PbTiO3 и др.) по значению р относятся к полу-
проводникам. Однако введением легирующих добавок и специальной
обработкой сопротивление любого сегнетоэлектрика можно снизить
и, таким образом, получить сегнетоэлектрик-полупроводник (сегнето-
полу проводник).
В связи с наличием спонтанной поляризации и фазового перехода
в точке Кюри сегнетополупроводники обладают рядом свойств, не
присущих обычным полупроводникам.
Одним из таких особых свойств является позисторный эффект —
возрастание р с ростом температуры при переходе из сегнето- в пара-
электрическую фазу. Позисторный эффект используется в позисто-
рах — терморезисторах с большим положительным температурным
коэффициентом сопротивления ТК/? (в обычных полупроводниках
сопротивление снижается с ростом температуры и изготовленные на
их основе термисторы имеют отрицательный ТК7? с абсолютной вели-
чиной от 0,03 до 0,05 К”1).
Вторым свойством сегнетополупроводников является сегнетоэлект-
рический эффект поля, заключающийся в изменении сопротивления
полем спонтанной поляризации; полевой эффект в обычных полупро-
водниках, используемый в полевых и МОП-транзисторах, заключается
в изменении сопротивления канала внешним, перпендикулярно при-
ложенным полем, см. ч. II.
Особый практический интерес представляют полупроводниковые
материалы на основе керамических сегнетоэлектриков кислородно-
октаэдрического типа, в частности титаната бария и твердых раство-
ров на его основе.
Один из способов получения сегнетополупроводников заключается
в отжиге кислородно-октаэдрических сегнетоэлектриков в атмосфере
водорода при температурах 1200 ч- 1300° С. Восстановительный отжиг
приводит к появлению кислородных вакансий в количестве до 102в м“3
и высокой удельной проводимости (до 100 См/м и выше).
На практике часто оказывается более удобным другой способ по-
лучения полупроводящих сегнетоэлектриков — легированием. Для
получения высокой электронной электропроводности BaTiO3 ионы
Ва2+ или Ti4+ частично замещают донорными ионами с большей валент-
ностью. Двухвалентный барий замещают трехвалентными ионами ред-
коземельных металлов (РЗМ) — лантана La3+, церия Се3+, самария
Sm3+ и др. — или индия 1п3+. Ионы Ti4+ замещают на пятивалентные
ионы висмута Bi5+, сурьмы Sb5+, ниобия Nb5+, тантала Та5+ или шести-
валентные ионы вольфрама W6+, рения Re6+. Такого рода примеси
играют роль доноров и приводят к электропроводности n-типа. Нао-
борот, замещение иона Ti4+ на трехвалентные ионы (Fe3+, Nb3+, РЗМ)
создает акцепторные уровни и вызывает переход к дырочной электро-
проводности.
8 п/р Тареева
225
Зависимость проводимости от концентрации легирующей добавки
в сегнетоэлектриках типа BaTiO3 существенно отличается от аналогич-
ной зависимости для других полупроводников (рис. 21.16). При уве-
личении концентрации добавки до 0,1 н- 0,3 ат. % р уменьшается
на 10—12 порядков, а в дальнейшем вновь возрастает. При концентра-
ции добавки около 1 ат. % удельное сопротивление близко к значе-
нию р нелегированного титаната бария. Наличие минимума в кон-
центрационной зависимости р связано с ограниченной растворимостью
добавки, с изменением типа твердого раствора.
Значение р легированных образцов очень чувствительно к режиму
обжига (газовая среда, температура, время) и охлаждения из-за нали-
Рис. 21.16. Зависимость удельного
сопротивления керамики BaTiO3 от
концентрации добавок:
/ _ Sm3+; 2 — Се8+; 3 — Та8+
чия электропроводности, обусловлен-
ной кислородными вакансиями, кото-
рая может увеличивать или компен-
сировать электропроводность, обуслов-
ленную легирующими добавками.
Сегнетоэлектрические свойства ти-
таната бария при восстановлении или
легировании сохраняются до значения
удельного сопротивления р=5*10~4
Ом*м, но начиная с р = 4«10*3Ом*м
точка Кюри резко понижается с
уменьшением р.
Типичные температурные зависимо-
сти удельного сопротивления р полу-
проводниковых керамических сегнето-
электриков приведены на рис. 21.17.
Вдали от точки Кюри р снижается с
ростом температуры, как и у других
диэлектриков и полупроводников, од-
нако в определенном интервале в окрестности точки Кюри наблюдается
резкий аномальный рост р. Величина р увеличивается в тысячи, а
иногда и миллионы раз. Это и есть позисторный эффект. Область по-
ложительного ТКр находится в области перестройки решетки при фа-
зовом переходе. Если перестройка решетки происходит в узком ин-
тервале температур (четкий фазовый переход), то р увеличивается
скачкообразно (кривые /, 2, 5). В случае же сегнетоэлектриков с
размытым фазовым переходом увеличение р с температурой плавное
и происходит во всем интервале температур размытия перехода (кри-
вые 3, 4),
Положением центра области положительного ТКр на температур-
ной шкале можно управлять, синтезируя легированные твердые раст-
воры с различными точками Кюри. Так, например, в твердых раство-
рах ВаТЮ3—SrTiO3, BaTiO3—BaSnO3, BaTiO3—BaZrO3 температура
Кюри понижается с увеличением содержания второго компонента,
а в ВаТЮ3—PbTiO3 — растет. Это позволяет получать позисторные
материалы на любую заданную температуру от —180 до +490° С.
Твердые растворы BaTiO3—SrTiO3, BaTiO3—PbTiO3, SrTiO3—
PbTiO3 имеют четкий фазовый переход и на их основе получают по-
226
зисторы со скачкообразным ростом сопротивления при определенной
температуре. Для получения позисторов с плавным увеличением р
используют твердые растворы с размытым
фазовым переходом: ВаТЮ3—BaSnO3,
BaTiO3—BaZrO3 и др., а также тройные [на-
пример, (Ba, Sr) (Ti, Sn) О3] и четверные
твердые растворы.
Позисторы используются для измерения
и контроля температуры, термокомпенса-
ции радиосхем, в малогабаритных термо-
статах, в пусковых устройствах, для тепло-
вой защиты и т. д. Для различных областей
применения выпускают позисторы, разные
по конструктивному исполнению и на ос-
нове разных материалов.
Сегнетоэлектрический эффект поля мо-
жет быть использован в полевых транзи-
сторах с памятью входного сигнала и в
запоминающих ячейках со считыванием
информации по величине сопротивления
поверхностного слоя.
Рис. 21.17. Температурные
зависимости удельного сопро-
тивления позисторных мате-
риалов на основе:
/ — ВаТ1О8; 2 — (Bao,8Sro,2)
TiO8; 3 - Ba (Ti0,8Zr0l2) O8;
4 — Ba (Tio,8Sno,2) O8; 5 —
(Вао,8РЬо,2) TiO8, легированных
0,1 ат. % Се
Глава 22
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКИ
§ 22.1. Пьезоэлектрический эффект
Как отмечалось, поляризация диэлектриков может осуществляться
не только при воздействии внешнего электрического поля, но и при
механических напряжениях. Явление поляризации диэлектрика под
действием механического напряжения называют прямым пьезоэлектри-
ческим эффектом. Возникающая поляризованность Р прямо пропор-
циональна приложенному механическому напряжению о:
P = d<j. (22.1)
Коэффициент пропорциональности d называют пьезоэлектрическим
модулем или пьезомодулем. Изменение знака а, т. е. замена растяжения
сжатием, приводит к изменению знака Р — переполяризации,
При поляризации любой диэлектрик деформируется. Деформация х
(см. рис. 19.1), обычно прямо пропорциональна квадрату поляризо-
ванности (квадратичная деформация)
x = QP\ (22.2)
где Q — электрострикционный коэффициент.
Деформацию диэлектрика, не зависящую от знака поляризован-
ности, называют электрострикцией (в магнитных материалах анало-
гичное явление при намагничивании называют магнитострикцией,
см. ч. V).
8* 227
Наряду с квадратичной деформацией (обычно очень малой) в неко-
торых диэлектриках наблюдается деформация, линейно зависящая от
поля р изован ности:
x = gP. (22.3)
Это явление называют обратным пьезоэлектрическим эффектом.
Так как Р = 80 (е — 1) Е, то
x = gP=g80(8- \)E = dE, (22.4)
где пьезомодуль обратного пьезоэффекта
d = 80g (8-1). (22.5)
В термодинамике доказывается, что пьезомодули d прямого и обрат-
ного пьезоэффектов для одного и того же диэлектрика равны между
собой.
Пьезоэффект, открытый в 1880 г. братьями Кюри, широко исполь-
зуются в технике для преобразования механических смещений или на-
V 5)
пряжении в электрические сигналы
(звукосниматели, приемники ульт-
развука, датчики деформаций и
т. д.) или (обратный пьезоэффект) —
электрических сигналов в механи-
ческие (акустические излучатели,
генераторы ультразвука и т. д.).
Вещества с четко выраженными
пьезоэлектрическими свойствами
называют пьезоэлектриками, а ма-
териалы, предназначенные для ис-
пользования их пьезоэффекта, —
пьезоэлектрическими материалами.
Наряду с пьезомодулем для ха-
рактеристики пьезоэффекта в кон-
кретных пьезоэлементах часто ис-
пользуют коэффициент электро-
Рис. 22.1. К определению коэффициен-
та электромеханической связи:
а — при прямом пьезоэффекте k2 = ~ —
W-W fD-‘
= W— = —^—; о — при обратном
PHZ W-W. е-е.
пьезоэффекте k2 = — ------------
механической связи k. Когда к пьезоэлементу прикладывается механи-
ческое напряжение о, работа внешней силы затрачивается не только
на деформацию, но и на его поляризацию (рис. 22.1, а). Плотность энер-
гии механической деформации №м = сх2/2, где с — модуль упругости.
По определению квадрат коэффициента электромеханической связи
равен отношению электрической энергии W9, генерируемой пьезоэле-
ментом, ко всей энергии W = Wu + затраченной на деформацию:
k2=W9/W. (22.6)
Кажущаяся упругость поляризуемого пьезоэлектрика сР, которая
определяется сопротивлением внешней силе (W = сРх212), больше чисто
механической упругости с
cP = c/(l-k2). (22.7)
При обратном пьезоэффекте (рис. 22.1, б) энергия внешнего источ-
ника с напряжением U затрачивается не только на зарядку емкости С
228
пьезоэлемента (соответствующая электрическая энергия = 0^/2),
но и на его деформацию. Квадрат коэффициента электромеханической
связи при этом равен отношению энергии механической деформации
W* ко всей энергии W — W3 + №м> затраченной источником:
А2=И7Н/1Г. (22.8)
Так как W > 1ГЭ, то кажущаяся емкость свободно деформируемого
пьезоэлемента Ссв больше обычной емкости С, определяемой его ди-
электрической проницаемостью е. Полагая W = и =
= W — №э, получим
= 5^5 = k2. (22.9)
^св 8св
Выражения (22.7) и (22.9) используют для экспериментального
измерения k. Численные значения k, найденные с помощью прямого
(22.6) и обратного (22.8) пьезоэффектов, для данного элемента совпа-
дают.
Коэффициент электромеханической связи, являющийся параметром
пьезоэлемента определенной конструкции, используют и для характе-
ристики пьезоэлектрических свойств материалов. Например, для
пьезокерамики широко применяют плоскостной коэффициент электро-
механической связи kp, характеризующий радиальные колебания тон-
кого диска с электродами на торцевых поверхностях.
Как отмечалось в § 19.1, механическое напряжение является тен-
зором второго ранга, имеющим 9 компонент о/у, причем ввиду симмет-
рии тензора ofy независимых компонент остается 6: оь о2 и аз означают
напряжения сжатия (или растяжения, со знаком «минус») вдоль
соответствующих осей, а о4, о5 и ов — сдвиговые напряжения. Учиты-
вая это, уравнение прямого (22.1) и обратного (22.4) пьезоэффектов
для отдельных компонент вектора поляризованности запишем в сле-
дующем виде:
6
Pi= 2 = (22.10)
/=1
з
ху = 2 (22.11)
1=1
где i — 1, 2, 3 — номера компонент поляризованности; j = 1, 2, ...
.. .6 — номера компонент механического напряжения или деформации.
Для сокращения записи тензорных соотношений знак суммы обычно
опускают, предполагая суммирование по всем значениям индексов,
повторяющихся в одном произведении.
Пьезомодуль как коэффициент, связывающий вектор и тензор
второго ранга, является тензором третьего ранга. Он имеет в общем
случае 3 «6 = 18 компонент dy. В конкретных материалах число
отличных от нуля компонент обычно бывает меньше. Так, в изотроп-
ных средах пьезоэффекта нет и все dy = 0. В кристаллах кубической
системы классов 23 и 43т отличны от нуля и равны друг другу 3 пьезо-
модуля: d14 = d25 = d3Q.
229
Класс 1
I
Триклинная
система.
1
• • • • • • • • • • • • • • • • • •
... ... • • • • • •
Моноклинная
система.
2 <S>
•••••• •••••• •••••• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
• ••••• • • • • • • • • •
2/т
Ш
Ромбическая
система
Ж
Тетрагональная
система
4
•-о • • • • и:: 'Л ::: • • • х: • • •
:::к:
4
Kt::? !
•-О • • • •
е-о • • • •
Ь/т
• • 1 • > 4 •
•-о • • • •
• • • • • • • • • 1

230
J
Таблица 22.1
3
1Ш
Кубическая
система.
Обозначения:
<S> - пироэлектрические классы
• -компоненты, равные нулю
• - компоненты, отличные от нуля
о -отрицательные значения
Ж И- удвоенные значения
х - значения 2(5!}-8}2)или 0,5(Сп~Сг2)
Линии соединяют численно равные константы
23, 43т
432, m3, тЗт
231
Пьезоэлектрические материалы анизотропны. Для описания их
пьезоэлектрических, диэлектрических и упругих свойств необходимо
знание набора компонент пьезомодулей упругих констант SyZ
и диэлектрических проницаемостей &ik по разным направлениям. Такой
набор может быть представлен в виде матрицы 9x9, столбцы которой
связаны с механическими и электрическими напряжениями, а строки —
с деформацией и поляризацией:
<h <?3 Ei E. E3
Х1 S11 $12 S13 $14 $15 $16 dn ^21 ^31
%2 $21 $22 S23 $24 $25 $26 ^12 ^22 ^32
х3 $31 $32 S33 $34 $35 $36 ^13 ^23 ^33
х4 $41 $42 $43 S44 $45 $46 du d24 d34 (22.12)
Х5 S51 $52 $53 $54 $55 $56 ^15 ^25 ^35
$61 $62 $63 $64 $65 $66 ^16 d2e ^36
Р1 ^11 ^12 ^13 ^15 ^16 811 812 813
Рг ^21 ^22 ^23 rf24 ^25 ^26 e21 822 823
Рз ^31 ^32 ^33 d34 ^35 ^36 831 832 833
Рис. 22.2. Температурные зави-
симости пьезомодуля d14 и £х
сегнетовой соли
Эта матрица симметрична (S;Z = sz/, &ik = eki) и в общем случае
содержит 45 коэффициентов, включая 21 упругую податливость, 6
диэлектрических проницаемостей и 18
пьезомодулей. В табл. 22.1 дано графи-
ческое представление матрицы (22.12)
для кристаллов различных классов сим-
метрии (см. рис. В.1). Линии, соединяю-
щие темные кружки, стоящие на месте
отличных от нуля коэффициентов, озна-
чают равенство соответствующих компо-
нент, требуемое для данного типа сим-
метрии. Светлые кружки проставлены на
месте компонент, равных по абсолютной
величине, но противоположных по зна-
ку. Точки соответствуют компонентам,
равным нулю.
В качестве пьезоматериалов широко
применяют сегнетоэлектрики. По пьезо-
электрическим свойствам сегнетоэлект-
рики делят на две группы: 1) обладающие пьезоэффектом при тем-
пературах выше точки Кюри (сегнетова соль, дигидрофосфат калия и
др.) и 2) центросимметричные и не обладающие пьезоэффектом в па-
раэлектрической фазе (титанат бария, триглицинсульфат, титанат
свинца и др.).
Пьезоэлектрический коэффициент £, связывающий деформацию
с поляризованностью (22.3), в сегнетоэлектриках имеет тот же порядок
величины, что и в обычных диэлектриках, и слабо зависит от темпера-
туры и прочих факторов (деформация характеризует смещение частиц,
как и поляризация). Однако, как следует из (22.5), пьезомодули d
232
в сегнетоэлектриках велики вследствие высокой диэлектрической про-
ницаемости. В сегнетоэлектриках первой группы пьезомодуль d ме-
няется с изменением температуры аналогично 8 и в точке Кюри имеет
максимум (рис. 22.2).
В сегнетоэлектриках второй группы пьезоэффект в сегнетоэлектри-
ческой фазе появляется за счет электрострикции и спонтанной поля-
ризации. Согласно (22.2) при Р = Ps + Ри, где Ри — поляризован-
ность, индуцированная внешним электрическим полем, деформация
кристалла
* = Q (Ps + Ри)2 = QPl + 2QPSP„ + QP*. (22.13)
Здесь первое слагаемое характеризует постоянную спонтанную де-
формацию, второе — деформацию, индуцированную внешним элект-
рическим полем, а третье слагаемое пренебрежимо мало (Ри Ps)-
Деформация, индуцированная
электрическим полем,
хи — 2QP SP и —
= 2QPS^ (8 -l)£ = d£, (22.14)
откуда пьезомодуль
d = 2QP,80(8-l). (22.15)
С приближением температу-
ры к точке Кюри спонтанная по-
ляризованность уменьшается, но
8 растет быстрее, поэтому d вбли-
зи имеет максимум (рис. 22.3).
В точке Кюри Ps падает до нуля
и при температурах выше точки
Кюри d = 0.
Рис. 22.3. Температурные зависимости пье-
зомодуля d31, спонтанной поляризованно-
сти Ps и диэлектрических проницаемо-
стей ех и р3 монокристалла титаната ба-
рия
Как отмечалось ранее, в от-
сутствие электрического поля по-
ляризованность сегнетоэлектрика равна нулю. Согласно (22.15) при Ps=
= 0 в таком образце отсутствуют и пьезоэлектрические свойства. Для
получения пьезоэффекта в сегнетоэлектриках второго типа кристалл
нужно сделать однодоменным. Этого достигают путем выдержки крис-
талла в сильном электрическом поле при повышенных температурах.
§ 22.2. Пьезокерамика
Обычная сегнетокерамика как изотропная среда не обладает пьезо-
эффектом. Для придания пьезоэлектрических свойств ее подвергают
поляризации: выдерживают в сильном постоянном электрическом поле
(£ = 2^-4 МВ/м) при температуре 100—150°С в течение достаточно
длительного времени (обычно около 1 ч). После такой обработки век-
торы спонтанной поляризованности доменов оказываются ориентиро-
ванными в направлении, ближайшем к направлению электрического
поля, и закрепленными в этом направлении свободными зарядами про-
тивоположных знаков. После снятия внешнего поля в керамике сохра-
233
няется устойчивая остаточная поляризация; из изотропного тела кера-
мика превращается в анизотропное — текстуру, имеющую выделенное
направление — направление остаточной поляризованности PQ. Это
приводит к появлению пиро- и пьезоэффекта.
Поляризованную сегнетокерамику, предназначенную для исполь-
зования ее пьезоэффекта, называют пьезокерамикой.
Широкое применение керамических материалов в пьезотехнике
обусловлено возможностью изготовления изделий практически любой
формы и размеров, высокими пьезоэлектрическими параметрами, а
также низкой стоимостью по сравнению с монокристаллами.
Пьезокерамика имеет группу симметрии оо/и/и. Если направление
PQ принять за ось 3, то матрица пьезомодулей будет иметь тот же вид,
что и в кристаллах классов 6шт и 4тт (см. табл. 22 1):
0 0 0 0 d15 0\
0 0 0 d24 = d15 0 0
^31 ^32 = ^31 ^33 0 0 0/
(22.16)
Пьезоэффект характеризуется тремя независимыми пьезомодулями:
d15, d31 и d33. Вдоль осей 1 и 2 пьезоэлектрическую поляризацию можно
индуцировать только сдвиговыми напряжениями (деформациями),
а вдоль оси 3 только сжатием-растяжением образца по любой из осей
№з — вдоль оси 3, d31 — в перпендикулярной плоскости).
Так как пьезоэффект керамики обусловлен электрострикцией во
внутреннем поле остаточной поляризации, то пьезомодули в соответ-
ствии с (22.15) пропорциональны остаточной поляризованности:
d = 2QP080 (8- 1). (22.17)
Следовательно, режим поляризации должен обеспечивать макси-
мальное и стабильное значение Ро.
В зависимости от назначения пьезокерамические материалы сог-
гласно ГОСТ 13927—72 подразделяют на четыре класса.
К классу I относят материалы, предназначенные для высокочув-
ствительных пьезоэлементов, работающих, в частности, в режиме
приема слабых сигналов. Так как механические и электрические на-
пряжения при этом невелики, в качестве материалов класса I исполь-
зуют сегнетомягкие составы. Их высокие диэлектрические и механичес-
кие потери при работе в этом режиме несущественны, а определяющим
параметром является пьезомодуль.
Материалы класса II предназначены для использования в условиях
воздействия сильных электрических и механических напряжений,
например, в мощных источниках ультразвука, системах зажигания.
В этом случае во избежание располяризации пьезоэлемента внешним
электрическим полем применяют сегнетотвердые материалы. Допол-
нительным требованием для материалов высокочастотных генераторов
ультразвука является малый tg 6 и высокая механическая доброт-
ность.
Материалы класса III применяют в пьезоэлементах с повышенной
стабильностью частотных характеристик, например в фильтрах, час-
тотнозадающих генераторах. Важнейшие требования к материалам
234
этого класса — стабильность резонансной частоты, т. е. малый тем-
пературный коэффициент частоты (ТК/) и малый уход частоты со вре-
менем; высокая механическая добротность QM. Значение ТК/ лучших
видов пьезокерамики составляет около 30-10'6 К'1. Временная
нестабильность пьезоэлементов снижается в результате их искус-
ственного старения.
К классу IV относят материалы, применяемые при особых условиях,
например, за пределами нормального интервала температур (—60 ч-
ч- +70° С). В качестве высокотемпературных материалов используют
сегнетоэлектрики с повышенной точкой Кюри (выше 300° С), так как
случайный перегрев пьезоэлемента выше Тк ведет к разрушению его
спонтанной, а следовательно, и остаточной поляризации и к потере
пьезоэлектрических свойств.
Промышленные пьезокерамические материалы, как правило, пред-
ставляют собой твердые растворы, свойства которых, заданные для
определенной области применения, получают путем подбора соотно-
шения компонентов и введением модифицирующих добавок. Марки
пьезокерамики обычно обозначают начальными буквами основных
химических компонентов и порядковым номером; например, для оте-
чественных материалов используют следующие буквы: Т — титан,
Ц — цирконий, Н — ниобий, С — свинец или стронций, Б — барий,
К — кальций, Л — лантан и т. д.; ТБ означает титанат бария, ЦТС —
цирконат-титанат свинца, НБС — ниобат бария-свинца.
Первые промышленные пьезокерамические материалы изготовля-
лись на основе титаната бария. Для повышения коэрцитивной силы
и термостабильности в ТБ вводятся добавки: около 5% CaTiO3 (кера-
мика ТБК) или 8% СаТЮ3 и 12% РЬТЮ3 (ТБКС). Коэффициент элект-
ромеханической связи этих составов невелик (0,2—0,3), аТк = 120 ч-
ч- 140° С, что ведет к нестабильности их параметров.
Наибольшее применение в пьезотехнике нашли материалы типа
ЦТС на основе твердых растворов сегнетоэлектрика титаната свинца
и антисегнетоэлектрика цирконата свинца. Для PbTiO3 Тк = 490° С,
для PbZrO3 Тк =-- 234° С, а Тк их твердых растворов имеет промежу-
точные значения, почти линейно зависящие от состава (рис. 22.4).
Антисегнетоэлектрическая фаза I характерна только для узкой области
составов, примыкающих к PbZrO3. Остальные твердые растворы —
это сегнетоэлектрики, имеющие ромбоэдрическую II или тетрагональ-
ную III структуру. Морфотропная граница между сегнетоэлектриче-
скими фазами проходит при 47 мол. % РЬТЮ3 и 53 мол. % PbZrO3
(рис. 22.4). Составы, лежащие вблизи морфотропной фазовой границы,
содержат одновременно ромбоэдрическую и тетрагональную фазы,
в связи с чем обладают повышенной доменной поляризуемостью и,
как следствие — максимальными е, d и k. Твердые растворы
Pb (Zr0>53Ti0t47) О3 служат основой многих пьезокерамических материа-
лов ЦТС.
Добавки, вводимые в Pb (Zr0,53Ti0,47) О3, расширяют двухфазную
область составов на морфотропной границе и усиливают те или иные
свойства пьезокерамики. При этом изовалентное замещение ионов твер-
дого раствора (например, РЬ2+ на Sr2+, Ва2+, Са2+) не дает резкого изме-
235
нения свойств, смещая только точку Кюри. Неизовалентное замещение
донорными добавками в количестве свыше 0,5 ат. % (см. рис. 21.17),
Фазовая диаграмма
твердых
Рис. 22.4.
системы твердых растворов
PbZrO3—PbTiO3 (пунктиром по-
казана зависимость коэффициен-
та электромеханической связи
k от состава):
I — антисегнетоэлектрическая фаза;
II — ромбоэдрическая сегнетоэлек-
трическая фаза;/// — тетрагональ-
ная сегнетоэлектрическая фаза;
IV — кубическая параэлектриче-
ская фаза
например РЬ2+ на La3+, Nd3+, Bi3+ или
Ti4+ на Nb5+, Та5+, Sb5+, We+, ведет, как
правило, к снижению коэрцитивной си-
лы и, как следствие, к увеличению е, tg6,
k, снижению QM. Поэтому простейшая
пьезокерамика ЦТС класса I имеет со-
став РЬ (Zr0|53Ti0i47) О3 + 0,5 — 3 масс. %
оксидов типа La2O3, Bi2O3, Та2О5, Nb2O5.
Введение акцепторов, т. е. элементов с
меньшей валентностью (К+на место РЬ2+
или Fe3+, Sc3+, Со3+, In3+ на место Ti4+)
позволяет получать сегнетотвердые мате-
риалы с высокой QM и пониженными зна-
чениями 8 и tg 6, т. е. пьезокерамику
класса II. Составы, применяемые в про-
мышленности, часто содержат несколько
легирующих оксидов.
Количество модифицирующей добавки
при неизовалентном замещении ограниче-
но 2—5 масс. % (при больших количест-
вах не образуется однофазный твердый
раствор). Значительно большие возмож-
ности модифицирования пьезокерамики
предоставляются при введении добавок
со скомпенсированной валентностью, т. е. набора оксидов, соответ-
ствующего перовскитному соединению. Тройные твердые растворы
PbZrO3—PbTiO3 — перовскиты образуются практически во всей об-
ласти составов, что позволяет выбрать материалы с различным набором
свойств. В качестве третьего компонента используют сложные перовс-
Т а блица 22.2
Характеристики сегнетокерамических материалов
Материал Класс т к, °C 8 tg б-102 Пьезомодули, пКл/Н *р
—^31 ^33 d is
ТБ-1 I 120 1400 1 45—78 100—190 260 0,2—0,36 100—300
ТБК-3 II 105 1200 2 43 77 240 0,25 5=300
ТБКС III 160 450 0,2 27 77 112 0,25 5=350
ЦТС-19 I 290 1400 3 119 282 380 0,47 70
ЦТС-21 IV 410 550 2 27 67 — 0,20 100
ЦТС-22 III 330 800 2 50 100 — 0,20 5=400
ЦТС-23 II 280 1050 0,7 100 200 — 0,43 5=200
ЦТС-24 II 280 1050 0,7 100 200 — 0,45 5=200
ЦТС-300 III 330 1100 0,3 95 280 341 0,43 500
НБС-1 II 265 1600 <2 67 167 — 0,28 150
НБС-3 III 270 1800 2,5 40 100 — 0,20 5=300
(K0,6Na0,5)NbO3 IV 420 420 1,3 49 160 — 0,45 240
236
киты типа Pb (Mg1/2W1/2)O3, Pb (Cd1/3Nb2/3)O3, Pb (Co1/3Nb2/3)O3 и др.
Тройные твердые растворы часто дополнительно модифицируются
небольшим количеством донорных или акцепторных оксидов.
Находят применение и пьезоматериалы на основе твердых раство-
ров сегнетоэлектрика KNbO3 (Тк = 435° С) и антисегнетоэлектрика
NaNbO3 (ТК = 354°С) — обычно (Ko,5Na0>5)Nb03, а также твердые
растворы метаниобата свинца, например керамика НБС — (РЬ0>в Ва0>4)х
xNb2O6.
Параметры некоторых промышленных пьезокерамических материа-
лов приведены в табл. 22.2.
§ 22.3. Пьезоэлектрические монокристаллы
Ввиду высоких значений е, tg 6 и механических потерь пьезокера-
мику трудно или невозможно использовать на частотах свыше 10 МГц.
На ВЧ и СВЧ применяют только монокристаллические пьезоэлектри-
ки. Некоторые из них приведены в табл. 22.3.
Кварц. Из пьезоэлектрических кристаллов
наиболее часто применяют кварц — двуокись
кремния SiO2. Наряду с природными кристалла-
ми все шире используют синтетические. Дву-
окись кремния представляет собой бесцветные
прозрачные кристаллы в виде усеченных шести-
гранных призм (рис. 22.5). Кристаллы принадле-
жат к тригональной системе (см. рис. В.1) клас-
са 32. По оси призмы направлена оптическая ось
кристалла Z или 3, по ребру призмы — ось X
или /, по центру грани ось Y или 2. В соответ-
ствии с табл. 22.1 матрица пьезомодулей кварца
имеет вид:
—dn 0 d14 0 0 \
0 000 — du — 2dn . (22.18)
<0 000 0 0 /
Рис. 22.5. Кристалл
кварца и ориентиров-
ка его осей
Следовательно, имеются два независимых
пьезомодуля dn и d14. Их численные значения,
как и некоторые другие параметры (плотность, диэлектрические про-
ницаемости свободного кристалла, максимальный коэффициент элек-
тромеханической связи k), приведены в табл. 22.3.
Кристаллы кварца обладают очень высокой механической доброт-
ностью QM. Для обычных образцов Ом = 5-104 + 10е, а для лучших
кристаллов достигает 107. Это обеспечивает весьма высокую частотную
избирательность кварцевых резонаторов. Другим ценнейшим свойст-
вом кварца является высокая стабильность его параметров от самых
низких температур до точки (3 — а перехода при 573° С (температура
плавления 1700° С) и наличие срезов с нулевым температурным коэф-
фициентом частоты.
Срезы кварца, перпендикулярные оси Z, не обладают пьезоэффек-
том, так как все пьезомодули d3/ = 0 [см. (22.18)]. Поляризацию вдоль
237
Таблица 2.23
Параметры пьезоэлектрических монокристаллов
Кристалл Пьезомодули d, пКл/Н есв ^max
Кдзарц SiO2 dn = 2,31; dw=0,7 ex = 4,52; e3 = 4,63 0,1
Сфалерит ZnS dX4 = 3,18 8 = 8,37 <0,1
Сульфид кадмия CdS rfio=—14; d33 = 10,3; d31 = —5,2 8X = 9,35; e3 = 10,3 0,2
Окись цинка ZnO dX5 =—12; d33 = 12; d3X = = —4,7 e3 = 8,2 0,3
KDP, КН2РО4 dX4= 1,3; d36 = 21 8X = 42; e3 = 21 0,07
ADP, NH4H2PO4 dX4 =—1,5; d36 = 48 g1==56; 83=15,4 0,1
Сегнетова соль при 34 °C dX4 = 345; d25 = 54; d3Q=V2 8x = 205; s2 = 9,6; 83 = 9,5 0,97
Титанат бария BaTiO3 dis = 400; d33 = 100; d31 = —35 gx = 3000; 83= 180 0,6
Ниобат лития LiNbO3 d3X =—1,3; d33= 18; d22 = = 20; d15 = 70 g1==84; s3 = 29 0,68
Танталат лития LiTaO3 d3X = —3; d33 = 7; d22 = = 7,5; dX5 = 26 8X = 53; 83 = 44 0,47
оси Y можно получить лишь за счет сдвиговых механических напря-
жений о5 и о6 (пьезомодули d25 = —dX4 и = —2dn соответственно).
Рис. 22.6. Основные срезы кристал-
ла кварца
стабильностью — его ТК/ при
Продольный пьезоэффект имеется толь-
ко вдоль оси X (пьезомодуль dn). Пла-
стинки Х-среза (рис. 22.6) обладают
максимальным коэффициентом элект-
ромеханической связи (около 10%) и
используются для генерации продоль-
ных ультразвуковых колебаний на ча-
стотах 60—300 кГц. Однако наиболь-
шее применение находят пластины
косых срезов кристалла, грани кото-
рых наклонены по отношению к его
осям. В фильтрах низкочастотного
диапазона применяют 5°Х-срез пла-
стину, вырезанную перпендикулярно
оси X и повернутую на 5° относи-
тельно оси Y (см. рис. 22.6). При тех
же пьезоэлектрических характеристи-
ках, что и у простого Х-среза, 5°Х-срез
отличается значительно большей термо-
комнатной температуре равен нулю при
определенном соотношении длины и ширины пластины (рис. 22.7).
Пластины кварца с —18°Х-срезом (рис. 22.6) обеспечивают чисто про-
дольные колебания при возбуждении электрическим полем вдоль оси X
и применяются благодаря повышенной моночастотности.
В отличие от элементов X-срезов, где электроды наносятся на широ-
кие грани, пьезоэлементы Y-среза (рис. 22.6) снабжаются электродами
238
на узких гранях, перпендикулярных оси X, на которые подается на-
пряжение Еъ возбуждающее поперечные колебания: х2 = —dnElt
Элементы Y-среза пригодны для возбуждения продольных ультразву-
ковых волн в газах, жидкостях и твердых телах.
Для возбуждения ультра- и гиперзвуковых волн применяют
пьезопреобразователи АС- и ВС-срезов кварца, создающих чисто сдви-
говые колебания.
При использовании кварца для стабилизации частоты генератора
и фильтров главным требованием к пьезоэлементу является нулевой
или минимальный уход частоты f механических колебаний в возможно
более широком интервале температур, близких к комнатной. Этому
требованию в значительной степени
удовлетворяют AT-, ВТ-, СТ-, DT-
и GT-срезы (см. рис. 22.6), имеющие
нулевой ТК/ в более или менее ши-
рокой области температур около
20° С (рис. 22.7). Y-срез кварца
имеет положительный температур-
ный коэффициент упругого модуля
сдвига, а Z-срез — отрицательный,
поэтому в плоскости YZ можно по-
добрать такой угол, при котором
упругий модуль не зависит от тем-
пературы. Определяемый этим моду-
лем ТК/ сдвиговых колебаний будет
равен нулю. Таким углом, при ко-
тором ТК/ = 0, является с одной
стороны оси Z угол в 35°, а с дру-
гой — 49°. Соответствующие этим
Рис. 22.7. Относительное изменение
частоты в зависимости от температуры
для различных срезов кристалла
кварца
углам АТ- и ВТ-срезы кварца используются на колебаниях сдвига
по толщине в диапазоне частот 0,6—100 и 5—20 МГц соответственно.
Близкие к ним СТ- и DT-срезы работают на колебаниях сдвига по кон-
туру при частотах 100—500 кГц.
Наиболее широкой областью температур нулевого ТК/ обладают
пластины GT-среза кварца с отношением ширины к длине 0,855
(рис. 22.7), в которых возбуждаются продольные по ширине колебания
в диапазоне 100—550 кГц. Пьезоэлементы GT-среза получают из плас-
тин, вырезанных под углом 51° к плоскости XZ с последующим обреза-
нием под углом 45° (см. рис. 22.6).
Ниобат и танталат лития, обладающие более высокими, чем кварц
пьезомодулями и коэффициентами электромеханической связи (см.
табл. 22.3), во многих областях применения вытесняют кварц. Исполь-
зование этих кристаллов в фильтрах вместо кварца позволяет получить
большую широкополосность при меньших габаритах, более низкое
сопротивление в полосе прозрачности, большую изоляцию от паразит-
ных колебаний. Механическая добротность QM ниобата и танталата
лития сохраняет высокое значение (105—106) до СВЧ-диапазона, тогда
как у кварца она максимальна при частоте 1 МГц, а выше 100 МГц
снижается до значений, меньших 105. Поэтому использование кристал-
239
лов LiNbO3 и LiTaO3 наиболее перспективно в диапазоне высоких
и сверхвысоких частот. Их применяют в основном в линиях задержки
и фильтрах как объемных, так и поверхностных волн.
Ниобат и танталат лития являются сегнетоэлектриками с точками
Кюри 1200° С (LiNbO3) и 610° С (LiTaO3). Для придания пьезоэлект-
рических свойств кристаллы подвергают монодоменизации отжигом в
электрическом поле при температуре несколько ниже Тк. При рабочих
температурах коэрцитивная сила очень велика, и поэтому однодомён-
ное состояние устойчиво.
Как и кварц, кристаллы принадлежат к тригональной (ромбоэдри-
ческой) системе, но их класс симметрии 3m. В соответствии с табл. 22.1
матрица пьезомодулей имеет вид
/ 0 0 0 0 d15 — d22\
— d22 d22 0 d15 0 0 . (22.19)
\ dsi d33 0 0 0 /
(за ось 3 принято направление спонтанной поляризации). Следова-
тельно, имеется 4 независимых пьезомодуля, значения которых при-
ведены в табл. 22.3.
Для возбуждения продольных ультразвуковых волн используется
Z-срез кристаллов ниобата и танталата лития с рабочим пьезомодулем
d33 и коэффициентом электромеханической связи k ~ 30%. Поперечные
волны возбуждаются пьезоэлементами X-среза со сдвиговыми коле-
баниями (пьезомодуль d15), имеющими коэффициент электромехани-
ческой связи k = 65% для LiNbO3 и 47% для LiTaO3. Для улучшения
тех или иных характеристик широко применяют и косые срезы кристал-
лов, среди которых имеются срезы с нулевым ТК/. Можно отметить
35° YZ и 17° YZ-срезы ниобата лития с коэффициентом электромехани-
ческой связи k » 50%.
Ввиду высоких коэффициентов электромеханической связи диэлект-
рические проницаемости ниобата и танталата лития на низких и высо-
ких частотах сильно различаются: для LiNbO3 ех = е2 = 84 на низких
и 44 на высоких частотах, е3 соответственно 29 и 25; для LiTaO3 =
= е2 = 53 и 42, е3 = 44 и 43. Это связано с тем, что на низких частотах
измеряется диэлектрическая проницаемость свободного кристалла
(есв), совершающего механические колебания, а на высоких частотах —
«зажатого» кристалла (на частотах, лежащих выше частоты собствен-
ных колебаний кристалла, он не деформируется), т. е. обычная е,
а относительная разница есв и е равна k2 [см. формулу (22.9)].
Пьезополупроводники CdS, ZnS, ZnO используют в основном для
пленочных преобразователей электромагнитных колебаний в акусти-
ческие на высоких и сверхвысоких частотах (до 40 ГГц). Благодаря
простым составу и структуре пленки подобных соединений напыляются
в вакууме непосредственно на поверхность тела, в котором необхо-
димо возбуждать акустические волны. Исключение связки приводит
к снижению потерь преобразования, а возможность получения тонких
слоев — к высокой резонансной частоте преобразователей. Эффек-
тивному применению кристаллов на СВЧ способствуют и низкие зна-
чения е (^ 10).
240
Другое направление применения данных материалов — пьезо-
полупроводниковые акустические усилители. В обычных условиях
акустическая волна взаимодействует со свободными носителями заряда,
увлекая их в направлении распространения, что приводит к дополни-
тельному затуханию. Однако если к кристаллу приложить высокое
напряжение, приводящее к дрейфу носителей заряда в направлении
распространения волны со скоростью, превышающей скорость ультра-
звука, то носители будут передавать часть своей энергии акустической
волне, которая таким образом будет усиливаться. Получится распре-
деленный усилитель акустических сигналов или активная ультразву-
ковая линия задержки.
В зависимости от технологии получения перечисленные кристаллы
могут иметь гексагональную симметрию класса бтт или кубическую
класса 43т. В кубических кристаллах отличны от нуля только три
сдвиговых пьезомодуля, равные между собой (см. табл. 22.1):
/00040 0 \
0 0 0 0 du 0 . (22.20)
\0 0 0 0 0 duJ
Для получения чистой деформации типа растяжение — сжатие
применяют срез кристаллов под углом 45° ко всем его осям (перпен-
дикулярный диагонали куба). Действующий при этом пьезомодуль —
dJ4/V3.
Из пьезополупроводниковых материалов представляют интерес
также селениды (например, CdSe), арсенид галлия GaAs, антимонид
индия InSb и др. (см. гл. 14).
В пьезопреобразователях до последнего времени применялись крис-
таллы сегнетовой соли (45°Х-срез), дигидрофосфата аммония (ADP,
45°Z-cpe3), виннокислого калия, сульфата лития (гидростатический
пьезоэффект). Однако эти кристаллы водорастворимы, имеют недоста-
точную механическую прочность и нагревостойкость, в связи с чем
вытесняются более стойкими нерастворимыми кристаллами и керами-
кой.
В последнее время начали применять кристаллы германатов вис-
мута и свинца, а также йодаты лития (LiIO3) и калия (КЮ3). В элект-
ромеханических преобразователях особого типа, сохраняющих дефор-
мации, могут быть использованы сегнетоэластики.
Глава 23
ПИРОЭЛЕКТРИКИ
§ 23.1. Пироэлектрический эффект
Пироэлектрическим эффектом называют явление
поляризации диэлектрика при однородном по его объему нагреве или
охлаждении. Вещества с четко выраженным пироэлектрическим эффек-
том называют пироэлектриками.
241
Как следует из определения, при изменении температуры пироэлект-
рик поляризуется, т. е. на противоположных сторонах его возникают
разноименные заряды (рис. 23.1). Это возможно только в веществах,
обладающих спонтанной или остаточной поляризацией, когда имею-
щаяся поляризованность Р зависит от температуры Т. Благодаря элект-
Рис. 23.1. Пироэлектрический эф-
фект
ропроводности связанные поляриза-
ционные заряды обычно скомпенсиро-
ваны свободными зарядами противо-
положного знака (на рис. 23.1 свобод-
ные заряды обведены кружками), и
наличие поляризации не проявляется.
При нагреве или охлаждении значе-
ние Р изменяется (на рис. 23.1 умень-
шение Р условно изображено исчез-
новением нескольких диполей), и часть
свободных зарядов освобождается.
Эти освободившиеся свободные заря-
ды и обнаруживаются внешним инди-
катором как пироэлектрическая поляризация, являющаяся функцией
температуры — Р (Т). Кроме того, все пироэлектрики являются и
пьезоэлектриками, поэтому в них при изменении температуры за счет
температурного изменения размеров возникает пьезоэлектрическая
поляризация. Это так называемый вторичный пироэлектрический
эффект.
Для количественной характеристики пироэлектрических свойств
веществ вводят пироэлектрический коэффициент, или пирокоэффи-
циент р, равный отношению изменения поляризованности к вызвав-
шему его изменению температуры:
p = dPldT. (23.1)
Так как поляризованность Р — функция температуры Т и дефор-
мации х, которая в свою очередь зависит от Т, то
р — ~ — — 4- — • — — п14- рп (23 2)
Р dT дТ ' дх dT~P + Р '
Здесь р1 = дР/дТ характеризует истинный, или первичный, пиро-
эффект (т. е. изменение спонтанной поляризованности с изменением
температуры), а рп = = еа (где е = дР/дх — пьезоэлектриче-
ский коэффициент, а — температурный коэффициент линейного расши-
рения) — вторичный пироэффект, т. е. пьезоэлектрическую поляриза-
цию за счет температурного изменения размеров.
Величины р1 и р11 одного порядка, так что обычно наблюдается
суммарный пироэффект. Однако в механически зажатых кристаллах,
которые не могут колебаться при изменении температуры, вторичный
эффект не проявляется.
Пирокоэффициент является тензором первого ранга и имеет в общем
случае 3 компоненты. Однако направление одной из кристаллографи-
242
ческих осей обычно совпадает с направлением вектора Р и остается
отличной от нуля только одна компонента р, соответствующая этой оси.
Поэтому пирокоэффициент записывают без индексов.
Все пироэлектрики обладают и обратным электрокалорическим
эффектом, т. е. их температура изменяется при поляризации. Численно
электрокалорический эффект характеризуется тем же пирокоэффи-
циентом р = dS/dE (где S — энтропия).
Пироэлектрики применяют в детекторах оптических сигналов и в
тепловых датчиках.
Наряду с единичными элементами из пироэлектриков делают коор-
динатно-чувствительные детекторы и решетки для приема изображений.
§ 23.2. Пироэлектрические материалы
К пироэлектрическим материалам для детекторов предъявляют
следующие требования:
а) материал должен обладать максимальным пирокоэффициентом р,
определяющим чувствительность;
б) диэлектрическая проницаемость материала должна быть, как
правило, минимальной — как для повышения чувствительности (по
напряжению), так и для расширения рабочего диапазона частот;
в) материал должен обладать по возможности малой удельной
объемной теплоемкостью с' для получения больших изменений темпе-
ратуры при заданной поглощаемой мощности;
г) для повышения порога чувствительности диэлектрические по-
тери на частотах модуляции излучения должны быть низкими.
Качество пироэлектрического материала можно характеризовать
величиной р/(ес').
В качестве пироэлектрических материалов используют монокрис-
таллы полярных классов, а также поляризованную сегнетокерамику
и полимеры.
Из 32 классов кристаллов, объединенных в 7 систем (рис. В.1),
пироэлектрическими свойствами обладают только 10 полярных клас-
сов (см. табл. 22.1): классы 1 (триклинная система), 2 и т (моноклин-
ная), mm2 (ромбическая), 3 и Зт (тригональная), 4 и 4т (тетрагональ-
ная), а также 6 и 6т (гексагональная).
Одним из известных пироэлектриков является турмалин. Он отно-
сится к группе симметрии Зт\ пироэффект его проявляется в направ-
лении полярной оси 3 (ось Z). Пирокоэффициент относительно мал
(см. табл. 23.1), в связи с чем в технике турмалин практически не при-
меняют? Ряд кристаллов класса 2 (сульфат лития, виннокислый калий
и др.) обладают существенно большим пирокоэффициентом, однако
и они не получили широкого технического применения. В качестве
пироэлектрических материалов используют в основном сегнетоэлект-
рики.
Высокий пирокоэффициент сегнетоэлектриков связан с наличием
у них спонтанной поляризации, сильно зависящей от температуры и
исчезающей при температуре, равной (рис. 23.2). Температурную
243
зависимость спонтанной поляризованности можно представить в виде
(23.3)
(23.4)
Рис. 23.2. Температурные зависи-
мости спонтанной поляризованно-
сти Ps, диэлектрической проницае-
мости 8 и пирокоэффициента р для
кристаллов ТГС (/) и ТГСел (2)
PS = AV@-T,
где А — константа; 0 « Тк — см. гл. 21.
Отсюда пирокоэффициент
__dPs = А
Р dT 2 ‘
Величина р растет с приближением температуры к 7\, достигает
максимума, после чего падает до нуля (рис. 23.2). Так как е = С/(0 —
— Т), то р/ уТ = Д/(2С) для сегнетоэлектриков постоянна и не зави-
сит от температуры. Это отношение слабо зависит и от состава сегнето-
материалов (в пределах одного клас-
са).
Для придания сегнетоэлектрику
пироэлектрических свойств необходи-
ма его поляризация или монодомени-
зация (в образце, разбитом на доме-
ны, суммарная поляризованность, а
следовательно, и пирокоэффициент
равны нулю). Поляризацию осуществ-
ляют путем выдержки готового детек-
тора или выращенного кристалла под
постоянным напряжением при повы-
шенных температурах, чуть ниже Тк.
Для фиксации однодоменного состоя-
ния поляризованные кристаллы иног-
да подвергают облучению, вводят оп-
ределенные легирующие добавки или
используют пару электродов из раз-
личных металлов.
В низкочастотных детекторах при-
меняют кристаллы ТГС, легирован-
ные аланином или облученные, на которых получена максимальная
чувствительность детектора к изменению температуры (20 000 В/К).
Для понижения температуры максимума пирокоэффициента исполь-
зуют твердые растворы ТГС с триглицинселенатом, у которых Тк =
= 49 — 22,5° С.
Наиболее стабильными пироэлектрическими свойствами из сегне-
тоэлектриков обладают кристаллы LiNbO3 и LiTaO3. Ввиду высоких
Тк (1200 и 610° С) они не требуют специальных приемов закрепления
однодоменного состояния и могут работать при Т до 500° С. Хотя пиро-
коэффициент у этих кристаллов ниже, чем у ТГС (см. табл. 23.1 и
рис. 23.3), но ввиду очень малого tg б и высокого удельного сопротив-
ления они отличаются малым уровнем собственных шумов и поэтому
высоким пределом чувствительности на высоких частотах.
Максимальными пирокоэффициентами обладают сегнетоэлектрики
с Тк, близкой к комнатной температуре, такие как СБН [стронций-
244
барий-ниобат (см. табл. 23.1)1. Однако ввиду высокой е их чувстви-
тельность по напряжению невысока, а параметры нестабильны.
Таблица 23.1
Свойства некоторых пироэлектрических материалов
Пироэлектрик p, мкКл/(м2 • К) 8 МДжДм* • К) Р/(8-С'), 10-22 м/В
Турмалин Сульфат лития (LiSO4 • Н2О) Триглицинсульфат (ТГС) Титанат бария (BaTiO3) Ниобат лития (LiNbO3) Танталат лития (LiTaO3) (Sr0,73Ba0,27)Nb2Oe(CBH) Pb (Zro,53Tio.47) Оз (ЦТС) Pb (Zr0,e5Ti0.36) Оз+8о/0Еа (ЦТСЛ) . . Tl3AsSe3 4,4 100 360 700 51 176 2800 200 1760 2500 500 18 15 6,3 10 25 200 29 43 8200 1100 3980 35 20 5,0 10 тр ОО Г-Ю О СМ — Ю СО 1 1 1 —Гем —Too со со см см см—Г 1 I • 0,5 3,6 8,5 1,0 0,6 1,3 0,16 0,08 0,18 45 ^12 ^2 ^1
Pb3Ge2O7 . Поливинилфторид Поливинилиденфторид
Рис. 23.3. Температурная
зависимость пироэлектриче-
ского коэффициента монодо-
менного кристалла ниобата
лития
Особое значение имеют сегнетокерамические материалы, из которых
можно изготовить детекторы любых форм и размеров. Изменяя состав
керамических твердых растворов, легко получить любую заданную
точку Кюри и, следовательно, требуемое
сочетание р и е. Поляризацию керамики
осуществляют так же, как при придании ей
пьезоэлектрических свойств (§ 22.2). Пиро-
коэффициент керамики близок к его зна-
чению в монокристаллах того же состава.
Отношение рД/е у всех керамических сег-
нетоэлектриков одного порядка и состав-
ляет обычно 10 -ь 20 мкКл/(м2 *К). Так как
керамика стареет, ее параметры изменяют-
ся с течением времени.
В качестве керамических пироэлектри-
ков могут использоваться все типы пьезо-
керамики, рассмотренные в § 22.2. Наиболь-
шее применение из них находят материалы
системы ЦТС, которые могут работать при
температуре до 200° С. Введение в них добавок лантана позволяет
снизить Тк до комнатной температуры и получить очень высокие пиро-
коэффициенты (см. табл. 23.1).
Из полимерных материалов пироэффектом обладают поляризован-
ные пленки поливинилфторида и поливинилиденфторида. Чувстви-
тельность пленочных полимерных детекторов невысока (около 3 В/Вт).
Однако благодаря простоте изготовления, малой инерционности и не-
большой стоимости их можно применять, в частности, на высоких
частотах.
245
Глава 24
МАТЕРИАЛЫ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
§ 24.1. Принципы квантовой электроники
Диапазон рабочих частот в радиоэлектронике непрерывно расши-
ряется и в настоящее время достиг оптической области. Проникнове-
ние в субмиллиметровый, инфракрасный и видимый диапазоны электро-
магнитных колебаний связано с освоением принципиально новых мето-
дов генерации, усиления и преобразования сигналов. Эти методы бази-
руются на квантовых эффектах, в связи с чем соответствующую об-
ласть радиоэлектроники на-
зывают квантовой
электроникой.
В квантовой электронике
используют новые материалы,
требования к которым часто
значительно отличаются от
требований обычной электро-
и радиотехники.
Работа квантовых прибо-
ров для генерации и усиле-
ния электромагнитных волн—
мазеров (СВЧ-диапазон)
Рис. 24.1. Три типа квантовых переходов в
двухуровневой системе:
а — резонансное поглощение; б — спонтанное
излучение; в — стимулированное излучение
и лазеров (оптический диапазон) — основана на стимулирован-
ном (или вынужденном, индуцированном) излучении атомами или мо-
лекулами фотонов. На возможность индуцированного излучения на-
ряду со спонтанным (самопроизвольным) указал А. Эйнштейн в 1917 г.,
а первые приборы на основе индуцированного излучения были созда-
ны в 50-х годах в СССР — Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым, в
США — Ч. Таунсом.
Спонтанное излучение происходит при самопроизвольном переходе
возбужденного атома с более высокого энергетического уровня 2
на более низкий основной уровень 1 (рис. 24.1). При этом энергия атома
уменьшается на А1Г = W2 — W±, где и 1Г2 — энергии в состояниях
1 и 2. Разница в энергии излучается в виде кванта с частотой
/ = ДГ/Л, (24.1)
где h — постоянная Планка.
Поскольку спонтанные излучения различных атомов не связаны
друг с другом, то спонтанное излучение некогерентно. Оно характерно
для нагретых тел и люминофоров (см. § 24.7).
Стимулированное (индуцированное) излучение возбужденного атома
происходит под воздействием фотона, попавшего в атом извне, например
спонтанно излученного соседним атомом (рис. 24.1, в). При этом испус-
каются одновременно два фотона с одинаковыми частотами. Если тело
содержит много возбужденных атомов, то эти два фотона вынуждают
к излучению другие атомы, и суммарное излучение тела будет когерент-
246
ным. Когерентность является основной особенностью индуцированного
излучения.
В условиях теплового равновесия большинство частиц находится
на нижнем энергетическом уровне, а случайно возбуждаемые освобож-
даются от избытка энергии спонтанным излучением. Для работы лазера
или мазера необходимо создать обратную (инверсную) заселенность
энергетических уровней, т. е. добиться избыточной заселенности верх-
него уровня. Электромагнитная волна с частотой f = kW/h, прохо-
дящая через среду с обратной заселенностью уровней, стимулирует
переход частиц в основное состояние, и ее энергия увеличивается за счет
добавления квантов стимулированного излучения. На этом и основана
работа квантовых генераторов и усилителей.
Для мазеров и лазеров используются среды с двумя, тремя и более
энергетическими уровнями (рис. 24.2). Для работы наиболее простых
2----г
Ми
/----
hf
Рис. 24.2. Схема энергетических уровней квантовых генераторов:
ДИ7 — энергия накачки; hf — излучаемый квант (волнистой линией указаны безызлучатель-
ные переходы)
двухуровневых систем (рис. 24.2, а) необходимо разделение процессов
возбуждения (накачки) и излучения в пространстве или во времени.
В первых молекулярных генераторах на аммиаке для создания избы-
точной заселенности верхнего уровня применялась сортировка моле-
кул: из пучка молекул отбирались только находящиеся на верхнем
уровне, затем они пропускались через СВЧ-резонатор, где в результате
стимулированных переходов генерировались СВЧ-колебания. В другом
способе создания обратной заселенности двухуровневой системы в те-
чение определенного времени подают электромагнитное поле от внеш-
него источника с резонансной частотой f = AW/h. Такая «накачка»
системы энергией приводит к выравниванию числа частиц на уровнях 1
и 2. После выключения внешнего поля «накачки» на верхнем уровне
будет избыточное число частиц по сравнению с равновесным, и система
окажется подготовленной к стимулированному излучению.
Недостаток двухуровневой системы в нестабильности ее возбужден-
ного состояния. За время, равное времени релаксации, система спонтан-
но переходит в основное состояние. Поэтому важным требованием к ма-
териалам является большое время релаксации, достаточное для пере-
хода от режима накачки к излучению. Двухуровневые системы ис-
пользуют в мазерах, работающих при гелиевых температурах, где время
релаксации велико, в молекулярных и атомных генераторах стандар-
247
тов частоты, в полупроводниковых и газовых лазерах с накачкой элект-
рическим током.
Мазеры и лазеры непрерывного действия основаны на трехуровне-
вых системах (рис. 24,2, б, г). После накачки квантами с энергией АН?
уравнивают заселенность уровней 1 и 3. При этом заселенность уровня
3 оказывается выше, чем уровня 2. Если проходит фотон с энергией hf,
равной разнице энергий уровней 3 и 2, то более вероятно индуциро-
вание перехода 3 -> 2 с излучением, чем поглощение фотона. Далее
система спонтанно переходит с уровня 2 на 1 — это так называемый
холостой переход. Время релаксации холостого перехода должно быть
малым, чтобы уровень 2 был постоянно свободен. Такую картину энер-
гетических состояний получают путем выбора соответствующего ма-
териала.
Для снижения уровня накачки, необходимого для возбуждения
системы, применяют четырехуровневые системы, представленные на
рис. 24.2, в, д.
Если в СВЧ-диапазоне накачка осуществляется от гармонического
генератора с необходимой частотой, то в оптическом диапазоне для
накачки используют лампы с широкой областью спектра излучения.
В этом случае в системах с узкими линиями поглощения типа изобра-
женных на рис. 24.2, б, в использовалась бы лишь малая часть спектра
лампы. Для более полного использования излучения лампы накачки
в лазерах широко применяют системы с размытым верхним уровнем
(см. рис. 24.2, г, д). Возбужденные частицы постепенно переходят из
размытого уровня 3 в метастабильное состояние 2, откуда возвращаются
в основное состояние 1 (непосредственно или через незаселенный
уровень 4) путем индуцированного излучения кванта hf.
В приборах квантовой электроники используется широкий класс
активных материалов — твердых, жидких, газообразных.
§ 24.2. Активные материалы для мазеров
Мазеры обычно используют как сверхнизкошумящие усилители
СВЧ-диапазона. Они работают при температурах жидкого или твердого
гелия (1 -т- 4,2 К). Для мазеров подбирают материалы с системой уров-
ней, представленной на рис. 24.2, б, в. Накачка осуществляется с час-
тотой /н = \Wfh, усиливаемый сигнал имеет меньшую частоту /,
соответствующую обратному переходу 3 -> 2. Указанная система
энергетических уровней реализуется в парамагнитных ионах переход-
ных или редкоземельных элементов (Cr3+, Fe3+, Gd3+ и др.), находящихся
в постоянном магнитном поле. Для уменьшения взаимодействия между
ионами и связанного с ним искажения энергетических уровней пара-
магнитные ионы вводят в кристаллическую основу в малых концентра-
циях.
Наибольшее применение в мазерах нашел кристалл а-корунда
(А12О3), легированного хромом (рубин) или железом. Применяют также
кристаллы рутила (TiO2), активированные хромом или железом, бе-
рилла (Be3Al2Si6O18), вольфрамата цинка (ZnWO4), кобальт-цианида
калия [K2Co(CN6)] с Сг, этилсульфата лантана [La (C2H5SO4)3 *9Н2О]
с Gd или Се и др.
248
§ 24.3. Материалы для твердотельных лазеров
Трех- или четырехуровневые квантовые системы, необходимые для
работы лазера (см. рис. 24.2), создают легированием определенных ве-
ществ (основы) активаторами, обладающими заданной картиной энер-
гетических уровней.
Атом активатора в кристаллической решетке основы должен иметь
метастабильный уровень 2 (см. рис. 24.2) с большим временем жизни
и узкой линией излучения, а также широкую полосу или большое число
линий поглощения уровня 3 с частотой, несколько большей частоты
излучения. Большинство возбужденных атомов должно безызлуча-
тельно переходить с уровня 3 на метастабильный уровень 2, а не на
основной уровень 1. Наконец, атом активатора не должен иметь ника-
ких линий поглощения в пределах спектра лампы накачки, кроме не-
обходимых для возбуждения. Этим требованиям в значительной мере
удовлетворяют некоторые переходные металлы, редкоземельные ме-
таллы и актиноиды. Малая ширина их спектральных линий объясняется
тем, что у них существуют электронные переходы между незаполнен-
ными внутренними электронными оболочками 3d, 4f, 5f, заэкраниро-
ванными от внешних воздействий. В качестве активаторов используют
ионы Сг3+ (длина волны излучения X « 0,7 мкм), Nd3+(X = 1,06 мкм),
U3+ (X ж 2,5 мкм) и др.
Для получения широких линий поглощения, лежащих над излу-
чающим уровнем, иногда наряду с активатором в основу вводят сен-
сибилизаторы, отдающие поглощенные кванты активатору (переход
3-^2 на рис. 24.2, г, д). Значительно расширяя спектр поглощения
энергии накачки, сенсибилизаторы снижают пороговый уровень воз-
буждения лазера и повышают интенсивность когерентного излучения.
В качестве сенсибилизаторов применяют те же ионы, что и в качестве
активаторов. Например, в системе гранат с Nd3+ эффективным сенси-
билизатором является ион Сг3+, а в стекле с Nd3+ ион Се3+. Сенсибили-
заторами могут быть иногда и ионы основы.
Материал основы лазера должен быть прозрачным как на частотах
возбуждения, так и на частоте генерации. Он должен быть оптически
однородным, иметь высокую твердость, допуская тщательную поли-
ровку, обладать высокой теплопроводностью. Материал должен давать
возможность изготовлять образцы размерами не менее 5 см.
В твердотельных лазерах применяют высокотемпературные моно-
кристаллы окислов элементов II, III, IV групп (ZnO, А12О, ТЮ2,
SiO2 и др.), вольфраматы, молибдаты, ниобаты и другие кислородные
соединения, монокристаллы фторидов элементов II, III и VII групп
(CaF2, BaF2, LaF3, MnF2), а также стекла на основе кислородных соеди-
нений или фторидов. Наибольшее применение из монокристаллов на-
шли рубин, гранат и флюорит. Из стекла могут быть получены стержни
значительно больших размеров (1 м и более), что позволяет получить
и большие мощности лазеров. Стекло является не только наиболее опти-
чески однородным, но и самым дешевым лазерным материалом. Однако
из-за разницы положений активных ионов в аморфной среде получается
большая ширина спектра излучения. Промежуточное положение между
249
монокристаллами и стеклами занимают ситаллы, которые также при-
меняют в качестве основы для лазеров.
Свойства некоторых лазерных материалов приведены в табл. 24.1.
Таблица 24.1
Активные диэлектрики для лазеров
Основа Активатор Длина волны излучения, мкм Порог воз- буждения, Вт
Рубин А12034-0,05% Сг2О3 Сг3+ 0,7 850
Гранат Y3A15O12 NJ3+ 1,06 730
Флюорит CaF2 (J34- 2,61 250
Вольфрамат кальция CaWO4 Nd3+ 1,06 1200
Фторид марганца MnF2 Ni2+ 1,93 —
Стекло Na2O • В2О3 • 2SiO2 Nd3+ 1,06 —
Примечание. Два последних материала используют для работы только в импульс-
ном режиме, поэтому порог возбуждения по мощности не приведен.
§ 24.4. Полупроводниковые лазеры и светодиоды
Излучение фотонов в полупроводниках происходит при рекомби-
нации носителей заряда (электронов и дырок). Частота излучения /и ~
~ kWIh, где А1Г — ширина запрещенной зоны.
Для возбуждения полупроводников используют методы: оптический
(облучение лазерным лучом), электронный (облучение электронным
пучком) и инжекционный.
Наибольший практический интерес представляют лазеры с инжек-
ционным возбуждением, имеющие малые габариты и потребляющие
малые мощности. Эти лазеры представляют собой полупроводниковый
диод, заключенный в оптический резонатор. При подаче на р-п-пере-
ход прямого напряжения электроны проводимости из n-области пере-
мещаются в p-область, а дырки, наоборот, из р- в n-область. В районе
р-п-перехода они рекомбинируют с выделением квантов электромаг-
нитного излучения. Таким образом, происходит прямое преобразо-
вание энергии электрического тока в световую с большим к. п. д.
Возбуждение когерентного излучения начинается с некоторого поро-
гового тока. В большинстве материалов пороговый ток велик, и работа
лазеров возможна лишь в импульсном режиме или при охлаждении.
Светодиоды не содержат оптического резонатора и генерируют неко-
герентное излучение. Они не имеют порогового тока возбуждения и
поэтому позволяют использовать более широкий круг полупроводни-
ковых материалов, чем лазеры.
Для получения оптического излучения разных частот необходим
набор материалов с разной шириной запрещенной зоны. Наибольшее
применение нашли соединения типаАшВу, AnBVI и их твердые рас-
творы (табл. 24.2). Арсенид галлия дает красное свечение (Х=0,9 мкм).
Фосфид галлия может генерировать зеленый (0,7 мкм), красный
250
Таблица 24.2
Материалы полупроводниковых лазеров и светодиодов
Материал Длина волны излучения, мкм Метод возбуждения
GaAs 0,90 Инжекционный, электронный,
оптический
InSb 5,3 »
InAs 3,1 »
GaSb 1,6 Инжекционный, электронный
GaP 0,7; 0,9 инжекционный *
GavALvAs 0,90—0,73
InAs^Pi.^ 0,97—3,15
ZnS 0,33 Электронный, инжекционный
CdS 0,49 Электронный, оптический
CdTe 0,8 Электронный, инжекционный
ZnO 0,38 Электронный
SiC 0,6 Инжекционный *
CdSvSex_x 0,49—0,69 Электронный
PbJSn^Te 6,5—28 Инжекционный, оптический
PbxSnx_xSe 8,5—16,5 Инжекционный
♦ Только некогерентное излучение.
(0,9 мкм) и белый свет (смесь излучений). В твердых растворах типа
Ga^Al^As имеется возможность изменять частоту излучения путем
изменения соотношения компонентов (х).
§ 24.5. Материалы для жидкостных лазеров
Лазерные кристаллы и стекла, изготовляемые при высокой темпе-
ратуре, даже при самой совершенной технологии содержат «заморо-
женные» дефекты структуры, снижающие
степень их оптического совершенства. От
таких дефектов свободны жидкости. Если
в твердотельных лазерах большой мощно-
сти рабочее тело стремится расколоться
при вспышке, то в жидкостных этого не про-
исходит. И, наконец, стоимость твердотель-
ных лазеров растет с увеличением их раз-
меров и мощности, а максимальные раз-
меры монокристаллов ограничены, тогда
как в жидкостных лазерах такие ограни-
чения отсутствуют. Все это определяет
преимущества использования жидкостей в
качестве активных сред очень мощных и
недорогих лазеров.
Как и в твердых телах, необходимая си-
стема энергетических уровней в жидкости
обычно достигается за счет активации пере-
Рис. 24.3. Структура моле-
кулы хелата:
— фенильная группа СвН6;
R2 — метильная группа СН3 в
бен зоила цетонатной молекуле
или CFS в бензоилтрехфтори-
стоадетонатной
ходными или редкоземельными ионами, имеющими переходы между не-
заполненными внутренними электронными оболочками, экранированны-
251
Рис. 24.4. Образование ком-
плекса вокруг иона в поляр-
ном растворителе
ми от внешних воздействий и обеспечивающими остроту спектральных
линий. Однако тепловое движение молекул жидкости оказывает слиш-
ком сильное воздействие на такие переходы, и поглощенная ими энер-
гия накачки переходит в тепло раньше, чем будет испущена в виде
стимулированного излучения. Поэтому принимаются специальные
меры по экранировке ионов активатора.
Один из путей экранировки активатора — помещение иона внутрь
молекулы хелата, имеющей вид клетки (рис. 24.3). Парамагнитный ион
(например, европия) находится в молекуле хелата в окружении 6—
9 атомов кислорода и других атомов и за-
щищен ими от ударов при тепловом движе-
нии. В жидкостных лазерах резкоземель-
ные хелаты используют со специально по-
добранным растворителем, уменьшающим
поглощение накачки.
Второй путь экранировки ионов акти-
ватора — окружение их оболочкой из по-
лярных молекул растворителя (рис. 24.4).
К положительному иону переходного или
редкоземельного элемента диполи раство-
рителя притягиваются отрицательными кон-
цами, образуется комплекс из иона и моле-
кул растворителя, совершающий тепловое
движение как единое целое. Для уменьше-
ния тепловых потерь энергии возбужден-
ных ионов в качестве растворителей применяют полярные жидкости,
не содержащие легких атомов, в частности водорода. Наиболее подхо-
дящим растворителем является оксихлорид селена SeOCl2 с добав-
кой в качестве активатора окиси неодима или хлористого неодима. Ра-
створ дает мощное излучение в ИК-диапазоне с длиной волны
1,055 мкм.
В лазерах для исследовательских целей применяют растворы неко-
торых органических красителей (родамин, кумарин и др.), набор кото-
рых позволяет получать излучение с длиной волны 0,35—1,1 мкм. Ла-
зеры на красителях производят и с перестраиваемой частотой излу-
чения, что дает возможность использовать их в спектроскопии.
Использование полимеров в качестве растворителя позволяет после
полимеризации превратить жидкостный лазер в твердотельный.
§ 24.6. Газовые лазеры
Наибольшим оптическим совершенством обладают газовые актив-
ные среды. Молекулы газа значительно слабее взаимодействуют друг
с другом, чем в жидкостях или твердых телах и поэтому обладают наи-
более узкими спектральными линиями. Именно газовые мазеры и ла-
зеры используют для наиболее прецизионных измерений, например,
в эталонах длины и времени. Преимуществом газовых лазеров также
является их электрическая накачка — ток, протекающий через газ
при его пробое, переводит молекулы в возбужденное состояние, а затем
252
происходит переход в основное состояние, сопровождающийся из-
лучением кванта. Возможна также оптическая и химическая на-
качка.
В маломощных лазерах с высокой монохроматичностью излучения
используют газы с низкой электрической прочностью. Необходимая
система энергетических уровней (см. рис. 24.2) обычно достигается
в смеси газов. Так, гелий-неоновая смесь, возбуждаемая электрическим
разрядом, излучает красный свет с длиной волны 0,63 мкм или инфра-
красный (1,153 мкм). Применяются смеси гелия с парами кадмия, се-
лена и др.
При работе мощных лазеров ИК-диапазона используют колебатель-
ные и вращательные переходы молекулярных газов. Для технологи-
ческих целей (резка, сварка и т. п.) производят лазеры на углекислом
газе СО2, непрерывная мощность излучения которых на длине волны
10,6 мкм достигает 1000 Вт и выше при высоком к. п. д. (10—30%).
Используются также молекулы аммиака, воды и других газов.
Химические квантовые генераторы (например, в реакции Н +
+ F -> HF + hf) позволяют осуществлять прямое преобразование
химической энергии в энергию когерентного излучения, без промежу-
точных электрических источников питания.
§ 24.7. Люминофоры
Люминесценция — не когерентное электромагнитное излу-
чение тела сверх его теплового излучения, имеющее длительность,
значительно превышающую период колебаний (см. гл. 12). Люминес-
ценция возникает в результате предварительного возбуждения ато-
мов от внешнего источника с последующим их переходом в стабильное
состояние, сопровождающимся излучением квантов света. В зависимо-
сти от источника возбуждения различают фотолюминесценцию (источ-
ник — свет), радиолюминесценцию (радиоактивное излучение), като-
долюминесценцию (электронный пучок), электролюминесценцию
(электрическое поле), хемилюминесценцию (химические реакции)
и т. д.
Явление люминесценции было известно еще в глубокой древности
(свечение гниющей древесины, светлячки, северное сияние) и нахо-
дило практическое применение (в древней Помпее посредине мостовой
вкладывались светящиеся минералы, чтобы дорога была видна ночью).
В настоящее время люминесценцию применяют в электронно-лучевых
трубках осциллографов и кинескопах телевизоров, лампах дневного
света, светящихся красках, приборах с цифровой индикацией и т. д.
Светодиоды также относят к люминесцентным приборам.
Люминесцирующие вещества называют люминофорами. По типу
люминесценции их подразделяют на фотолюминофоры, катодолюмино-
форы, электролюминофоры и т. д.
Люминесценция связана с переходами в многоуровневых кванто-
вых системах, подобных квантовым генераторам (см. рис. 24.2). Погло-
щая от источника возбуждения энергию Д№, атом переходит в возбуж-
253
денное состояние 3, откуда безызлучательно переходит на метастабиль-
ный уровень 2 с потерей части энергии А на тепло. Излучение возни-
кает при переходе 2—> Энергия излучаемого кванта
hf = bW-A
(24.2)
меньше, чем поглощаемая. Излучение происходит в течение длитель-
ного времени после выключения источника возбуждения, постепенно
ослабевая по мере истощения запаса метастабильных атомов, находя-
щихся на уровне 2.
В качестве люминофоров обычно применяют полупроводники с боль-
шой шириной запрещенной зоны AUZ: сульфиды (ZnS, CaS, SrS),
оксиды щелочноземельных металлов (ZnO, СаО) и некоторые оксид-
ные соединения (CaWO4, Zn2SiO4). Для соз-
дания уровней 2 (ловушек) (см. рис. 24.2),
на которых возможно длительное пребыва-
ние электрона в возбужденном состоянии,
полупроводники легируют металлами (Ag,
Си, Аи, Мп, Со) и их комбинациями. Полу-
чаемая картина энергетических уровней
представлена на рис. 24.5.
Работа полупроводникового люминофо-
ра происходит следующим образом. Внеш-
ний источник, сообщая атому энергию
W > A U/, переводит электрон из валент-
ной зоны в зону проводимости (/), откуда
Рис. 24.5. Принцип работы
полупроводникового люмино-
фора
часть электронов переходит на уровень ловушки (2), где может нахо-
диться длительное время. Далее возможна рекомбинация — воссоеди-
нение захваченного электрона с дыркой (3) — или возвращение элект-
рона под действием теплового движения в зону проводимости (4)
с переходом (5) в валентную зону. Переходы 3 и 5 сопровождаются
излучением кванта света hf. В некоторых полупроводниках люминес-
ценция обусловлена межпримесной рекомбинацией — переходом элект-
рона от донора к акцептору. В электролюминофорах излучение проис-
ходит в результате рекомбинации носителей заряда при инжекции
электронов из п- в р-область.
Для экранов электронно-лучевых трубок применяют катодолюмино-
форы ZnS — Ag (синее свечение), (Zn, Cd) S — Ag (желтое), CaWO4
(голубое), Zn2SiO4 — Мп (зеленое), ZnS — Си (сине-зеленое) и др.
Ярким послесвечением в желто-зеленой области обладает ZnS, легиро-
ванный Си и Со; этот фотолюминофор применяют в светящихся красках.
Люминофоры постоянного действия изготовляют путем добавок неболь-
шого количества радиоактивных веществ (трития, урана) к ZnS-Ag,
Au, Мп.
В светящихся экранах, переключаемых напряжением, приме-
няют электролюминофоры на основе ZnS, (Zn, Cd) S, Zn (S, Se). В со-
став люминофора кроме указанных полупроводников входит прозрач-
ное связующее — лак, смола или стекло.
254
Глава 25
ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ И НЕЛИНЕЙНООПТИЧЕСКИЕ
МАТЕРИАЛЫ
§ 25.1. Электрооптический эффект
Электрооптическим эффектом называют измене-
ние комплексной диэлектрической проницаемости в оптическом диа-
пазоне под действием электрического поля. Это явление используется
для модуляции света и управления световым лучом. Материалы, пред-
назначенные для использования их электрооптического эффекта, на-
зывают электрооптическими.
Электрооптический эффект может быть обусловлен изменением дей-
ствительной составляющей диэлектрической проницаемости (или по-
казателя преломления п — ]Ле), мнимой составляющей (коэффициента
затухания света) или рассеянием света
при воздействии внешнего электрического
поля.
Описывают электрооптический эффект
зависимостью от напряженности внешнего
поля Е не самой диэлектрической прони-
цаемости в оптическом диапазоне, а обрат-
ной ей величины а — 1/8, называемой поля-
ризационной константой,
В центросимметричных кристаллах и в
изотропных средах (например, жидкостях)
значение 8 не зависит от знака приложен-
ного напряжения, и функция е (Е) четная
(рис. 25.1, кривая 1). Изменение 8, каки
поляризационной константы а, в первом приближении пропорциональ-
но квадрату напряженности поля:
ba = RE*.
Рис. 25.1. Диэлектрическая
нелинейность в центросим-
метричных (/) и нецентросим-
метричных (2) кристаллах
(25.1)
Это так называемый квадратичный электрооптический эффект или
эффект Керра (R — электрооптический коэффициент Керра).
В нецентросимметричных кристаллах и текстурах зависимость
е от Е может быть линейной (рис. 25.1, кривая 2). В этом случае изме-
нения компонент поляризационных констант at (i = 1, 2, ..., 6) прямо
пропорциональны компонентам напряженности поля:
Да, = rikEk (25.2)
(при k = 1, 2, 3).
Это — линейный электрооптический эффект. Коэффициент про-
порциональности rik в уравнении (25.2) называют электрооптическим
коэффициентом. Поскольку а, как и 8, является тензором второго
ранга, а Е — вектором, то г — тензор третьего ранга. Матрица ком-
понентов тензора rik для кристаллов различной симметрии совпадает
с матрицей пьезомодулей dik (см. табл, 22.1).
255
Линейный электрооптический эффект существует только в веще-
ствах, которые обладают пьезоэффектом. При подаче электрического
напряжения в таких веществах возникают механические напряжения
или деформации, которые приводят к изменению поляризационных
констант вследствие упругооптического эффекта. Таким образом, на-
ряду с прямым воздействием электрического поля на показатель пре-
ломления имеется и косвенное — через механическое напряжение
или деформацию. Непрямые изменения показателя преломления в ре-
зультате воздействия электрического поля называют вторичным (или
ложным) электрооптическим эффектом.
Электрооптический коэффициент складывается из коэффициентов
первичного и вторичного эффектов:
+ (25.3)
причем г\[ сравним по величине с r\k. На высоких частотах, когда
элемент не успевает деформироваться вслед за изменениями электри-
ческого поля, наблюдается только первичный
электрооптический эффект.
Изменение показателя преломления при
подаче напряжения связано со смещением
ионов и деформацией электронных оболочек,
т. е. с поляризацией диэлектрика. Поэтому
электрооптический эффект часто описывают
зависимостью поляризационных констант от
поляризованности Р:
\ai = mikPk. (25.4)
Учитывая, что Р = 80 (е — 1)Е, выраже-
ние (25.4) можно представить аналогично
(25.2): Да = /П8О (8 — 1)Е. Отсюда
зависимость электроопти- = 8 щи (blk — 1). (25.5)
ческого коэффициента г63
для кристаллов KDP и Коэффициенты mik имеют примерно один и
d^dp Тот же порядок величины для разных нецент-
росимметричных кристаллов и слабо зависят
от воздействия различных факторов. Разница в электрооптических
коэффициентах rik диэлектриков в значительной мере обусловлена
неодинаковыми диэлектрическими проницаемостями. У сегнетоэлект-
риков, где значение 8 обычно на два порядка выше, чем у обычных
диэлектриков, коэффициенты riti максимальны. Зависимость от темпе-
ратуры электрооптических коэффициентов rik сегнетоэлектриков также
обусловлена главным образом зависимостью 8 от температуры.
На рис.25.2 представлены кривые, характеризующие изменение коэффи-
циентов гб3 сегнетоэлектрических кристаллов дигидрофосфата калия
КН2РО (KDP) и его дейтерированного аналога KD2PO4 (DKDP)
в параэлектрической фазе. В зависимости от температуры г63, как
и 833, подчиняется закону Кюри—Вейсса [см. уравнение (21.1)] и в точке
Кюри (123 К для KDP и 213 К для DKDP) достигает очень больших
значений, что является прямым следствием аномалии 833.
256
Для технической характеристики качества электрооптических ма-
териалов часто вводят еще один параметр — полуволновое напряжение
необходимое для создания в кристалле разности хода Л/2, где
X — длина волны проходящего света. Чем ниже U^, тем меньшие
напряжения необходимы для модуляции света данным кристаллом,
и тем больший интерес он представляет для электрооптики. Напря-
жение t/%/2 связано с электрооптическим коэффициентом г. Согласно
выражению (25.2)
гЕ = &а = 1/п2 (£) — 1/п2 (0) 2Дп/п3,
откуда изменение показателя преломления в электрическом поле
разность хода лучей при
Дп = n (Е) — п (0) = п3гЕ12.
наличии электрического поля
го при длине кристалла I
6 = I &п.
Оптическая
и без не-
(25.6)
Если вектор напряженности поля Е
ориентирован вдоль направления рас-
пространения света, то El= U (где U —
приложенное напряжение). Приравнивая
6 к Х/2, получим
Uk/2 = ^/(n3r).
(25.7)
ние. 25.3. Полуволновое напря-
жение электрооптических кри-
сталлов в видимой области
спектра
Значение U^2 зависит от длины вол-
ны и обычно составляет единицы и десят-
ки киловольт (рис. 25.3). Для снижения
управляющего напряжения поле при-
кладывают перпендикулярно направле-
нию распространения света, увеличивая длину и уменьшая попереч-
ные размеры электрооптического элемента.
Квадратичный электрооптический эффект, ярко выраженный в ку-
бических параэлектриках типа КТН (см. § 21.4), может быть превра-
щен в линейный подачей постоянного смещающего поля Е_(см. рис. 25.1).
Для меньшего переменного управляющего поля (Е~<^Е_) зави-
симость 8 и а от Е~ будет линейной. Полагая в формуле (25.1)
Е = Е~ + Е_, получим
ba = R (Е_ + Е^)2 \а. + 2RE_E~,
ъткуж индуцированный постоянным полем линейный электрооптиче-
ский коэффициент
г = 2/?Е_. (25.8)
§ 25.2. Электрооптические кристаллы
К материалам модуляторов лазерного излучения предъявляют
следующие требования: 1) область прозрачности кристалла должна
включать в себя заданный диапазон рабочих частот, а оптическое
затухание на рабочей частоте должно быть малым; 2) материал должен
обладать высоким электрооптическим коэффициентом г и малым управ-
9 п/р. Тареева
257
ляющим напряжением L\/2; 3) удельное сопротивление р должно
быть высоким, a tgS на частотах модуляции низким; 4) материал дол-
жен быть устойчив к действию лазерного излучения и факторов окру-
жающей среды, хорошо обрабатываться.
Таблица 25.1
Параметры электрооптических кристаллов при 20 °C и А, = 0,546 мкм
Наименование кристалла Состав Область прозрач- ности, мкм Показате- ли прелом- ления rik* пм/В ик/2, кВ
По пе
KDP КН2РО4 0,2—1,35 1,51 1,47 'бЗ =—И, '41=8,6 10
ADP NH4H2PO4 0,2—1,4 1,52 1,48 'вз =—8, '41 = 21 11
DKDP kd2po4 0,2—1,6 1,51 1,47 'вз =—24, '41 = 8,8 3,5
Ниобат лития LiNbOg 0,4—4,5 2,35 2,25 ЬЭ СО IIII 'зз = 81, '42 = 30 3
Танталат лития LiTaOg 0,3—6,0 2,216 2,22 оо" — II II 1 « « 1 'зз = 86, г42 = 20 2,5
Титанат бария BaTiO3 0,4—4,5 2,35 2,42 'is = 8, г42= 1640 'зз = 28, 0,5
БАНАН Ba2NaNb50ig 0,4—5 2,26 2,37 '13 = 18, '23 = 14 'зз = 65, 1,5
СБН $Г0,75^30,25Nb20e 0,4—4,5 2,31 2.37 /*13 = 67, г42 = 42 'зз = 1840 0,1
Кварц SiO2 0,15—2,5 1,54 1,55 'п = 0,2 '41 = 0,47 33
Хлористая медь CuCl 0,4—20 1,996 — '11 = 6,1 6
Сфалерит ZnS 0,4—12 2,37 — '41 = 2 12
Теллурид кадмия CdTe 2—28 2,65 '41 =6,8 53*
♦ При Л = 10,6 мкм.
В табл. 25.1 приведены параметры некоторых электрооптических
кристаллов. Промышленное применение нашли лишь четыре из них:
дигидрофосфат (KDP) и дидейтерофосфат калия (DKDP), ниобат и
танталат лития.
Первые два (KDP и DKDP) выращиваются из растворов, достигая
больших размеров и высокого оптического качества. Они стойки к ла-
зерному излучению, позволяя без повреждения пропускать и модули-
ровать световые потоки плотностью свыше 3*1012 Вт/м2. Однако эле-
менты этих мягких водорастворимых кристаллов требуют специальных
мер защиты при эксплуатации, Рабочие напряжения модуляторов из
DKDP ниже, чем из KDP, но DKDP дороже.
Выращиваемые из расплавов кристаллы ниобата и танталата лития
по сравнению с KDP и DKDP более устойчивы к воздействиям внеш-
ней среды при эксплуатации, требуют меньших управляющих напря-
жений. Однако размеры получаемых кристаллов меньше и они опти-
чески менее однородны, что ограничивает рабочие апертуры устройств.
Ниобат и танталат лития, как и другие кристаллы кислородно-окта-
эдрического типа, непрозрачны в ультрафиолетовой области и нестойки
25а
к лазерному излучению — их оптическая однородность нарушается
при плотности светового потока менее 1010 Вт/м2.
Наряду с перечисленными сегнетоэлектрическими кристаллами
в электрооптике используют некоторые кубические кристаллы типа
CdTe, CuCl, ZnS. Хотя электрооптические коэффициенты их ниже,
чем у сегнетоэлектриков, но ввиду более низкой диэлектрической
проницаемости они применимы в модуляторах СВЧ-диапазона. Кроме
того, кубические кристаллы изотропны, что позволяет использовать
их в модуляторах с большой апертурой. Например, CdTe применяют
для модуляции излучения лазеров на СО2 (% = 10,6 мкм) ввиду про-
зрачности в широкой ИК-области спектра. В ультрафиолетовой об-
ласти можно использовать кварц.
§ 25.3. Электрооптическая керамика
В последнее время в качестве электрооптического материала на-
чали применять оптически прозрачную сегнетокерамику. Обычная
керамика непрозрачна. Однако при определенной технологии (на-
пример, горячее прессование) мож-
но получить составы очень плотные,
беспористые и прозрачные, как
стекло. Так изготовляют сегнето-
керамику, которая обладает элек-
трооптическими свойствами.
Наибольший интерес для элек-
трооптики представляет оптически
прозрачная сегнетокерамика си-
стемы ЦТСЛ — Pb (Zr/ri!-*) О3 +
+ yLa2O3. Фазовая диаграмма си-
стемы твердых растворов ЦТС рас-
смотрена в § 22.2. Точка Кюри соста-
вов ЦТС превышает 200° С, однако
при введении лантана понижается
Рис. 25.4. Фазовая диаграмма систе-
мы ЦТСЛ при комнатной температуре:
СЭ — сегнетоэлектрическая; АСЭ — анти-
сегнетоэлектрическая; ПЭ — пара электри-
ческая фаза
до комнатной температуры и ниже.
При комнатной температуре в системе ЦТСЛ имеется в зависимости
от состава четыре фазы (рис. 25.4), разделенные областью размытого
фазового перехода (заштрихована на рисунке). К чистому цирконату
свинца примыкает антисегнетоэлектрическая фаза. С ней граничит
ромбоэдрическая сегнетоэлектрическая фаза (вплоть до 48 мол. %
РЬТЮ3 при отсутствии лантана). К титанату свинца примыкает тетра-
гональная сегнетоэлектрическая фаза, а при больших содержаниях
La (> 11 ат. %) материалы находятся в кубической параэлектриче-
ской фазе. В разных областях составов системы ЦТСЛ могут быть
использованы различные электрооптические эффекты.
В области I сегнетотвердых составов тетрагональной фазы, выде-
ленной пунктиром на рис. 25.4, используется линейный электроопти-
ческий эффект. Керамику предварительно поляризуют. Показатель
преломления керамики п = 2,5, область прозрачности 0,4 — 4 мкм.
Хотя затухание света в керамике больше, чем в монокристаллах, но
9*
259
ввиду большего электрооптического коэффициента (г =110 пм/В)
используют элементы меньшей толщины, и величина суммарного за-
тухания в них оказывается того же порядка, что и в монокристалли-
ческих оптических элементах.
Составы области II, лежащей в параэлектрической фазе вблизи
точки Кюри, обладают ярко выраженным квадратичным электроопти-
ческим эффектом.
Сегнетоэлектрические материалы ЦТСЛ области III, находящейся
вблизи морфотропной фазовой границы между ромбоэдрической и
тетрагональной фазами, обладают низкой коэрцитивной силой и прямо-
угольной петлей гистерезиса и поэтому применимы в электрооптиче-
ских запоминающих устройствах. Электрооптический эффект памяти
состоит в том, что изменения показателя преломления, вызванные
приложением электрического поля, сохраняются и после снятия
поля, так как сохраняется остаточная поляризация.
Наряду с изложенным, в сегнетокерамике существует особый
электрооптический эффект — электрически управляемое рассеяние
света. Если керамика поляризована параллельно направлению рас-
пространения света, то свет проходит через нее, почти не рассеиваясь.
Однако, если ее переполяризовать в перпендикулярном направлении
(или располяризовать), то свет интенсивно рассеивается доменной
структурой и почти не проходит в прямом направлении. Области
керамики, поляризованные перпендикулярно лучу, в отраженном
свете видны как светлые, что используется для считывания хранимой
информации. Возможна и запись информации светом, для чего пластин-
ку из сегнетокерамики покрывают тонким слоем фотополупроводника.
§ 25.4. Жидкие кристаллы
Особый класс электрооптических материалов представляют жидкие
кристаллы. Жидкокристаллическое состояние вещества было открыто
в 1888 г., но применять жидкие кристаллы начали лишь в последние
годы.
Жидкие кристаллы — это вещества, которые находятся
в промежуточном состоянии между твердым кристаллом и жидкостью
и обладают свойствами, характерными как для кристаллов (анизо-
тропия), так и для жидкостей (текучесть). Жидкокристаллическое со-
стояние существует лишь в определенном интервале температур
между твердокристаллическим и изотропным жидким. При пониже-
нии температуры жидкий кристалл переходит в твердый (точка плав-
ления), а при повышении — в изотропную жидкость. Жидкокристал-
лическую фазу иногда называют мезофазой, т. е. промежуточной фа-
зой, а жидкокристаллическое состояние вещества — мезоморфным.
Жидкие кристаллы образуются органическими соединениями, мо-
лекулы которых обычно имеют удлиненную, палочкообразную форму.
Многие из них содержат бензольные кольца в молекулярной цепи.
Например, молекула р-метоксибензилинен — р'-п-бутиланилина
(МББА), интервал температур мезофазы которого составляет 22—48° С,
260
имеет вид
СН3—О—СН—N / С4Н9
По структуре жидкие кристаллы подразделяют на три класса: не-
матические, смектические и холестерические.
В нематических кристаллах удлиненные молекулы выстроены в виде
нитей, как показано на рис. 25.5, а (слово «немое» по-гречески озна-
чает нить). Направление преимущественной ориентации молекул
является оптической осью кристалла.
а)
II III 1111
I НН III
III II Hill
Рис. 25.5. Структура жидких кристаллов:
а — нематических; б — смектических; в — холестерических
В смектических жидких кристаллах параллельно ориентированные
молекулы упакованы в слои (рис. 25.5, б) и таким образом имеют
большую степень упорядочения. Если одно и то же вещество может
находиться в обеих жидкокристаллических модификациях, то смекти-
ческая фаза расположена по температуре ближе к твердой фазе, чем
нематическая. Например, в n-гептилоксибензойной кислоте происхо-
дят следующие фазовые превращения с повышением температуры:
смектическии нематическии
92°С. ЖИДКИЙ 98° С ЖИДКИЙ 146° С И9О5Р°”НД
кристалл----- кри*талл ------- кристалл --------- жидкость
Слоистая упаковка молекул создает анизотропию не только опти-
ческих, но и механических свойств, поскольку слои легко смещаются
относительно друг друга. Слово «смектос» по-гречески — мыло; к этим
кристаллам относятся мыльные растворы.
В холестерических жидких кристаллах пластинчатые молекулы
также укладываются в слои, но ориентировка их плавно меняется
от слоя к слою, так как молекулы выстраиваются по пространственной
спирали (рис. 25.5, в). К этому классу относятся в основном соедине-
ния холестерина.
Ориентационный порядок в расположении молекул приводит
к анизотропии свойств жидких кристаллов: показатель преломления,
диэлектрическая и магнитная проницаемости, удельное сопротивле-
261
ние, вязкость и другие параметры в направлении, параллельном
молекулярным осям, и в перпендикулярной плоскости неодинаковы
(рис. 25.6).
Свойства жидких кристаллов сходны со свойствами сегнето-
электриков. Как и сегнетоэлектрики, жидкие кристаллы разбиты на
домены — области с одинаковыми направлениями осей молекул.
В переменном электрическом поле для некоторых из них характерны
петли гистерезиса с ярко выраженным насыщением. В точках фазо-
вого перехода диэлектрическая проницаемость е имеет максимум, ис-
чезающий с повышением частоты, как у дипольных сегнетоэлектриков.
Однако время переориентации диполей в жидких кристаллах велико
по сравнению с сегнетоэлектриками, и петли гистерезиса и максимум е
Рис. 25.6. Температурная зави-
симость показателей преломле-
ния параазоксианизола в на-
правлении параллельном (п0) и
перпендикулярном (пе) молеку-
лярным осям
наблюдаются лишь на очень низких ча-
стотах (< 1 Гц).
Структура жидких кристаллов очень
подвижна и легко изменяется при внеш-
них воздействиях: электрического и маг-
нитного поля, температуры, давления и
т. д. Изменение структуры в свою оче-
редь приводит к изменениям оптических,
электрических и других свойств. Поэто-
му можно управлять свойствами жид-
ких кристаллов путем очень слабых
внешних воздействий, т. е. использовать
их в качестве чувствительных индикато-
ров этих воздействий. На практике ис-
пользуют изменение оптических свойств
при внешних воздействиях электриче-
ским полем в нематических кристал-
лах и тепловым — в холестерических.
Жидкие кристаллы нематического
типа применяют благодаря присущему
им электрооптическому эффекту динамического рассеяния. Слабое
электрическое поле, приложенное к жидкому кристаллу, вызы-
вает выстраивание молекул осями с высокой е параллельно полю.
Однако, если напряжение превысит некоторое пороговое значение,
устойчивая доменная структура разрушается, возникает ячеистая
структура, сопровождающаяся появлением гидродинамических тече-
ний. При дальнейшем увеличении напряжения течение в жидкости
становится турбулентным, а вещество оптически неоднородным.
Жидкий кристалл в таком неупорядоченном состоянии рассеивает
свет во всех направлениях. Эффект динамического рассеяния приводит
к изменению прозрачности жидкого кристалла под действием электри-
ческого поля. Поле может быть как постоянным, так и перемен-
ным с низкой частотой (до 102 4- 104 Гц в зависимости от материала).
Время установления состояния динамического рассеяния составляет
1 4- 10 мс, а исчезновения после снятия напряжения — 20—200 мс.
Быстродействие индивидуальных жидкокристаллических соединений
выше, чем смесей; оно повышается с увеличением напряжения.
262
Жидкокристаллическая ячейка, основанная на эффекте динами-
ческого рассеяния, состоит из двух стеклянных пластинок с нанесен-
ными на их внутренние стороны прозрачными электродами, между
которыми расположен тонкий слой (обычно 5—50 мкм) жидкого кри-
сталла. При подаче напряжения больше порогового (обычно доста-
точно 8—50 В) молекулы жидкости в пространстве между электро-
дами начинают вращаться и рассеивать падающий свет. Под прозрач-
ным электродом виден яркий рисунок по форме электрода. Нанося
прозрачные электроды в виде цифр, букв и других знаков, получают
возможность высвечивать эти знаки в отраженном или проходящем
свете.
Жидкие кристаллы имеют довольно высокое удельное сопротивле-
ние (10е -* 1$ Ом «м — неочищенные и 108 * — 1010 Ом *м — тщательно
очищенные). Поэтому мощность, потребляемая на питание ячейки,
не превышает 1 Вт/м2. Для сравнения укажем, что индикатор на свето-
диодах потребляет 105 Вт/м2, а газоразрядный и люминофорный —
103 Вт/м2. Жидкокристаллические индикаторы — не только самые
простые и дешевые, но и самые экономичные; их применение особенно
перспективно в малогабаритных устройствах с питанием от батареек —
наручных часах, карманных ЭВМ и т. п.
Таблица 25.2
Жидкокристаллические материалы нематического типа
Вещество Температура перехода, °C
твердый кристалл — мезофаза мезофаза — изотропная жидкость
р-метоксибензилиден-р'-и-бутиланилин (МББА) . . 21 46
р-этоксибензилиден-р-п-бутиланилин, Ci9H23NO (ЭББА) 35 79
Эвтектическая смесь МББА и ЭББА —16 55
Анизилиден-р-аминофенил ацетат, С1бН15НО3 (АРАРА) 81 ПО
Анизилиден-р-аминофенилбутират, C18H19NO3 . . . 4-бутил-4'-метокси N, О, N-азоксибензол, C17H20N2O2 (Н-18) 53 113
16 76
4-ЭТИЛ-4'-метокси N, О, N-азоксибензол, C15H16NaO2 (Н-19) 37 80
Эвтектическая смесь 66,7% Н-18 и 33,3% Н-19 . . —5 73
4,4'-азоксианизол, C14H14N2O3 116 135
4,4,-азоксифенетол, C16H18N2O3 135 165
Эвтектическая смесь азоксианизола и азоксифене- тола <=с96 ^>143
4-капроилокси-4/-этоксифенилбензоат, С21Н24О5 . . . 64 103
4-капроилокси-4'-бутоксифенилбензоат 58 87
Смесь 50% МББА и 50% 4-и-алкоксибензилиден- 4'-п-алкиланилина —36 72
В качестве нематических жидкокристаллических материалов при-
меняют органические соединения — азометины, эфиры, кислоты
(табл. 25.2). Интервал существования мезоморфной фазы в индивиду-
263
альных соединениях 10—20 К, что недостаточно для их использова-
ния в реальных климатических условиях. На практике применяют
смеси двух или более жидкокристаллических соединений. Интервал
мезоморфной фазы смесей может достигать 50—100 К и охватывать
рабочие температуры —40 +60° С. Наибольший интервал темпера-
тур жидкокристаллического состояния получается в эвтектической
точке смеси, температура плавления в которой минимальна (рис. 25.7).
Для получения цветных изображений в жидкие кристаллы вводят
красители, обладающие длинными палочкообразными молекулами.
Молекулы красителя ориентируются молекулами жидкого кристалла
перпендикулярно электродам ячейки и оказываются невидимыми.
Рис. 25.7. Фазовая диаграмма бинарной смеси
двух нематических соединений:
При подаче напряжения, когда начинается турбулентное течение
в жидкости, молекулы красителя, увлекаемые жидкостью, повора-
чиваются и рассеивают свет определенного цвета.
Холестерические жидкие кристаллы используют благодаря при-
сущему им свойству изменять окраску. Из-за интерференции на вит-
ках спирали молекул (см. рис. 25.5, в) освещенный белым светом кри-
сталл кажется окрашенным. При изменении внешних условий, на-
пример температуры, расстояние между витками спирали изменяется,
что ведет к изменению окраски. Это позволяет изготовлять простей-
шие чувствительные индикаторы температуры для медицины (например,
для индикации участков тела с повышенной температурой), электро-
ники (контроль перегрева отдельных узлов и деталей) и других обла-
стей науки и техники. В качестве материалов для таких термометров
применяют производные холестерина и их смеси. Промышленностью
выпускаются композиции, дающие цветовые переходы в интервале
температур 3—5 К с рабочими температурами 23 — 41° С.
§ 25.5. Нелинейнооптические материалы
Если в электрооптических материалах используется зависимость
показателя преломления от напряженности внешнего электрического
поля, то работа нелинейнооптических материалов основана на зави-
симости показателя преломления от напряженности электрического
поля самой световой волны. Нелинейные оптические материалы при-
264
меняют для генерации гармоник лазерного излучения, параметриче-
ского усиления, смешения и преобразования частот оптических сиг-
налов.
Центросимметричные кристаллы и изотропные среды, в которых
зависимость е от Е симметрична и не зависит от знака Е (см. рис. 25.1),
могут генерировать лишь нечетные гармоники начиная с третьей,
тогда как нецентросимметричные — четные начиная со второй. Так
как амплитуда генерируемых гармоник быстро убывает с ростом их
номера, то практический интерес для нелинейной оптики представляют
в основном нецентросимметричные кристаллы тех же классов, которые
используются в электрооптике.
Мощность второй гармоники, генерируемой при прохождении по
кристаллу электромагнитного поля с угловой частотой со,
= (25.9)
где Xijk — коэффициент, характеризующий способность материала
генерировать вторую оптическую гармонику и называемый нелиней-
ным оптическим коэффициентом; Ef и Ek— составляющие амплитуды
электрического поля волны частотой со по /-й и k-н осям; индекс i
показывает ориентацию электрического поля волны гармоники 2ю.
Нелинейный оптический коэффициент является тензором третьего
ранга, как и пьезомодуль, но симметричен по всем трем индексам:
Xijk = Xkij = Xjki. В общем случае он содержит 10 независимых
компонент, которые обычно записывают с двумя индексами, пользуясь
правилами свертки (Xik, где i = 1, 2, 3; k = 1, 2, ..., 6).
В отличие от большинства радиотехнических систем оптические
по существу всегда являются системами бегущей волны. В случае
генерации гармоник в кристалле распространяются две волны —
основная (о и гармоника, например, 2со. Генерация гармоники осуще-
ствляется каждой точкой кристалла, которую проходит волна со.
Чтобы волна 2со, генерируемая различными точками кристалла, скла-
дывалась по мере распространения волны со, должно выполняться
условие синхронизма: фазовые скорости волн должны
совпадать. Так как скорость и® = с/п®, у2® = с/п2®, условие синхро-
низма означает равенство показателей преломления и®, п2® на основ-
ной частоте и гармонике. Ввиду дисперсии показатель преломления
зависит от частоты, и для изотропной среды условие синхронизма не
выполняется (для нормальной дисперсии п2® > п®). Однако в анизо-
тропной среде показатель преломления необыкновенного луча пе
зависит от направления распространения (показатель п0 обыкновен-
ного луча, для которого вектор Е перпендикулярен оптической оси,
не зависит от направления распространения). Используя зависимость
от угла 6 луча относительно оптической оси кристалла Z (рис. 25.8),
можно добиться условия и® = п2®, т. е. синхронизма. Следовательно,
наиболее эффективная генерация гармоник будет при распростране-
нии света под углом 0 к оптической оси, определенным точкой пере-
сечения поверхностей показателей преломления и® и п*®. Это направ-
ление распространения называют направлением синхронизма.
265
Рис. 25.8. Угловая зависимость пока-
зателей преломления обыкновенного
(по) и необыкновенного (пе) лучей для
света двух угловых частот — со и 2со
При подаче света точно в направлении синхронизма интенсивность
второй гармоники будет расти пропорционально квадрату длины
кристалла, т. е. будет осуществляться когерентное перекачивание
энергии из основной волны в волну
гармоники. При отсутствии погло-
щения возможна полная перекачка
энергии, т. е. 100%-ный коэффи-
циент преобразования. Если имеет-
ся некоторая разница в п® и п2®,
то когерентная перекачка осущест-
вляется лишь до так называемой
когерентной длины
= 4(п®—п2®) ’ (25.10)
При длине кристалла, большей
/к, будет наблюдаться периодиче-
ское изменение выхода гармоники.
Таким образом, основными тре-
бованиями к нелинейнооптическим
материалам являются высокий нелинейный оптический коэффициент
Xik и выполнение условия синхронизма. Кроме того, материал должен
быть прозрачным как на частоте со, так и на 2<о, быть стойким к мощ-
ному лазерному излучению и другим воздействиям, хорошо обрабаты-
ваться. Параметры некоторых нелинейнооптических кристаллов при-
ведены в табл. 25.3.
Т а б л и ц а 25.3
Параметры некоторых нелинейнооптических материалов на длине волны 1,06 мкм
(за единицу Xik взято значение Хзв кристалла KDP)
Кристалл Xife/X36 KDP Угол синхронизма
KDP X3e=l,00; X14=0,86 40°
ADP X3e=l,0; XM = 0,89 42°
LiNbO3 X22 = 6,3; X31 = ll; X33 = 83 90°
Ba2NaNb5O15 X33 = 23; X31=19; X32 = 34 90°
LiIO3 X33=10 30°
CdHg (SCN)4 X31=12,7 35°
Для преобразования НК-излучения (обычно с X = 1,06 мкм) в ви-
димое применяют сегнетоэлектрические кристаллы LiNbO3, KNbO3,
Li IO3, KDP, сегнетоэластик (точка фазового перехода 250° С) БАНАН
(Ba2NaNb5O15), тетрароданид кадмия-ртути [CdHg (SCN)4] и др.
Для получения ультрафиолетового излучения могут быть использо-
ваны кристаллы группы KDP и кварц. В некоторых кристаллах
(LiNbO3, КТН и др.) при воздействии мощного лазерного излучения
возникают нежелательные флуктуации показателя преломления, де-
266
лающие невозможным их использование для получения мощных гар-
моник оптического излучения. Для получения больших мощностей
применимы кристаллы БАНАН, KDP, LiIO3, CdHg (SCN)4.
Глава 26
ЭЛЕКТРЕТЫ
§ 26.1. Основные понятия об электретах
Электретом называют твердый диэлектрик, длительно созда-
ющий в окружающем пространстве электростатическое поле в отсут-
ствие внешних источников за счет предварительной электризации или
поляризации.
Электреты являются электрическими аналогами постоянных маг-
нитов. Поле электрета индуцируется зарядами предварительно создан-
ной остаточной поляризации или электризации.
В пироэлектриках и поляризованных сегнетоэлектриках также
имеется остаточная поляризация, однако ее заряды обычно компен-
сированы натекающими свободными зарядами, в результате чего
внешнее поле равно нулю. В электретах остаточная поляризация
компенсирована не полностью или перекомпенсирована свободными
зарядами, а напряженность внешнего поля не равна нулю и может
быть очень высокой — до пробивной напряженности окружающей
среды.
Янтарь, натертый о сукно, притягивает легкие предметы. Это яв-
ление было описано древнегреческим философом Фалесом Милетским
еще в VI в. до н. э. Понятие о диэлектриках, сохраняющих остаточную
поляризацию подобно намагниченности постоянных магнитов, вве-
дено М. Фарадеем в 1838 г., а само слово «электрет» — О. Хевисай-
дом в 1896 г. Первые электреты при приложении электрического
поля получены японским физиком М. Егути в 1919 г. В 1957 г. совет-
скими физиками А. Н. Губкиным и Г. И. Сканави обнаружен элект-
ретный эффект в керамических материалах —CaTiO3, MgTiO3, SrTiO3
и др. Однако массовое применение электретов началось после откры-
тия и исследования в 60-х годах электретного эффекта в полимерах,
таких как политетрафторэтилен, полиэтилентерефталат, поликарбо-
нат (см. гл. 20).
Электреты классифицируют прежде всего по способу формирова-
ния зарядов.
Термоэлектреты получают при воздействии на нагретый
диэлектрик электрического поля с последующим охлаждением в этом
поле. Нагрев обычно производят до температуры плавления или раз-
мягчения для восков и смол, или до температуры стеклования для
полимерсв, когда, с одной стороны, резко облегчается ориентация
полярных молекул под действием поля, а с другой — растет электри-
ческая проводимость, что способствует ускорению процесса электри-
зации и накопления объемных зарядов (ток абсорбции). После охлаж-
дения диэлектрика в электрическом поле подвижность полярных
267
молекул или свободных зарядов резко уменьшается, и диэлектрик
может длительно сохранять сформированную остаточную поляриза-
цию и заряды.
Фотоэлектреты получают воздействием света на диэлект-
рик, помещенный в электрическое поле. Под действием света в ди-
электрике возникает фотопроводимость. Освобождаемые светом носи-
тели зарядов смещаются внешним электрическим полем и некоторые
из них застревают на ловушках. После выключения света носители
разноименных зарядов оказываются «замороженными» у противопо-
ложных сторон диэлектрика, который становится электретом
(рис. 26.1, б). Таким образом, если в термоэлектретах перераспреде-
ление зарядов стимулируется повышенной температурой, то в фото-
электретах — освещением.
@ 0@ Qj
00000]
, У f .
©
? ? 9
в)
\Г////Л7///М

W
ф J ® Аэ

Рис. 26.1. Виды электретов:
а — термоэлектрет с остаточной поляризацией; б — фотоэлектрет; в — электроэлектрет;
г — радиоэлектрет; д — трибоэлектрет
Радиоэлектреты получают воздействием на диэлектрик
радиоактивного излучения (ускоренных заряженных частиц). При из-
лучении ускоренные заряженные частицы (электроны, ионы) либо
выбивают электроны из поверхностного слоя, либо, наоборот, внед-
ряются в поверхностный слой диэлектрика и создают в нем дополни-
тельные дефекты; поверхность диэлектрика оказывается заряженной
(рис. 26.1, г).
Электроэлектреты получают путем воздействия на ди-
электрик только электрического поля, без нагрева или облучения, но
физический процесс электризации фактически сводится к рассмотрен-
ным. В зазоре между электродом и диэлектриком в сильном поле обра-
зуется газовый разряд; ионы газа, ускоренные полем, бомбардируют
поверхность диэлектрика, создавая дефекты и стабильные заряды
в поверхностном слое (рис. 26.1, в). Процесс получения электроэлект-
рета протекает лучше при пониженном давлении газа (1—10 Па)
в коронном разряде. Такие электроэлектреты иногда называют короно-
электретами.
Трибоэлектреты получают контактной электризацией,
трением двух диэлектриков. При тесном соприкосновении двух раз-
личных тел часть зарядов (электронов) одного из них, с меньшей
работой выхода, переходит на другой. Трение также нарушает нейтра-
268
лизацию поверхностного заряда диэлектрика ионами воздуха. В ре-
зультате при разделении контактирующих материалов их поверхности
оказываются заряженными. Стабильные трибоэлектреты получают,
например, при натирании сухим мехом политетрафторэтилена.
Электреты можно получить также за счет механического напряже-
ния или деформации диэлектрика (механоэлектреты) и других воз-
действий.
Как видно из рис. 26.1, кроме электретов с разноименными заря-
дами на противоположных сторонах существуют электреты, имеющие
во всем объеме заряд одного знака (радио-, трибоэлектреты). Их на-
зывают моноэлектретами. В случае магнетизма монопольные
магниты невозможны. Поэтому аналогами постоянных магнитов яв-
ляются лишь дипольные (биполярные)
электреты. Моноэлектреты нестабильны из-
за быстрой компенсации заряда зарядами
окружающей среды и со временем обычно
переходят в биполярные электреты, так как
на противоположной стороне диэлектрика
оседают компенсирующие заряды другого
знака.
Знак заряда электрета может совпадать
со знаком формирующего напряжения на
прилегающем электроде, а может быть про-
тивоположен ему. Заряд первого типа на-
зывают гомозарядом, а второго — гетеро-
зарядом. Гомозаряды образуются инжек-
цией заряженных частиц в диэлектрик
верхностной плотности заря-
да от времени для электре-
извне, как это происходит в электро- или тов с инжектированными за-
радиоэлектретах. Гетерозаряд формирует- рядами^^и^с остаточной П°"
ся за счет смещения к противоположным яри ци и ' ’ '
сторонам собственных зарядов диэлектри-
ка — связанных или свободных. Это происходит в случае наличия у
диэлектрика дипольной или миграционной поляризации (термоэлек-
треты), а также накопления носителей заряда на ловушках в при-
электродных слоях диэлектрика — так называемой приэлектродной
поляризации (некоторые электро- и фотоэлектреты). Гетерозаряд мо-
жет быть получен и путем облучения диэлектрика заряженными
частицами большой энергии (> 10 кэВ), проходящими через всю
толщину диэлектрика и застревающими у его противоположной сто-
роны (на передней стороне со временем оседают компенсирующие за-
ряды другого знака).
С течением времени заряд электрета изменяется (рис. 26.2). Это
связано с разрушением остаточной поляризации, освобождением
носителей заряда, захваченных ловушками, нейтрализацией объем-
ных зарядов за счет электропроводности диэлектрика. Стабильная
составляющая заряда электрета связана с носителями, закрепленными
на наиболее глубоких ловушках, и наблюдается в материалах с очень
высоким удельным сопротивлением, где постоянная времени разряда
т = е08 р составляет многие годы.
269
§ 26.2. Электретные материалы
Как указывалось, образец электрета, создающий вокруг себя
электрическое поле, подобен постоянному магниту, создающему маг-
нитное поле. Поэтому во многих областях применения электреты кон-
курируют с магнитными материалами.
Фотоэлектреты применяют для световой записи информации на
диэлектрическую пленку (подобно записи на магнитную пленку).
Световое изображение проектируется на диэлектрик, помещенный
в постоянное электрическое поле, при этом освещенные места электри-
зуются, а затемненные остаются незаряженными. Напылением заря-
-а,
f I I ft I I I
+ + +++ + +
I I I I I I

I ____________________________________________________
Рис. 26.3. Электрет в плоском кон-
денсаторе
женного порошка скрытое элект-
ростатическое изображение можно
сделать видимым. На этом основа-
на ксерография (т. е. сухая фото-
графия). Трибоэлектретный эффект
(заряд трением) используется в
электростатических генераторах вы-
сокого напряжения. Основные же
применения электретов — в микро-
фонах, датчиках давлений, вибра-
ций, ускорений.
Обычно электрет в отличие от
магнита имеет вид тонкой пластинки
или пленки с разноименными зарядами одинаковой поверхностной
плотности а на противоположных сторонах. Такая пластинка не со-
здает электрического поля (если не учитывать краевой эффект). Однако
если ее поместить между обкладками плоского конденсатора, как по-
казано на рис. 26.3, то напряженность поля Е в воздушном зазоре
толщиной h не равна нулю:
Е==~ (26.1)
где d — толщина электрета.
Поскольку во всех областях применения электретов полезный эф-
фект дает внешнее поле, напряженность которого пропорциональна а,
то основным параметром электретных материалов является поверх-
ностная плотность заряда о. Значение о зависит от времени (см.
рис. 26.2), изменяясь в первые часы и сутки после изготовления элект-
рета. На практике важно не начальное, а установившееся значение
о — стабилизированный заряд. Однако и после стабилизации плот-
ность заряда о продолжает медленно снижаться.
Временем жизни электрета называют время, в течение которого
значение стабилизированного заряда уменьшается в е раз (е 2,72 —
основание натуральных логарифмов). Время стабилизации составляет
обычно несколько суток, а время жизни для хороших электретов —
сотни лет.
В качестве электретных материалов могут быть использованы все
диэлектрики как органические, так и неорганические, при соответ-
ствующем методе электретирования, Однако долгоживущие электреты
270
получаются лишь из некоторых диэлектриков с высоким удельным
сопротивлением. Поверхностная плотность стабилизированного за-
ряда для них равна 10'5 — 10“4 Кл/м2 (табл. 26.1).
Таблица 26.1
Электретные материалы
Материал 8 р, ОМ’М а, мкКл/м»
Смесь карнаубский воск —канифоль — пчелиный воск 3 1015 6—20
Полиметилметакрилат 4 1012 30—80
Полиэтилентерефталат 3 101* 30
Поликарбонат 3 10i4 50
Политетрафторэтилен 2 1018 80
Керамика MgTiO3 15 юн 60
Керамика CaTiO3 150 ЮН 804-250
В первых электретных перобразователях использовались воски,
смолы и их смеси. Это полярные диэлектрики с температурой плавле-
ния 85—90° С. Электретирование производилось помещением рас-
плавленной смеси в сильное электрическое поле и охлаждением до
затвердевания в этом поле. После выключения поля сохраняется оста-
точная поляризация и соответствующий гетерозаряд (рис. 26.1, а).
Однако со временем к поляризационным зарядам оР натекают компен-
сирующие свободные заряды ос противоположного знака, в результате
чего суммарный заряд о = оР + ос уменьшается и может изменить,
свой знак, став гомозарядом (кривая 2 на рис. 26.2).
Аналогично ведет себя заряд электретов из полярных полимеров —
полиметилметакрилата, поливинилхлорида, полиэтилентерефталата,
получаемых термополяризацией при температуре стеклования (120 ч-
ч- 135° С). При определенных условиях получения стабильным в этих
полимерах может остаться гетерозаряд (кривая 3 на рис. 26.2).
В неполярных диэлектриках электретный эффект связан с гомо-
зарядом, обусловленным инжекцией заряженных частиц (электронов,
ионов) со стороны электродов. Этот заряд частично спадает со време-
нем, не меняя знака (кривая 1 на рис. 26.2). Снижение о во время
стабилизации обусловлено освобождением зарядов с мелких ловушек.
Для получения долгоживущих электретов заряжаемый диэлектрик
нагревают до температуры 100—200° С, при которой образуются глу-
бокие заряженные ловушки.
Наибольшее применение из неполярных диэлектриков нашли поли-
тетрафторэтилен и полимеры на его основе. В преобразователях ис-
пользуют полимерные пленки толщиной 3—20 мкм, металлизирован-
ные с одной стороны. Электреты получают обычно электронной бом-
бардировкой пленки в вакууме. Зарядка наблюдается при энергиях
электронов свыше 1,5 кэВ. Оптимальная энергия, при которой элект-
роны внедряются на глубину около 1 мкм, составляет 3—6 кэВ. Ско-
рость зарядки прямо пропорциональна плотности тока в электронном:
271
пучке. Максимальная плотность заряда определяется отражением
электронов от сильно заряженного диэлектрика и пробоем.
Ряд керамических материалов и стекол также может использо-
ваться как электреты (см. табл. 26.1). Электризацию их осуществляют
путем помещения на несколько часов в сильное электрическое поле
(»2 МВ/м) при температуре 150—200° С. Ток абсорбции и миграцион-
ная поляризация создают суммарный гомозаряд. Максимальная плот-
ность заряда получена в керамике титаната кальция. Однако ввиду
высокой диэлектрической проницаемости (150) напряженность внеш-
него поля электретов из CaTiO3 не выше, чем из полимерных диэлектри-
ков (см. формулу 26.1), а ввиду больших d («1 мм) их &/d такое же,
как у полимерных пленок.
В условиях повышенной влажности наиболее стабильны электреты
из политетрафторэтилена, а при низких температурах — из поликар-
боната.
ЧАСТЬ ПЯТАЯ
МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Глава 27
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ТЕОРИИ МАГНЕТИЗМА
И КЛАССИФИКАЦИЯ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
§ 27.1. Основные типы магнитного состояния вещества
Все вещества в природе являются
магнетиками, т. е. они обладают определенными магнитными свой-
ствами и определенным образом взаимодействуют с внешним магнит-
ным полем. Магнитные свойства вещества зависят от магнитных свойств
изолированных элементарных частиц, структуры атомов и молекул,
а также их групп.
Изучение магнитных свойств микрочастиц показывает, что в основ-
ном магнитные свойства атома определяются магнитными свойствами
электронов. Магнетизм других частиц относительно мал. Так, магнит-
ный момент атомного ядра приблизительно в тысячу раз меньше маг-
нитного момента электронной оболочки атома. Магнитный момент
электрона возникает вследствие движения электрона по орбите (орби-
тальный момент) и наличия у него спина (спиновый
момент).
В соответствии с современными представлениями о магнетизме
различают следующие основные типы магнитного состояния вещества:
диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагне-
тизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм
(нескомпенсированный антиферромагнетизм).
Вещества, в которых проявляются эти явления, соответственно назы-
вают: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферро-
магнетики и ферримагнетики.
Феноменологически эти группы различаются по величине (и знаку)
магнитной восприимчивости (ku = М/Н, где М — намагниченность;
10 П/p Гареева
273
Н — напряженность магнитного поля), а также характером зависи-
мости kw от температуры и напряженности внешнего магнитного поля.
У диамагнетиков — 10"5 и в большинстве случаев
не зависит от температуры и напряженности поля. Внешне диамагне-
тики отличаются тем, что они выталкиваются из неоднородного маг-
нитного поля.
У парамагнетиков при комнатной температуре kK ~
« 1СГ2 -т- 10"5. Для большинства парамагнетиков имеет место значи-
тельная зависимость kw от температуры, подчиняющаяся закону
Кюри или закону Кюри—Вейсса; однако для некоторых парамагне-
тиков (например, для щелочных металлов) £м от температуры не за-
висит, а для некоторых имеет место аномальная зависимость. От на-
пряженности поля при обычных температурах парамагнитная воспри-
имчивость зависит слабо, но при температурах, близких к О К, пара-
магнетики можно привести в состояние магнитного насыщения. Внешне
парамагнетики отличаются тем, что втягиваются в неоднородное маг-
нитное поле.
Ферромагнетики обладают большими положительными
значениями kM (до сотен тысяч и миллионов) и сложной нелинейной
зависимостью йм от температуры и внешнего поля, т. е. характерной
особенностью ферромагнетиков является способность сильно намагни-
чиваться даже при обычных температурах в слабых полях. Вторая
их особенность состоит в том, что выше определенной температуры,
называемой точкой Кюри ферромагнитное состояние переходит
в парамагнитное.
Для антиферромагнетиков kM ~ 10-3 -ь 10"5 и отли-
чается специфичной температурной зависимостью. По мере повышения
температуры, начиная от О К, kM растет, достигает максимума при
температуре, называемой точкой Нееля Тн, и далее начинает падать,
подчиняясь на этом участке закону Кюри—Вейсса.
Свойства ферримагнетиков во многом подобны свойствам
ферромагнетиков, однако они обладают и рядом особенностей.
Диа-пара- и антиферромагнетики можно объединить в группу
слабомагнитных веществ, а ферро- и ферримагнетики в — группу
сильномагнитных. Наибольший интерес с точки зрения технических
применений представляют сильномагнитные вещества, поэтому рас-
смотрим природу только этих веществ.
§ 27.2. Ферро- и ферримагнетики
К «классическим» ферромагнетикам относятся железо, никель,
кобальт, их соединения и сплавы. Ферромагнетиками также являются
некоторые редкоземельные металлы (РЗМ): гадолиний, тербий, дис-
прозий, гольмий, эрбий и тулий, но в них (за исключением гадолиния)
в определенном температурном интервале наблюдается и антиферро-
магнетизм. Ферромагнитны также некоторые сплавы и соединения
марганца, серебра и алюминия.
Ферромагнетики относятся к переходным элементам, у которых,
как известно, нарушен нормальный порядок заполнения электронных
274
оболочек, в результате чего атомы имеют внутренние незаполненные
(недостроенные) оболочки. Для элементов группы железа незапол-
ненным является З^-слой, для большинства РЗМ незаполнен 4/-слой.
Наличие незаполненных оболочек приводит к тому, что атомы этих
элементов обладают нескомпенсированным магнитным моментом (для
полностью заполненных оболочек результирующий магнитный момент
равен нулю). Относительное значение орбитальных и спиновых мо-
ментов электронов для ферромагнетиков группы железа и РЗМ раз-
лично.
В ферромагнетиках группы железа орбитальный момент в значи-
тельной степени «заморожен» электрическим полем кристаллической
решетки и основную роль в создании магнитного момента атома играет
спиновый магнитный момент, который в дальнейшем для крат-
кости будем называть «спин». Спин равен магнетону Бора рв —
= 9,27 -10"24 А -м2. В первом приближении магнитный момент атома
элементов группы железа определяется алгебраической суммой спинов
электронов незаполненной оболочки *. Так, например, в незаполнен-
ном Sd-слое железа имеется 6 электронов; спины пяти из них направ-
лены параллельно друг другу, а одного — антипараллельно. Следо-
вательно, результирующий магнитный момент атома железа равен
4рв • Для ферромагнетиков группы РЗМ ролью орбитального момента
в создании магнитного момента атома пренебречь нельзя. Поэтому рас-
суждения, приведенные с понятием «спин», для них неприемлемы.
Рассмотрим природу ферромагнетиков группы железа. Для объяс-
нения их свойств (в первую очередь легкости намагничивания и на-
личия точки Кюри) приведем основные положения теории магнетизма.
1. Для ферромагнетиков даже в отсутствие внешнего поля энерге-
тически выгодным является параллельное расположение спинов со-
седних атомов. Такое состояние называют атомным ферромагнитным
порядком. Следовательно, уже в отсутствие внешнего поля ферромаг-
нетик находится в состоянии спонтанного (самопроизвольного) намаг-
ничивания, которому соответствует намагниченность технического
насыщения Ms. Эта намагниченность зависит от температуры, возра-
стая по мере ее уменьшения и достигая истинной намагниченности
насыщения Мо при температуре О К. При температуре Т> 7\ ферро-
магнитный атомный порядок разрушается и, как уже отмечалось,
вещество переходит в парамагнитное состояние.
Для возникновения атомного магнитного порядка тепловой энер-
гии разупорядочения должна противодействовать энергия упорядо-
чения. Вейсс предполагал, что эта энергия имеет магнитную природу.
Однако расчеты и опыты Я. Г. Дорфмана показали, что доля магнитной
энергии в образовании спонтанного намагничивания составляет всего
около 0,1% от требуемой. Природу этой энергии установили на основе
квантовомеханических представлений Я. И. Френкель и независимо
от него В. Гейзенберг. Причиной образования атомного ферромагнит -
ного порядка является наличие в ферромагнетиках электростатической
* Спины могут быть ориентированы относительно друг друга параллельно или
антипараллельно.
10*
275
энергии взаимодействия между микрочастицами, не имеющей аналога
в классической физике. Поскольку эта энергия была выявлена в про-
цессе решения задачи об энергетическом состоянии ферромагнетика
путем использования математической операции обмена электронами
между соседними атомами, она получила название обменной энергии А.
Состоянию А > 0 ( и достаточно большому по величине) соответствует
параллельное расположение спинов, а состоянию А < 0 — антипарал-
лельное. Наилучшим образом условию Л О удовлетворяют Fe, Ni,
Со и Gd *. Вопросы, связанные с существованием, условиями возник-
новения, количественными оценками атомного магнитного порядка,
являются главными в науке об атомном магнетизме.
2. Вторым основным положением является существование в ферро-
магнетиках домённой структуры. Предположение об этом возникло
в связи с необходимостью объяснения того факта, что если ферромаг-
нетик не был предварительно намагничен, то его результирующий
магнитный момент равен нулю. А это противоречит наличию спонтан-
ного намагничивания. Однако такое противоречие можно устранить,
если предположить, что весь объем ферромагнетика самопроизвольно
разбивается на большое число локальных областей — доменов, каж-
дый из которых находится в состоянии технического насыщения М =
=•- Ms, и направления магнитных моментов всех доменов равновероят-
ны. Тогда внутри образца образуются замкнутые магнитные цепочки
и его результирующий магнитный момент будет равен нулю (доменная
структура с замкнутой магнитной цепью). Существование доменов
было подтверждено экспериментально — эффект Баркгаузе-
на, порошковые фигуры Аку л ова — Биттера и др.
Линейные размеры домена составляют от тысячных до десятых долей
миллиметра, магнитный момент его около 1015 магнитного момента
отдельного атома. Домены разделены между собой граничными стен-
ками (стенками Блоха), в которых происходит постепенное
изменение направления вектора намагниченности одного домена по
отношению к направлению вектора намагниченности соседнего до-
мена. Доменная структура с замкнутой магнитной цепью является
не единственной; в зависимости от размеров образца, его физических
свойств и ряда других причин существуют разные структуры: одно-
доменные, полосовые, лабиринтные, цилиндрические и т. д.
Теория образсвания доменных структур и перестройки их под
действием внешнего поля, определяющей ход кривых намагничивания,
является важнейшим разделом теории магнетизма, тесно связанным
с техническими свойствами магнитных материалов.
Природа ферромагнетизма РЗМ еще недостаточно изучена. Она
имеет много общего с природой ферромагнетизма группы железа
(например, причиной существования атомного ферромагнитного по-
рядка у РЗМ так же, как у элементов Fe, Ni, Со, является обменная
энергия), но отличается и рядом особенностей.
Природа ферримагнетизма была впервые подробно
изучена на ферритах — первой группе ферримагнетиков, получивших
* По новейшим представлениям эти положения требуют пересмотра.
276
широкое практическое применение. Под ферритами понимают соеди-
нения окиси железа Fe2O3 с оксидом металлов, например МеО ’Fe2O3,
где Ме++ — двухвалентный металл. Ферримагнетики обладают атом-
ным антиферромагнитным порядком, при котором энергетически вы-
годно в отсутствие внешнего поля антипараллельное расположение
спинов соседних атомов или ионов. При этом для ферримагнетиков
суммарный магнитный момент не равен нулю, а для антиферромагне-
тиков — равен. Поэтому иногда ферримагнетики называют неском-
пенсированными антиферромагнетиками (или антиферромагнетики —
скомпенсированными ферримагнетиками).
Для ферримагнетиков, как и для ферромагнетиков, характерно
наличие доменной структуры.
Теория ферримагнетизма в значительной степени была развита
Л. Неелем, поэтому ее часто называют теорией Нееля. В соответ-
ствии с этой теорией магнитные свойства ферримагнетиков тесно
связаны с их кристаллической структурой (что справедливо и для
ферромагнетиков). Для определения магнитного момента (и других
свойств, например, температурной зависимости намагниченности) фер-
римагнетиков Неель предложил рассматривать кристаллическую
решетку этих веществ как систему нескольких (двух и более)
подрешеток, в каждой из которых магнитные моменты атомов или
ионов имеют одинаковое направление. Тогда результирующий момент
можно определить, рассчитав сначала магнитные моменты подрешеток,
а потом их соответствующим образом сложив.
Ферримагнетики обладают некоторыми специфическими особен-
ностями. Для них характерна значительно меньшая по сравнению
с ферромагнетиками величина намагниченности насыщения; в ряде
случаев имеет место аномальная температурная зависимость намагни-
ченности насыщения с наличием так называемой точки компенсации
и др.
§ 27.3. Технические кривая намагничивания
и петля гистерезиса
Важнейшим для практики разделом теории магнетизма является
теория технической кривой намагничивания и петли гистерезиса,
которая объясняет технические свойства магнитных материалов, ука-
зывает пути улучшения этих свойств и позволяет в ряде случаев опре-
делить предельные характеристики материалов.
Ферро- и ферримагнетики являются кристаллическими веществами.
Ход технической кривой намагничивания и петли гистерезиса зави-
сит от различных видов взаимодействий в кристаллах. Исследования
показали, что в магнитном отношении кристаллы анизотропны и имеют
направления (оси) легкого и трудного намагничивания. Так, Fe, сплавы
Fe _ Si, Fe — Ni и ряд других кристаллизуются в кубической струк-
туре и осями легкого намагничивания у них являются ребра куба,
а самого трудного — пространственные диагонали. Для Ni, кристалли-
зующегося также в кубической структуре, имеет место обратное рас-
пределение осей. В размагниченном образце направления магнитных
277
моментов доменов совпадают с осями легкого намагничивания кри-
сталла и расположены равновероятно. При наличии внешнего поля
самым энергетически выгодным направлением является ось легкого
намагничивания, составляющая наименьший угол с направлением
внешнего поля.
Процесс намагничивания можно представить следующим образом.
В слабых полях происходит поворот векторов магнитных моментов
доменов, составляющих наибольший угол с направлением поля, в более
энергетически выгодные направления. Другими словами, имеет место
рост объемов доменов, у которых магнитный момент, направленный
по оси легкого намагничивания, составляет наименьший угол с на-
правлением поля за счет уменьшения объемов доменов, у которых
этот угол наибольший. Так как этот процесс обратим, его называют
обратимым процессом смещения границ доменов.
При усилении поля векторы магнитных моментов всех доменов
поворачиваются в самое энергетически выгодное направление. По-
скольку в этом процессе участвует значительно большее количество
доменов, чем на начальном участке, процесс намагничивания идет
более интенсивно, и кривая намагничивания становится круче. Этот
процесс является необратимым, т. е. при удалении внешнего поля
магнитное состояние уже не возвращается в исходное, поэтому его
называют процессом необратимого смещения границ доменов.
При дальнейшем усилении поля начинается постепенный поворот
вектора магнитного момента от направления легкого намагничивания
к трудному, совпадающему в конечном итоге с направлением внеш-
него поля (процесс вращения), и магнитное состояние материала до-
стигает технического насыщения. Если продолжать усиливать поле, то
наблюдается парапроцесс, заключающийся в слабом росте намагничен-
ности, в пределе, достигающем значения истинного намагничивания.
Приведенный анализ хода кривой намагничивания является упро-
щенным. В действительности различные виды процессов намагничи-
вания перекрывают друг друга, на характер кривых оказывают влия-
ние многие явления и причины — магнитострикция, механические
напряжения, дефекты кристаллической решетки, немагнитные вклю-
чения, воздушные зазоры и др.
Теория смещения границ доменов, разработанная Е. И. Кондор-
ским, и теория вращения, разработанная Н. С. Акуловым, позволяют
установить не только качественные, но и количественные соотношения.
В теории петли гистерезиса рассматривается в первую очередь
природа коэрцитивной силы Нс, поскольку для разных веществ и ма-
териалов Нс меняется в сотни тысяч и миллионы раз, а другие харак-
терные параметры петли гистерезиса (например, остаточная магнит-
ная индукция Вг) — всего в несколько раз.
Причинами гистерезиса могут быть необратимые процессы смещения
границ доменов, необратимые процессы вращения и задержка роста
зародышей перемагничивания, под которыми понимают объемы с само-
произвольной намагниченностью обратного направления по отноше-
нию к основной ориентации намагниченности насыщения образца.
В итоге величина коэрцитивной силы определяется наибольшим энер-
278
гетическим барьером, который надо преодолеть в процессе размагни-
чивания образца.
Для материалов с малым значением Нс характерны гомогенность
структуры, незначительная кристаллографическая анизотропия и
магнитострикция, отсутствие механических напряжений, различных
примесей и включений и т. п. При нарушении этих условий Нс, как
правило, возрастает. Для многих материалов с большими значениями
Нс очень важно образование однодоменных структур, для которых
намагничивание происходит в основном за счет процессов вращения,
что требует больших значений намагничивающих (и размагничиваю-
щих) полей.
§ 27.4. Классификация магнитных материалов
Магнитным будем называть материал, применяемый в тех-
нике с учетом его магнитных свойств.
Общепринято выделение двух основных групп магнитных материа-
лов — магнитомягких и магнитотвердых, в третью группу можно
включить материалы специализированного назначения, имеющие срав-
нительно узкие области применения.
Характерными свойствами магнитомягких материа-
лов является их способность намагничиваться до насыщения даже
в слабых полях (высокая магнитная проницаемость) и малые потери
на перемагничивание.
Магнитотвердые материалы (материалы для по-
стоянных магнитов) обладают большой удельной энергией. Эта энергия
тем больше, чем больше остаточная индукция Вг и коэрцитивная сила
Нс материала (см. гл. 33).
Процессы намагничивания материалов обеих групп протекают
аналогично, но количественное соотношение процессов смещения гра
ниц доменов и вращения различно. Процессы смещения границ тре-
буют меньших затрат энергии, чем процессы вращения. В магнито-
мягких материалах намагничивание происходит в основном за счет
смещения границ доменов, а в магнитотвердых — за счет вращения
вектора намагниченности.
Сравнивая петли гистерезиса обеих групп материалов, можно от-
метить, что форма петли, индукция насыщения и остаточная индук-
ция примерно одинаковы, а разница в коэрцитивной силе достигает
очень большой величины. Так, для промышленных магнитомягких
материалов наименьшая Нс ж 0,4 А/м, а для магнитотвердых — наи-
большая Нс « 800 кА/м, т. е. они различаются в 2* 10е раз. Другими
словами, магнитомягкие материалы имеют узкую петлю гистерезиса
с небольшой коэрцитивной силой, а магнитотвердые — широкую
петлю с большой коэрцитивной силой.
Границы значений Нс, по которым материал можно отнести к группе
магнитомягких или магнитотвердых, условны.
Согласно ГОСТ 19693—74 «Материалы магнитные (термины и
определения)» к магнитомягким относятся материалы с Нс < 4 кА/м,
а к магнитотвердым — материалы с Нс > 4 кА/м. Термины «магнито-
279
мягкий» и «магнитотвердый» не относятся к характеристике механи-
ческих свойств материала. Существуют механически мягкие, но маг-
нитотвердые материалы, и наоборот.
Магнитными материалами специализиро-
ванного назначения называют материалы с прямоугольной
петлей гистерезиса (ППГ), СВЧ-ферриты, магнитострикционные,
термомагнитные, материалы со средней магнитной твердостью и не-
которые другие.
Глава 28
Магнитные характеристики
Рис. 28.1. Кривые на-
магничивания предвари-
тельно размагниченного
образца:
а — безгистерезисная; б —
основная
Магнитные свойства ферро- или ферримагнетиков обычно харак-
теризуют зависимостями магнитной индукции В и намагниченности М
(или внутренней магнитной индукции Bi «= |ш0Л4*) от напряженности
магнитного поля Н, а также зависимостями удельных потерь на пере-
магничивание р от магнитной индукции В и частоты f. Графики зависи-
мостей В (или В^ от Н называют кривыми
намагничивания.
Магнитные свойства материала зависят
не только от напряженности поля, темпера-
туры, наличия или отсутствия механических
напряжений и т. д., но и от предшествующего
магнитного состояния. Во многих случаях для
получения кривых намагничивания в качестве
исходного принимают размагниченное состоя-
ние образца, при котором в отсутствие внеш-
него поля В = 0 и нет преимущественного на-
правления намагничивания доменов, т. е. век-
торы их магнитных моментов расположены
равновероятно.
Наилучшего размагничивания можно до-
стичь в результате нагрева материала выше точ-
ки Кюри (или точки Нееля). Однако в тех-
нике этот способ применяют редко в связи с трудностями его практиче-
ского осуществления. Чаще всего образец размагничивают, воздейст-
вуя на него переменным или непрерывно коммутируемым постоянным
полем с убывающей до нуля амплитудой, используя специальные уст-
ройства.
При намагничивании предварительно размагниченного образца
различают следующие типы зависимостей:
1) начальную (нулевую) кривую намагничивания, которую полу-
чают при монотонном увеличении И;
2) безгистерезисную (идеальную) кривую намагничивания, полу-
чаемую при одновременном воздействии постоянного и переменного
полей с убывающей до нуля амплитудой (кривая а рис. 28.1);
* Через обозначена магнитная постоянная:
Но = 4л-10"7 Г/м = 1,257 мкГ/м.
280
3) основную (коммутационную) кривую намагничивания, представ-
ляющую собой геометрическое место вершин петель гистерезиса, полу-
чающихся при циклическом перемагничивании (кривая б).
Начальная кривая обычно мало отличается от основной, но она
не отвечает требованию хорошей воспроизводимости и не может быть
использована для сравнительной оценки свойств различных мате-
риалов.
Безгистерезисная кривая намагничивания характеризуется быст-
рым возрастанием магнитной индукции до значения индукции насыще-
ния в слабых постоянных магнитных полях.
Основная кривая намагничивания является важнейшей характе-
ристикой магнитных материалов; она отвечает требованиям хорошей
воспроизводимости и широко используется для характеристики на-
магничивания материалов.
§ 28.1. Петля гистерезиса
При циклическом намагничивании кривая намагничивания обра-
зует петлю гистерезиса (рис. 28.2). Если намагничивание
происходит так, как показано стрелками на рис. 28.2, а, то при одно-
А и Л', соответствующие одному
кратном прохождении петли точ
и тому же полю Н, не совпадают,
что объясняется различной для
этих точек магнитной историей.
Для получения более опре-
деленной симметричной * (уста-
новившейся) петли гистерезиса
(рис. 28.2, б) при измерениях в
цепях постоянного тока произво-
дят так называемую магнитную
подготовку, которая состоит в
многократном (5—10) коммути-
ровании тока в намагничиваю-
щей обмотке после установления
его величины.
Форма петли для данного ма-
+в
Рис. 28.2. Петли гистерезиса:
а — незамкнутая; б — установившаяся
териала зависит от максимально-
го значения напряженности магнитного поля Ятах- Для слабых полей
петля имеет вид эллипса, с увеличением напряженности поля у петли
начинают вытягиваться «носики», соответствующие точкам и Л2 (см.
рис. 28.2, б).
Петлю гистерезиса, полученную при условии насыщения, назы-
вают предельной. В справочниках обычно приводят симметричные пре-
дельные петли гистерезиса.
Основными параметрами петли гистерезиса являются остаточная
индукция Вп коэрцитивная сила Нс и площадь петли, характеризую-
щая удельные потери на гистерезис рГ за один цикл перемагничивания.
* В дальнейшем симметричную петлю гистерезиса будем называть просто пет-
лей гистерезиса.
281
Рис. 28.3. Петли гистерезиса в ко-
ординатах В—Н и Bi—Н
Остаточной индукцией Вг называют индукцию, кото-
рая остается в предварительно намагниченном образце после снятия
внешнего поля.
Коэрцитивная с и л а Нс — напряженность размагничи-
вающего поля, которое должно быть приложено к предварительно на-
магниченному образцу, для того что-
бы магнитная индукция в нем стала
равной нулю. Иногда величину Нс
называют коэрцитивной силой по
магнитной индукции и обозначают
вНс.
При изображении петли гисте-
резиса в координатах Bt—И (рис.
28.3) остаточная индукция сохраняет
то же значение, что и в координатах
В—Н, а коэрцитивная сила по намаг-
ниченности МНС отличается от коэр-
цитивной силы по магнитной индук-
ции Нс. Для большинства применяе-
мых в технике магнитных материалов
разница между этими величинами не-
значительна, однако для некоторых материалов (магнитотвердых с
большими значениями коэрцитивной силы) Нс и МНС могут отличаться
очень сильно.
Потери на гистерезис за один цикл перемагничива-
ния, отнесенные к единице объема вещества (удельные потери), опре-
деляют по формуле
рГ = §Н dB [Дж/м3]. (28.1)
При перемагничивании материала с частотой f мощность потерь
на гистерезис на единицу массы находят по формуле
&HdB
Pr = f^—p— [Вт/кг], (28.2)
где D — плотность материала, кг/м3.
Кроме петли гистерезиса, вершины которой соответствуют основ-
ной кривой намагничивания, во многих случаях рассматривают так
называемые частные петли гистерезиса, вершины кото-
рых не лежат на основной кривой. Примеры частных петель показаны
(заштрихованы) на рис. 28.2, б.
Большое значение для материалов, применяемых в постоянных
магнитах, имеет размагничивающий участок петли гистерезиса —
ее часть, расположенная во втором квадранте (между направлениями
координатных осей +В и —Н).
§ 28.2. Магнитная проницаемость
Различают магнитную проницаемость абсолютную ра = В/Н
и относительную р = В/\^Н — ра/р0. В дальнейшем слово «относи-
тельная» будем опускать.
282
Подставляя в эти отношения конкретные значения Ви//, полу-
чают различные виды магнитной проницаемости, которые применяют
в технике (свыше нескольких десятков). Наиболее часто используют
понятия нормальной магнитной проницаемости р (обычно слово «нор-
мальная» принято опускать), начальной рн, максимальной ртах,
дифференциальной |лДИф и импульсной р,и.
Располагая кривыми намагничивания, магнитную проницаемость
можно интерпретировать геометрически. Так, для точки А (рис. 28.4)
нормальная магнитная проницаемость опре-
деляется как
1 Вл 1 mR
и, = — =--------- tga,
Но Н д Но ^/7
(28.3)
где а — угол наклона к оси абсцисс секущей ОЛ; тв и тн — масштабы
по осям В и И соответственно.
Рис. 28.4. К объяснению
различных понятий магнит-
ной проницаемости
Рис. 28.5. Зависимость магнит-
ной проницаемости р от напря-
женности поля Н
Начальная и максимальная проницаемо-
сти представляют собой частные случаи нормальной проницаемости:
= lim4==4~?tga“; (28.4)
Но н -> о п Но
В
Нтах =4-/^ = 4?^“— <28'5)
ЯДтах тН
т. е. наклон касательной на начальном участке кривой В (Н) характе-
ризует начальную проницаемость, а наклон прямой, проведенной из
начала координат в точку верхнего перегиба кривой, соответствует
максимальной проницаемости.
Дифференциальную проницаемость р,диф
определяют как производную от магнитной индукции по напряжен-
ности магнитного поля для любой точки кривой намагничивания, т. е.
она характеризуется тангенсом угла между осью абсцисс и касательной
к кривой намагничивания в данной точке:
= (28,6)
283
Понятие |лдиф чаще всего используют при анализе вопросов, свя-
занных с одновременным воздействием на магнитный материал постоян-
ного Н_ и переменного магнитных полей, и обычно при условии
< Я_.
Импульсная проницаемость
= (28-7)
Но lsn и
где АВИ максимальное изменение магнитной индукции при намагничи-
вании импульсным полем АВИ.
На рис. 28.5 представлена зависимость р, (Я).
§ 28.3. Намагничивание переменным полем
При намагничивании магнитного материала переменным полем
петля гистерезиса, характеризующая затраты энергии за один цикл
перемагничивания, расширяется (т. е. увеличивает свою площадь)
за счет потерь не только на гистерезис рГ, но также потерь на вихре-
вые токи рв и дополнительные потери рЛ. Такую петлю называют д и-
намической, а сумму составляющих потерь — полными
или суммарными потерями.
Потери на гистерезис при частоте перемагничивания f определяют
по формуле (28.2).
Потери на вихревые токи зависят не только от магнитных, но и от
электрических (удельного электрического сопротивления) свойств
материала и от формы сердечника. Для листового образца эти потери
рв = 1,64 Dpg"" [BT/KrL (28.8)
где ВП1ах— амплитуда магнитной индукции, Т; f — частота перемен-
ного тока, Гц; d — толщина листа, м; D — плотность, кг/м3; р —
удельное электрическое сопротивление, Ом «м.
Дополнительные потери определяют обычно как разность между
полными потерями и суммой потерь на гистерезис и вихревые токи:
Рд = Р-(Р.+Рв)- (28.9)
В соответствии с определением основной кривой намагничивания
(см. ранее) геометрическое место вершин динамических петель назы-
вают динамической кривой намагничивания, а отношение индукции к на-
пряженности поля на этой кривой — динамической магнитной прони-
цаемостью
Зависимость между В и Н определяется формой динамической
петли, поэтому при синусоидальном изменении одной из рассматривае-
мых величин в общем случае вторая будет изменяться несинусоидально
(появятся высшие гармоники).
Имеющее место отставание по фазе кривой магнитной индукции
от кривой напряженности поля объясняется действием вихревых токов,
препятствующих в соответствии с законом Ленца изменению магнит-
ной индукции, гистерезисом и магнитной вязкостью. Угол отставания
SM (или просто S) называют углом магнитных потерь.
284
Математический учет искажений формы кривой и сдвига по фазе
в зависимости В (Н) при намагничивании переменным полем был пред-
ложен В. К. Аркадьевым и нашел широкое применение.
В. К. Аркадьев заменил реальную динамическую петлю эквива-
лентным эллипсом, параметрические уравнения которого в координа-
тах h и b имеют вид:
h = Hmax sin со/, (28.10)
fe = Bmax sin (со/ —б). (28.11)
Введение эквивалентного эллипса не только позволяет решить
сложную задачу, но во многих случаях приблизиться к реальным усло-
виям намагничивания, так как в слабых полях и на высоких частотах
динамическая петля практически имеет форму эллипса. Если ввести
составляющую индукции Bmaxl = Bmax cos б, совпадающую по фазе
с напряженностью Я, и составляющую Втах2 = Втах sin б, отстающую
на 90° от напряженности Н, то можно показать, что Втах1 связана
с обратимыми процессами превращения энергии при перемагничивании,
Втах2 — с необратимыми.
Соответственно значениям Нтах, Втах, Втах1, Втах2 и углу потерь
б для характеристики магнитных свойств материалов, используемых
в цепях переменного тока, существуют следующие виды магнитной
проницаемости: амплитудная (полная) рп, упругая р/, проницаемость
потерь ц", комплексная р.
Амплитудная проницаемость
„ = J_gmax
Ип Но Ятах
(28.12)
не определяет фазового сдвига и должна быть пополнена другими поня-
тиями.
Упругая проницаемость
/ 1 ^max 1
(28.13)
Проницаемость потерь
//________________ 1 ^тпах 2
И “ Но Ятах
(28.14)
Комплексная проницаемость
1 ВтахехР[/ («/-б)]
И “ Но #гаах е«Р (/“0
= |АП ехр (—/й) = р.'—/ц".
(28.15)
Очевидно, что последний вид проницаемости описывает процессы
намагничивания в переменных полях наиболее полно.
При исследовании магнитных материалов, используемых в спе-
циальных режимах намагничивания (например, импульсном, при одно-
временном действии переменного и постоянного полей), измеряют, рас-
сматривают и применяют в расчетах самые разнообразные кривые на-
магничивания. Некоторые из них рассмотрены далее.
285
§ 28.4. Влияние воздушного зазора
Все изложенное о магнитных характеристиках относилось к замк-
нутой магнитной цепи, например к кольцевым (тороидальным) образ-
цам, витым сердечникам трансформаторов и дросселей и т. п. Однако
на практике в большинстве случаев магнитная цепь является разомк-
нутой, т. е. содержит воздушный зазор, обладающий, как правило,
большим магнитным сопротивлением по сравнению с остальной частью
цепи. Наличие зазора может существенно изменить ход кривых намаг-
ничивания, значения проницаемости, стабильности и другие свойства.
В теле с воздушным зазором при его намагничивании возникают
свободные полюса, создающие размагничивающее поле с напряженностью
Н направленное навстречу внешнему намагничивающему полю с на-
пряженностью Не. Магнитные свойства такого тела определяются
внутренним полем, напряженность которого
Нг = Не-Но. (28.16)
Напряженность размагничивающего поля можно приближенно
считать пропорциональной намагниченности. Коэффициент пропор-
циональности между Но и М называют коэффициентом размагничи-
Рис. 28.6. Геометрическое изо-
бражение коэффициента размаг-
ничивания
вания по намагниченности NM. Таким
образом
HO=NMM. (28.17)
Точное значение NM может быть
рассчитано только для однородно намаг-
ниченных тел, к которым относятся эл-
липсоиды вращения. Например, для ша-
ра NM = 1/3; для бесконечно длинного
цилиндра, продольная ось которого пер-
пендикулярна внешнему полю, NM = 1/2.
На практике в большинстве случаев
имеем неоднородно намагниченные тела,
для которых М, а следовательно, и NM
в разных точках различны. Поэтому пользуются некоторыми усред-
ненными значениями NM, определяемыми по приближенным форму-
лам или справочным таблицам для тел заданной формы.
Кроме коэффициента размагничивания по намагниченности NM
иногда используют коэффициент размагничивания по магнитной ин-
дукции NB.
Чаще всего коэффициент размагничивания применяют в графо-
аналитических методах расчета магнитных цепей. На рис. 28.6 графи-
чески представлено изображение Не, Но, Hh Мв и В.
Зависимость В (Н^. полученную для замкнутой магнитной цепи
(NB = 0), называют кривой намагничивания вещества. Если из произ-
вольной течки А этой кривой провести до пересечения с осью абсцисс
луч АС так, чтобы (с учетом масштабов) tg 6 = NB, то отрезки OD =
= Hi и ОС = OD + DC = Hi + СЕ tg6 = Hi + ВАНв = Hi +
+ Ho = He.
286
Луч АС называют иногда линией коэффициента размагничива-
ния (линией среза). Так как AD = СЕ = ВА, точка Е соответствует
значению магнитной индукции в теле, помещенном во внешнее поле
Не. Выполнив построение для других точек кривой В получим
точки, аналогичные точке Е. Кривую В (Яе), проведенную через эти
точки, называют кривой намагничивания тела.
В. К. Аркадьев кроме понятия магнитной проницаемости веще-
ства р, = B/(ii0Hi) ввел понятие магнитной проницаемости тела
ро = В/(р0//е), которое учитывает как свойства материала, так и кон-
струкцию магнитной цепи.
Графическое построение рис. 28.6 можно применить и к петле
гистерезиса. Это важно прежде всего для цепей с постоянными магни-
тами, в которых наличие воздушного зазора является обязательным
(см. гл. 34).
Глава 29
МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПОСТОЯННЫХ
И НИЗКОЧАСТОТНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
§ 29.1. Требования к магнитомягким материалам
Частотный диапазон применения различных групп магнитомяг-
ких материалов в значительной степени определяется величиной их
удельного электрического сопротивления. Чем оно больше, тем на
более высоких частотах можно использовать материал. Это объясня-
ется тем, что при малых значениях удельного сопротивления с повыше-
нием частоты могут недопустимо возрасти вихревые токи и, следова-
тельно, потери на перемагничивание. В постоянных и низкочастотных
(до сотен герц и единиц килогерц) полях применяют металлические
магнитомягкие материалы, к которым относятся: технически чистое
железо (низкоуглеродистые электротехнические стали), электротехни-
ческие (кремнистые) стали и пермаллой — железоникелевые и железо-
никелькобальтовые сплавы. На повышенных и высоких частотах в ос-
новном применяют материалы, удельное сопротивление которых соот-
ветствует значениям, характерным для полупроводников и диэлектри-
ков. К таким материалам относятся магнитомягкие ферриты и магнито-
диэлектрики (см. гл. 30). Иногда на повышенных частотах и особенно
при работе в импульсном режиме (см. гл. 31) применяют также метал-
лические материалы тонкого проката (до нескольких микрометров).
Требования, предъявляемые к магнитомягким материалам, в значи-
тельной степени определяются областью их применения. Однако жела-
тельно, чтобы эти материалы имели минимальное значение коэрцитив-
ной силы, чему соответствует высокая магнитная проницаемость,
и возможно большее значение индукции насыщения.
От листовых и ленточных металлических материалов требуется
высокая пластичность, обеспечивающая хорошее качество штамповок
и длительность работы штампов, хорошее качество поверхности (от-
сутствие ржавчины, отслаивающейся окалины, бугорков, вмятин
287
и т. п.), отсутствие разнотолщинности; от листовых материалов, кроме
того — минимальные волнистость и коробоватость. Выполнение этих
требований позволяет повысить коэффициент заполнения и соответст-
венно уменьшить габариты устройств.
Прокат желательно иметь не в виде листов, а в виде рулонов, что
позволяет автоматизировать как производство материалов, так и изго-
товление изделий из них.
Важно, чтобы магнитные свойства материалов мало зависели от
механических напряжений. Чем меньше эта зависимость, тем больше
материал можно обжать при сборке сердечника, т. е. тем выше будет
коэффициент заполнения. Зависимость свойств от механических напря-
жений характерна для большинства магнитомягких материалов. Осо-
бенно сильно меняются при этом начальная и максимальная проницае-
мости и коэрцитивная сила. Проницаемость в сильных полях и магнит-
ная индукция насыщения от механических напряжений зависят мало.
Наиболее существенно механические напряжения влияют на свойства
пермаллоев.
Магнитные свойства после механической обработки восстанавли-
ваются в результате термообработки (отжига).
В отдельных случаях существенными являются температурная
и временная стабильность свойств, линейность кривой намагничива-
ния (на определенном участке) и др. Необходимо также учитывать
стоимость и дефицитность материала.
§ 29.2. Технически чистое железо
Технически чистое железо содержит менее 0,05% углерода при
минимальном количестве других примесей.
Технически чистое железо является дешевым и технологичным ма-
териалом; оно хорошо штампуется и обрабатывается на всех металло-
режущих станках. Железо обладает высокими магнитными свойствами
в постоянных полях. Вследствие низкого удельного электрического
сопротивления железо используют при изготовлении изделий, предна-
значенных для работы только в постоянных магнитных полях. Тех-
нически чистое железо применяют как шихтовый материал для полу-
чения почти всех ферромагнитных сплавов.
Магнитные свойства железа, в первую очередь значения магнитной
проницаемости в слабых и средних полях и коэрцитивная сила, могут
меняться в широких пределах. Свойства железа, полученного в лабора-
тории, в 100—200 раз выше свойств технически чистого, что объясня-
ется большим влиянием примесей, которые трудно удалить. Удаляют
примеси, например, многократной переплавкой технически чистого
железа в вакууме. Самыми вредными примесями являются углерод,
кислород и сера.
Кроме химического состава большое влияние на магнитные свойства
железа оказывает его структура, особенно величина зерна. На грани-
цах зерен происходит искажение кристаллической решетки и особенно
легко выделяются содержащие углерод фазы, поэтому чем меньше зерен
приходится на единицу объема (т. е. чем крупнее зерна), тем выше маг-
288
нитные свойства. Выращивание крупного зерна достигается главным
образом соответствующей термообработкой (отжигом).
Широко применяются низкоуглеродистая нелегированная тонко-
листовая сталь и ленты (ГОСТ 3836—73), электролитическое и карбо
нильное железо.
Низкоуглеродистую электротехническую
сталь выпускают после горячей или холодной прокатки. Марки
сталей состоят из пятизначных чисел, в которых отдельные цифры
означают следующее: первая цифра — 1 — горячекатаная, 2 — холод-
нокатаная; вторая — содержание кремния: «О» — до 0,3% Si включи-
тельно; третья — группу по основной нормируемой характеристике
(8 — по коэрцитивной силе); четвертая и пятая — количественное зна-
чение основной нормируемой характеристики для наиболее широко
применяемой толщины (для восьмой группы — коэрцитивная сила).
Например, марка 10895 означает: сталь низкоуглеродистая горячека-
таная, с содержанием кремния не выше 0,3%, с количественно норми-
руемым значением Нс, которая не должна превышать 95 А/м. В стан-
дарте указана также максимальная магнитная проницаемость (не
менее 3000-4-5000) и значение магнитной индукции при Н = 5000-4-
-4-30 000 А/м (р и В не являются контролируемыми параметрами и оп-
ределяются по требованию заказчика).
Электролитическое железо изготовляют путем
электролиза. Осажденное железо после тщательной промывки измель-
чают в порошок в шаровых мельницах. Ввиду большого насыщения
водородом магнитные свойства такого железа весьма низки. Однако
в результате переплавки в вакууме и многократных отжигов его свой-
ства можно существенно улучшить. Обработанное таким образом элект-
ролитическое железо характеризуется следующими магнитными свой-
ствами: Нс = 30 А/м; ртах = 15 000. Ввиду высокой стоимости элект-
ролитическое железо применяют редко.
Карбонильное железо получают посредством терми-
ческого разложения пентакарбонила железа Fe (СО)5. При этом в зави-
симости от условий разложения можно получить железо различного
вида: порошкообразное, губчатое и т. п. Для получения высоких маг-
нитных свойств карбонильное железо должно быть термически обра-
ботано в водороде. Карбонильное железо широко применяют в каче-
стве ферромагнитной фазы магнитодиэлектриков (см. гл. 30).
Иногда вместо технически чистого железа в промышленности при-
меняют углеродистые и легированные стали с содержанием углерода
0,1—0,4%. Магнитные свойства таких сталей ниже, чем у железа,
но их можно улучшить отжигом изготовленных деталей.
§ 29.3. Электротехнические кремнистые стали
Электротехнические кремнистые стали представляют собой твер-
дый раствор кремния в железе. Легирование технически чистого железа
кремнием производят с целью повышения удельного электрического
сопротивления материала. Одновременно с этим кремний вызывает
не только улучшение некоторых магнитных параметров (возрастает
289
магнитная проницаемость, уменьшается коэрцитивная сила), но оказы-
вает и вредное действие, несколько снижая индукцию насыщения
и ухудшая механические свойства (повышаются твердость и хрупкость).
Поэтому применяют кремнистые стали с содержанием кремния не
свыше 5%.
Положительное действие кремния на магнитные свойства техниче-
ски чистого железа объясняется рядом причин. Кремний переводит
углерод из вредной для магнитных свойств формы цементита в графит;
действуя как раскислитель, он связывает часть растворенных в ме-
талле газов, прежде всего кислород, а также способствует росту зе-
рен.
Для улучшения свойств стали необходимо тщательно очищать ее
от примесей, обезуглероживать и подвергать особой термообработке.
Однако существенно улучшить с помощью указанных методов свойства
электротехнических сталей, выпускаемых промышленностью, не уда-
ется.
Свойства стали значительно улучшаются в результате образования
магнитной текстуры при ее холодной прокатке и последующем отжиге,
что объясняется следующим. Элементарная ячейка железокремнистого
сплава представляет собой объемноцентрированный куб, для которого
направлениями легкого намагничивания являются его ребра, а направ-
лению самого трудного намагничивания соответствуют пространствен-
ные диагонали. При отсутствии текстуры имеет место хаотическое рас-
положение кристаллов. Вследствие этого материал приобретает изо-
тропные свойства со статистически постоянной средней намагничен-
ностью по любому направлению.
В результате холодной прокатки зерна в кристаллографическом
отношении получают преимущественную ориентацию, которую назы-
вают текстурой прокатки *. Деформация в холодном состоянии при-
водит к появлению больших внутренних напряжений и, следовательно,
к росту коэрцитивной силы. Эти напряжения можно снять отжигом.
При нагреве холоднокатаной стали до температуры свыше 900°С
наблюдается рекристаллизация, сопровождающаяся быстрым ростом
зерен кристаллов и одновременной ориентацией их вдоль направления
легкого намагничивания. В результате ребра кубов оказываются рас-
положенными параллельно направлению прокатки, а плоскости ромби-
ческих додекаэдров — параллельно плоскости прокатки (рис. 29.1, а).
Такую текстуру называют ребровой текстурой рекристаллизации.
Применение сталей, обладающих магнитной анизотропией, требует
такой конструкции магнитопровода, при которой магнитный поток
проходит в направлении наилучших магнитных свойств, т. е. в направ-
лении прокатки. Самые плохие магнитные свойства наблюдаются под
углом 55° к направлению прокатки.
Выполнение поставленного условия возможно, если применять
ленточные сердечники и сердечники, у которых стержни изготовлены
из текстурованных, а ярмо — из горячекатаных сталей.
* Незначительное упорядочение зерен и связанная с этим анизотропия свойств
наблюдается и при горячей прокатке,
290
Для магнитопроводов электрических машин с круговой формой
статора и ротора выполнить требование параллельности направлений
намагничивания и прокатки значительно труднее. Наиболее рациональ-
ным решением в этом случае является применение малотекстурован-
ных сталей, которые обладают несколько повышенными по сравнению
с горячекатаными сталями магнитными свойствами и хорошими меха-
ническими качествами, присущими холоднокатаным сталям, что обес-
печивает высокий коэффициент заполнения при незначительной маг-
нитной анизотропии.
Большой интерес представляют электротехнические стали не с реб-
ровой, а с кубической текстурой. В случае кубической текстуры наи-
лучшие магнитные свойства обеспечиваются при прохождении маг-
Рис. 29.1. Схематическое изображение расположения кристаллов от-
носительно направления прокатки:
а — для материала с ребровой текстурой; б — для материала с кубической
текстурой
нитного потока в трех направлениях: вдоль, поперек и перпендику-
лярно прокатке, а направление самого трудного намагничивания (по
пространственным диагоналям) вообще не существует в плоскости на-
магничивания (рис. 29.1, б).
Электротехнические стали выпускают в соответствии со стандар-
тами: ГОСТ 802—58 «Сталь электротехническая тонколистовая» и
ГОСТ 9925—61 «Лента холоднокатаная рулонная из электротехниче-
ской стали».
Марку стали обозначают буквой «Э» и следующими за ней циф-
рами. Первая цифра означает степень легирования стали кремнием.
Ориентировочно можно считать, что эта цифра соответствует среднему
содержанию кремния в процентах (1—слаболегированная, 2 — сред-
нелегированная, 3 — повышеннолегированная, 4 — высоколегиро-
ванная). На практике часто первые две группы (Э1, Э2) называют ди-
намными, а третью и четвертую (ЭЗ, Э4) — трансформаторными ста-
лями (стандарт такую классификацию не предусматривает).
Вторая цифра (1—8) означает гарантированные электромагнитные
свойства стали при ее работе в определенных условиях эксплуатации.
Это деление определяет область применения той или иной марки стали.
По этому признаку различают три группы сталей:
291
1) стали, предназначенные для работы в средних и сильных маг-
нитных полях при частоте перемагничивания 50 Гц (1 — нормальные,
2 — пониженные и 3 — низкие удельные потери);
2) стали, предназначенные для работы в средних полях при частоте
перемагничивания 400 Гц (ГОСТ 802—58 — цифра 4; ГОСТ 9925—61 —
цифры: 4 — нормальные, 5 — пониженные, 6 — низкие удельные
потери);
3) стали, предназначенные для работы в малых или средних полях
(ГОСТ 802—58 — для работы в слабых полях, цифры: 5 — с нормальной
и 6 — с повышенной магнитной проницаемостью; для работ в сред-
них полях, цифры: 7 — с нормальной и 8 — с повышенной магнитной
проницаемостью; ГОСТ 9925—61, цифры 7 и 8 — повышенные свойст-
ва соответственно в малых и в средних полях).
После второй цифры может стоять нуль (текстурованная сталь)
или два нуля (малотекстурованная сталь). Для материалов с особо
низкими удельными потерями в конце обозначения марки ставится
буква «А», а для материалов повышенной точности проката и повышен-
ной отделки поверхности дополнительно вводится буква «П».
Листы и рулоны должны поставляться заказчику в отожженном
состоянии. По требованию заказчика допускается поставка листов
и рулонов в нагартованном виде (без отжига), в этом случае к обозначе-
нию марки стали добавляется буква «Т».
§ 29.4. Пермаллои
Пермаллои представляют собой сплавы железа с никелем или железа
с никелем и кобальтом, обычно легированные молибденом, хромом
и другими элементами.
Основное преимущество пермаллоев — высокие значения магнит-
ной проницаемости в слабых полях и малое значение коэрцитивной
силы. Недостатками пермаллоев являются большая чувствительность
магнитных свойств ^механическим напряжениям, пониженные значе-
ния индукции насыщения по сравнению с электротехническими
сталями и сравнительно высокая стоимость. Необходимо также учиты-
вать, что высокие магнитные свойства у пермаллоев могут быть полу-
чены лишь в результате отжига готовых изделий в водороде или ва-
кууме, что усложняет их применение.
Пермаллои находят широкое применение в магнитных элементах
измерительных, автоматических и радиотехнических устройств при
их работе в слабых постоянных и переменных полях с частотой до не-
скольких десятков килогерц, а для микронного проката и до более
высоких частот.
На рис. 29.2 представлены зависимости физических свойств железо-
никелевых сплавов от содержания никеля. Кривые показывают, что
наибольшими значениями рн и ртах обладает сплав с содержанием
около 80% Ni. Высокие свойства этого сплава объясняются очень ма-
лыми кристаллографической анизотропией и магнитострикцией. Умень-
шение магнитной кристаллографической анизотропии приводит к тому,
что разница в работе, необходимой для намагничивания кристаллов
292
в легком или трудном направлениях, становится меньше. Уменьшение
магнитострикции обусловливает снижение напряжений в кристалличе-
ской решетке, возникающих при изменении линейных размеров под
действием намагничивающего поля и, следовательно, облегчает про-
цессы намагничивания.
Необходимо отметить, что одновременно с повышением проницае-
магнитных свойств от механиче-
мости резко возрастает зависимс
ских напряжений. В большин-
стве случаев это нежелательно.
Из рис. 29.2 видно, что еще
один, более низкий максимум на-
чальной проницаемости наблю-
дается у сплавов с содержанием
40—50% Ni. Такие пермаллои
называют низканикелевыми в от-
личие от высоконикелевых с со-
держанием 70—80% Ni.
Магнитная проницаемость у
высоконикелевых пермаллоев в
несколько раз больше, чем у низ-
коникелевых, и в несколько де-
сятков раз больше, чем у элек-
тротехнических сталей; без тер-
Рис. 29.2. Зависимость свойств железо-
никелевых сплавов от содержания никеля
мической обработки проницаемость у пермаллоев меньше, чем у тех-
нически чистого железа.
Индукция насыщения высоконикелевых пермаллоев приблизитель-
но в 2 раза меньше, чем у электротехнических сталей, и в 1,5 раза мень-
ше, чем у низконикелевых.
Отсюда следует, что высоконикелевые пермаллои нецелесообразно
применять в качестве материала для сердечников мощных силовых
трансформаторов и других устройств, для которых важно создание
большого магнитного потока.
Удельное электрическое сопротивление у высоконикелевых пермал-
лоев приблизительно в 2 раза меньше, чем у низконикелевых. Следова-
тельно, в переменных магнитных полях, особенно при повышенных
частотах, предпочтительнее использовать низконикелевые пермаллои.
Термическая обработка высоконикелевых пермаллоев сложнее
обработки низконикелевых. Кроме того, высоконикелевые пермаллои
дороже из-за большого содержания никеля; механические напряжения,
чистота и состав сплава значительно сильнее влияют на магнитные
свойства высоконикелевых пермаллоев.
Для улучшения электромагнитных свойств обе группы пермаллоев
обычно легируют различными элементами.
Создание стандарта на промышленные марки пермаллоев связано
с большими трудностями, что объясняется плохой воспроизводимостью
характеристик.
В СССР принят ГОСТ 10160—62 «Сплавы железоникелевые с высо-
кой магнитной проницаемостью», который распространяется на де-
вять марок сплавов, разделенных на четыре группы:
293
1) 45Н, 50Н — нелегированные низконикелевые пермаллои с со-
держанием 45 и 50% Ni соответственно;
2) 50НП, 65НП, 34НКМП — сплавы, обладающие кристаллографи-
ческой или магнитной текстурой и прямоугольной петлей гистерезиса
(свойства этих сплавов рассмотрены в гл. 31);
3) 50НХС — низконикелевый пермаллой с содержанием 50% Ni,
легированный хромом и кремнием;
4) 79НМ, 80НХС, 76НХД — высоконикелевые пермаллои (79%
Ni, 80% Ni и 76% Ni), легированные соответственно молибденом (3,8—
4,1%), хромом и кремнием, хромом и медью (4,80—5,20%).
Все сплавы содержат в небольших количествах марганец (0,30—
0,60%) и кремний (0,15—0,30%); в сплаве 80НХС кремний содержится
в количестве 1,10—1,50%.
Сплавы изготовляют в виде холоднокатаных лент толщиной 0,02—
2,5 мм, горячекатаных листов, горячекатаных и кованых прутков.
Ширина лент в зависимости от толщины для самых тонких составляет
30—100 мм, для самых толстых — 100—250 мм.
Листы, ленты и прутки поставляют в термически необработанном
виде. Режимы окончательной термической обработки (отжига) изде-
лий указаны в ГОСТ 10160—62. Отожженные образцы и изделия долж-
ны быть светлыми, чистыми, свободными от окислов, темных пятен
и цветов побежалости. После отжига изделия не должны подвергаться
в процессе сборки ударам, изгибам, рихтовке, шлифовке, а также чрез-
мерной затяжке или сдавливанию обмоткой. Кольцеобразные сердеч-
ники обычно после отжига закладывают в защитные каркасы, предохра-
няющие их от механических воздействий.
Свойства пермаллоя одной и той же марки при одинаковой термиче-
ской обработке различны для лент, листов и прутков. Для лент они
зависят от толщины (наилучшие при толщине приблизительно 0,5 мм).
В табл. 29.1 приведены свойства пермаллоев по данным ГОСТ 10160—62.
Охарактеризуем свойства различных марок пермаллоев и опреде-
лим области их применения.
Таблица 29.1
Свойства холоднокатаной пермаллоевой ленты толщиной порядка 0,5 мм
(после термической обработки)
Марка сплава ^н | Мтпах | Bs. т | р, мкОм-м Нс, А/м
не менее не более
45Н 2 800 25 000 1,5 0,45 16
5ОН 3 000 35 000 1,5 0,45 10
5ОН-У 4 000 45 000 1,5 0,45 10
5ОНХС 3 200 30 000 1,0 0,90 8
79НМ 25 000 150 000 0,75 0,55 1,6
79НМ-У 30 000 220 000 0,75 0,55 1,0
8ОНХС 35 000 150 000 0,65 0,62 1,0
76НХД 18 000 150 000 0,75 0,57 1,6
Примечание: буква У означает улучшенные свойства.
294
Сплав 45Н обладает повышенной магнитной проницаемостью и высо-
ким значением индукции насыщения по сравнению со всей груп-
пой железоникелевых сплавов. Стандарт рекомендует применять этот
сплав для сердечников междуламповых и малогабаритных силовых
трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей, работаю-
щих при повышенных индукциях без подмагничивания или с небольшим
подмагничиванием.
Сплав 50Н в отличие от сплава 45Н имеет еще более повышенные маг-
нитные свойства и несколько большую стоимость.
Сплав 50НХС обладает высоким удельным электрическим сопротив-
лением. Он рекомендуется для сердечников импульсных трансформа-
торов и аппаратуры связи звуковых и высоких частот, работающих
без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием.
Сплавы 79НМ, 80НХС, 76НХД имеют высокую проницаемость
в слабых полях. Сплав 76НХД обладает повышенной температурной
стабильностью в интервале от —60 до +60° С. Эта группа сплавов ре-
комендуется для сердечников малогабаритных трансформаторов, реле
и магнитных экранов; при толщине 0,02 мм — для сердечников им-
пульсных трансформаторов, магнитных усилителей и бесконтактных
реле.
Кроме рассмотренных марок пермаллоев в технике применяют и не-
которые другие железоникелевые и железоникелькобальтовые сплавы.
Глава 30
МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ВЫСОКИХ
И СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ
Как было указано (см. гл. 29), магнитные материалы, используемые
при высоких частотах (от единиц до десятков мегагерц) и при сверх-
высоких частотах (от сотен до десятков тысяч мегагерц), должны
иметь малую электрическую проводимость. Этому требованию отвечают
ферриты и магнитодиэлектрики.
§ 30.1. Методы получения ферритов
Ферриты — химические соединения окиси железа Fe2O3 с оксида-
ми металлов; они могут быть получены различными способами. Однако
промышленностью освоена пока только керамическая технология.
В зависимости от способа получения смеси оксидов, различают следую-
щие методы: оксидов; термического разложения солей; совместного
осаждения гидроокисей или углекислых солей и комбинированный.
Наиболее простым является метод оксидов, в котором в качестве
исходных материалов используют оксиды соответствующих металлов.
После анализа исходных материалов на количество примесей, влаж-
ность и процентное содержание в них оксидов для заданного состава
феррита производят расчет составляющих шихты в весовых процентах.
Сырье отвешивают и подвергают первому помолу в шаровых или вибро-
295
мельницах, где оно размельчается и тщательно перемешивается до
получения однородной массы.
Далее производят предварительный обжиг при температуре на
несколько сот градусов ниже температуры окончательного обжига.
В результате получают полуспекшуюся массу с частичным или полным
образованием феррита. Предварительный обжиг требуется также для
уменьшения усадки изделия после формовки.
Второй помол должен обеспечить более измельченную и однородную
массу. Полученный таким образом порошок непосредственно исполь-
зуют для производства изделий.
Формование изделий из ферритов производят прессованием деталей
в стальных формах или выдавливанием стержней, трубок и т. п. через
мундштук. Прогрессивным является метод горячего литья под давле-
нием, который применяют прежде всего для изготовления изделий
малых размеров.
Во всех случаях для улучшения прессуемости в порошок вводят
пластифицирующие вещества: водный раствор поливинилового спирта,
воду, реже — парафин, а в массу для протяжки — декстрин. После
введения пластификатора масса тщательно перемешивается и посту-
пает на формовку. Формование изделий производят на гидравлических
автоматических или полуавтоматических прессах.
Заключительной технологической операцией, от которой в значи-
тельной степени зависит качество ферритовых изделий, является окон-
чательный обжиг, в процессе которого происходит спекание изделий
и заканчивается процесс ферритизации.
Несмотря на кажущуюся простоту рассмотренного технологиче-
ского процесса, в производстве ферритов возникают большие трудности.
Одним из основных недостатков ферритов является плохая воспро-
изводимость свойств. Метод оксидов не позволяет устранить этот недо-
статок, что объясняется следующим образом.
Оксиды в зависимости от способа их изготовления и внутреннего
строения обладают различной активностью, т. е. способностью всту-
пать в химические соединения.
Большое влияние на активность оксидов оказывают примеси и сте-
пень измельчения частиц.
При массовом производстве ферритов по методу оксидов указанный
недостаток учитывают так: из каждой новой партии сырья изготовляют
предварительно пробную партию изделий, и только в том случае, если
свойства этих изделий соответствуют техническим условиям, сырье
используют в производстве.
Второй путь устранения указанного недостатка — изменение техно-
логии с целью обеспечения контроля за процессом образования
оксидов — это метод термического разложения
солей.
Исходными материалами в данном случае являются не оксиды,
а сернокислые и другие соли соответствующих металлов, содержащие
кристаллизационную воду. Соли смешивают в необходимой пропорции
и нагревают до 300° С. При этом происходит расплавление солей в кри-
сталлизационной воде и их молекулярное перемешивание. Последнее
296
увеличивает активность массы и позволяет значительно снизить требо-
вания к качеству помола. Полученную после выпаривания воды твер-
дую массу размалывают и далее нагревают приблизительно до 935° С
под вытяжкой. При прокаливании происходит разложение солей на
оксиды и газы; уже на этой стадии происходит частичное образование
феррита. Дальнейшее изготовление ферритов происходит по методу
оксидов.
Метод термического разложения солей улучшает воспроизводимость
свойств ферритов и позволяет получать магнитомягкие ферриты, имею-
щие значительно более высокую начальную магнитную проницаемость,
чем при изготовлении первым методом.
Недостатками метода термического разложения солей являются:
1) усложнение технологического процесса;
2) образование отходов, составляющих по весу приблизительно две
трети от общего количества сырья;
3) необходимость утилизации отходов, в большинстве случаев
являющихся вредными и загрязняющими воздушный бассейн (серни-
стые и другие газы).
При использовании метода совместного осаждения
гидроокисей или углекислых солей исходными мате-
риалами также являются соли, но технологический процесс на первом
этапе отличается от метода термического разложения солей и заключа-
ется в следующем. Соли растворяют в дистиллированной воде, и в рас-
твор добавляют осадитель (соду, едкий натр, аммиак и др.), в результа-
те чего происходит совместное осаждение гидрата окисей или угле-
кислых солей. Осадок многократно промывают дистиллированной водой
и далее обрабатывают по методу термического разложения солей.
При хорошо отработанной и точно соблюдаемой технологии метод
совместного осаждения гидроокисей позволяет получать ферриты с са-
мыми высокими воспроизводимостью свойств и однородностью массы.
В комбинированном методе некоторые составляю-
щие используют в виде оксидов, а другие — по способу солей или гид-
роокисей.
Промышленность выпускает десятки марок ферритов, различаю-
щихся химическим составом и свойствами. При этом для каждой марки
отрабатывается своя технология.
Рассмотрим сначала материалы, применяемые на высоких часто-
тах, — магнитомягкие ферриты и магнитодиэлектрики, а затем фер-
риты для СВЧ.
§ 30.2. Ферриты для радиочастот
К ферритам для радиочастот относятся в первую
очередь никельцинковые и марганеццинковые. Они представляют собой
двухкомпонентные ферриты систем NiO—ZnO—Fe2O3 и MnO—ZnO—
—Fe2O3. Находят также применение литийцинковые, свинцовоникеле-
вые и некоторые другие типы ферритов. Эти группы ферритов исполь-
зуют для изготовления сердечников различных трансформаторов, ка-
тушек индуктивности фильтров, магнитных антенн, статоров и рото-
297
ров высокочастотных микродвигателей, деталей отклоняющих систем
телевизионной аппаратуры и др.
Для ферритов, используемых в переменных полях, обычно кроме
начальной магнитной проницаемости, измеренной на высокой частоте,
указывают тангенс угла потерь tg б (или относительный тангенс угла
потерь tg 6/|iH), критическую частоту/кр, относительный температурный
коэффициент начальной магнитной проницаемости аЦн, обратим'ую
магнитную проницаемость р,об₽ (т. е. предел отношения изменения маг-
нитной индукции к удвоенной амплитуде напряженности магнитного
поля в данной точке кривой намагничивания, деленный на магнитную
постоянную) при заданных условиях и некоторые другие параметры.
Интерес представляют зависимости тангенса угла потерь и проницае-
мости от частоты и от амплитуды переменного поля, а также зависи-
мость обратимой проницаемости от напряженности подмагничиваю-
щего поля и различного рода температурные зависимости.
Тангенс угла потерь tg б и критическая частота fKp. Эксперимен-
тально установлено, что для некоторой области изменения напряжен-
ности магнитного поля от нуля и выше (область Релея, определяемая
обычно десятыми долями А/м) выражение для тангенса угла потерь
в зависимости от f и Н может быть представлено следующим образом:
tg б = 6ГЯ + 8J + бд, (30.1)
где бг, бв, бд — коэффициенты, характеризующие соответственно по-
тери на гистерезис, отнесенные к единице напряженности поля; на
вихревые токи, отнесенные к единице частоты и на последействие (до-
полнительные потери).
Для ферритов составляющая потерь на вихревые токи практически
ничтожно мала и ею можно пренебречь. В области очень слабых полей
незначительными являются и потери на гистерезис. Следовательно,
в области Релея потери определяются в основном величиной бд и воз-
растают с ростом частоты. Однако при повышении частоты tg б, начи-
ная от некоторого определенного для каждой марки феррита значения,
возрастает значительно быстрее, чем это можно предполагать согласно
уравнению (30.1). Одновременно резко уменьшается магнитная прони-
цаемость.
Частота, при которой начинается резкое возрастание угла потерь,
называется критической частотой. Для определенности ввели поня-
тие критической частоты /кр, при которой tg б = 0,1. Причины рез-
кого возрастания потерь и уменьшения проницаемости с ростом ча-
стоты весьма сложны и объясняются главным образом релаксацион-
ными, а иногда и резонансными явлениями. Чем выше начальная про-
ницаемость, тем ниже граничная частота.
Во многих случаях вместо tg б удобнее пользоваться понятием
относительного тангенса угла потерь tg б/р,н.
Относительный температурный коэффициент магнитной прони-
цаемости а^. Значительная зависимость свойств ферритов от темпера-
туры по сравнению с другими высокочастотными магнитными материа-
лами, особенно по сравнению с магнитодиэлектриками (см. далее),
объясняется их низкой точкой Кюри. Например, для высокопроницае-
298
мых никельцинковых ферритов Тк меньше 100° С. В то же время из-
вестно, что при температурах ниже Тк, но близких к ней, имеют место
значительные изменения проницаемости и других магнитных свойств.
Для оценки температурных изменений проницаемости пользуются
температурным коэффициентом магнитной проницаемости TK|i
и относительным температурным коэффициентом магнитной прони-
цаемости ац, определяемым из выражения
~ __ Н/2 — Р71
ц н?1(/2-лГ
(30.2)
При этом в выражение (30.2) можно подставлять различные виды
проницаемости — начальную, максимальную, обратимую и т. п. Ана-
логично вводят понятия температурного и относительного температур-
ного коэффициентов магнитной индукции, коэрцитивной силы и т. п.
Наиболее благоприятную температурную характеристику имеют
марганеццинковые ферриты, температурные свойства всех других ти-
пов ферритов значительно хуже.
Зависимость обратимой магнитной проницаемости |лобр от напря-
женности подмагничивающего поля. Для ферритов характерна сильная
зависимость |лобр от напряженности магнитного поля, что объясняется
незначительным действием вихревых токов. Эти зависимости остаются
неизменными в широком диапазоне частот, что позволяет, например,
применять ферриты в схемах дистанционной настройки. Отметим, что
применение в подобных устройствах других высокочастотных магнит-
ных материалов (металлических микронного проката или магнито-
диэлектриков) практически невозможно. Это объясняется тем, что
для магнитодиэлектриков |лобр ~ const, а для металлических материа-
лов, кроме малой зависимости |лобр от напряженности постоянного маг-
нитного поля (приблизительно в 100 раз меньшей, чем для ферритов),
характеристики различны при разных частотах.
Практический интерес представляют вопросы стабильности магнит-
ных свойств ферритов во времени. С течением времени магнитная про-
ницаемость ферритов падает. Величина уменьшения |л сильно зависит
от состава и условий спекания, а также от температуры образцов.
Можно считать, что начальная магнитная проницаемость замкнутого
магнитопровода в течение первого года после изготовления феррита
падает на 3%. Дальнейшие изменения незначительны. Удельное со-
противление р, измеренное при постоянном токе, для различных марок
ферритов составляет 10"3—1012 Ом *м. Удельное сопротивление марга-
неццинковых ферритов значительно меньше, чем других; это приводит
к уменьшению /кр и ограничивает частотный диапазон применения
марганеццинковых ферритов несколькими мегагерцами.
Детали из ферритов могут быть изготовлены любых форм, которые
позволяет керамическая технология. Широкое применение получили
кольцевые, броневые, стержневые (с круглыми и прямоугольными сече-
ниями), III- и П-образные сердечники.
В механическом отношении ферриты отличаются высокими твер-
достью и хрупкостью. Обработка ферритов наиболее успешно может
быть произведена с помощью абразивных инструментов из синтетиче-
299
ских алмазов. Этими инструментами можно выполнить все виды опера-
ций — резку, плоское шлифование, круглое наружное и внутреннее
шлифование и др. Пробивку отверстий в ферритовых деталях можно
осуществлять ультразвуком. Он позволяет также осуществлять пайку
ферритов между собой и с металлом (латунью, медью, алюминием
и др.). Соединяют ферритовые детали путем склеивания их полисти-
рольным, эпоксидным и другими клеями.
Таблица 30.1
Параметры ферритов общего применения
Марка материала tg6/nH. 10» (при f, МГц) max а.. - 10е и f 'кр’ МГц гк> °C
20000НМ 15000 75 (0,01) 35 000 0,5—1,0 0,01 по
10000НМ 8000—15000 90 (0,02) 17 000 0,5—1,0 0,3 но
6000НМ 4800—8000 60 (0,02) 10 000 0,6—2,2 0,01 130
6000НМ1 4800—8000 30 (0,03) 10 000 0—1,5 0,13 130
4000НМ 3500—4800 60(0,1) 7 000 1,5—2,5 0,1 130
3000НМ 2500—3500 60(0,1) 3 500 2—3 0,2 140
2000НМ 1700—2500 45(0,1) 3 500 0—3,5 0,45 200
1500НМ 1200—1700 45(0,1) 2 500 1,5—3,7 0,6 200
юоонм 800—1200 45(0,1) 1 800 2,5—4,5 1,0 200
2000НН 1800—2400 300 (0,1) 6 000 3—9 0,02 70
1000НН 800—1200 200(0,1) 3000 5—1,5 0,4 ПО
600НН 500—800 125(0,1) 1 500 6—15 1,2 ПО
Примечания. 1. tg 6/|Ын измерен в поле Н т — 8 А/м; 2. Значения 0Сц приведены для
интервала температур от 4-20 до —60° С.
В табл. 30.1 приведены некоторые параметры магнитомягких фер-
ритов общего применения (ГОСТ 14208—69). Промышленностью освоен
также выпуск термостабильных ферритов марок 2000НМЗ, 2000НМ1,
1500НМЗ, 1500НМ1, 1000НМЗ, для которых характерно малое значе-
ние (ГОСТ 17141—71).
Существенными преимуществами марганеццинковых ферритов по
сравнению с никельцинковыми являются: значительно меньшие потери
на гистерезис, более высокая индукция и меньший температурный ко-
эффициент магнитной проницаемости; недостатками — меньшее зна-
чение /кр, что позволяет рассматривать марганеццинковые ферриты
как низкочастотные (до нескольких мегагерц), а никельцинковые —
как высокочастотные (до сотен мегагерц).
Ферриты с высокой проницаемостью [нн^( 1000-4—2000)] при работе
в слабых полях имеют преимущества (меньшие tg6 и потери) перед
низконикелевыми пермаллоями тонкого проката и электротехниче-
скими сталями. Никельцинковые ферриты с проницаемостью р,н =
= 200 600 находят применение на более высоких частотах и в бо-
лее сильных полях, чем ферриты с высокой проницаемостью. При жест-
ких требованиях к величине нелинейных искажений марганеццинко-
вые ферриты лучше никельцинковых, а в устройствах с подмагничива-
нием лучше никельцинковые. Ферриты с проницаемостью в десятки
единиц применяют в высокочастотной части спектра радиочастот.
300
§ 30.3. Магнитодиэлектрики
Магнитодиэлектрики представляют собой конгломе-
рат из измельченного ферромагнетика, частицы которого разделены
между собой в электрическом отношении изолирующими пленками из
немагнитного материала, являющегося одновременно механической
связкой.
Магнитные свойства магнитодиэлектриков в значительной степени
определяются особенностями намагничивания совокупности отдельных
ферромагнитных частиц, а следовательно, их размерами и формой,
взаимным расположением, соотношением между количествами ферро-
магнетика и диэлектрика. Магнитные свойства исходного ферромагне-
тика (наполнителя) влияют на параметры магнитодиэлектрика срав-
нительно мало.
Магнитодиэлектрики, как и ферриты, обладая высоким удельным
электрическим сопротивлением, являются высокочастотными магнит-
ными материалами. Они имеют некоторые преимущества перед ферри-
тами, прежде всего более высокую стабильность свойств. Кроме того,
особенности технологии производства магнитодиэлектриков, соответ-
ствующей технологии пластмасс, позволяют получить изделия значи-
тельно более высоких классов точности и чистоты, чем при керамиче-
ской технологии получения ферритов. По ряду электромагнитных пара-
метров магнито диэлектрики уступают ферритам.
Наиболее широко применяют магнитодиэлектрики на основе альси-
фера и карбонильного железа.
Магнитодиэлектрики на основе альсифера. Альсифер представляет
собой сплав алюминия, кремния и железа. Для магнито диэлектриков
применяют сплавы с содержанием 9—11 % Si и 6—8% А1. В данном слу-
чае, как было указано, нет необходимости путем строгого выдержива-
ния состава стремиться к получению наибольшего значения магнитной
проницаемости. Значения коэффициентов потерь на гистерезис и после-
действие минимальны при содержании кремния 9,4—10,2% (при 7,5%
А1) и алюминия 7,2—8,0% (при 10% Si).
Важная особенность альсифера состоит в том, что его температурный
коэффициент магнитной проницаемости в зависимости от содержания
кремния и алюминия может быть меньше, больше или равен нулю.
Альсифер является дешевым и недефицитным материалом. Все это
обеспечило ему широкое применение в качестве ферромагнитной фазы
магн итодиэле ктр и ков.
Технологический процесс производства магнитодиэлектриков на
основе альсифера сводится к следующему:
1) литье сплава в высокочастотной печи, охлаждение отливок
в воде для придания сплаву большей хрупкости, размол в шаровых
или вибромельницах, рассев и отжиг для снятия наклепа при 950—
980° С в вакууме;
2) приготовление изолирующего состава, для чего применяют как
органические электроизоляционные материалы (бакелит, полистирол,
шеллак), так и неорганические электроизоляционные материалы (жид-
кое стекло, стеклоэмали и др.). Используются также изолирующие
301
свойства оксидных пленок, образующихся на поверхности ферромаг-
нитных частиц. В порошок альсифера вводят связку, смесь перемеши-
вают и подогревают для удаления воды, содержащейся- в связке;
3) прессовка сердечников в пресс-формах из высококачественной
стали на гидравлических прессах при сравнительно высоких давлениях.
Спрессованные детали для снятия наклепа от прессования подвер-
гают отжигу в камерной печи при температуре 780° С с выдержкой
около 40 мин и охлаждением на воздухе. После термической обработки
сердечники кипятят в воде для удаления жидкого стекла и остатков
хромового ангидрида, после чего их высушивают в термостате и произ-
водят старение для стабилизации свойств во времени в течение 48 ч
при 140—160° С. Изготовленные таким образом сердечники гигроско-
пичны, поэтому их пропитывают бакелитовым лаком и смолу полимери-
зуют при 120° С в течение 2—3 ч. Описанный процесс производства
альсифера сердечников является только одним из возможных.
Основные параметры колец из альсифера различных марок для ап-
паратуры проводной связи и радиоаппаратуры приведены в табл. 30.2.
Буквы в марке кольца означают: ТЧ — тональная частота; ТЧК —
тональная частота с компенсированным температурным коэффициен-
том магнитной проницаемости; ВЧ — высокая частота; ВЧК — высо-
кая частота с компенсированным температурным коэффициентом маг-
нитной проницаемости; П и Р — назначение колец — для аппаратуры
проводной связи или радиоаппаратуры.
Магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа. В гл. 29
было указано, что карбонильное железо может быть получено в виде
порошка с частицами сфероидальной формы. Дисперсность порошка
зависит от условий термического разложения пентакарбонила железа
и увеличивается с ростом температуры. Для изготовления магнитоди-
электриков химическая промышленность выпускает два класса карбо-
нильных железных порошков: класса «Р» (марок Р-10, Р-20, Р-100)
для радиоаппаратуры, и класса «П» — для проводной связи.
Технологический процесс производства сердечников из порошка
карбонильного железа состоит в изолировании порошка, прессовании
деталей и их низкотемпературной термической обработке для придания
механической прочности и стабилизации свойств.
В табл. 30.3 приведены основные электромагнитные параметры маг-
нитодиэлектриков на основе карбонильного железа.
Кроме магнитодиэлектриков на основе альсифера и карбонильного
железа известны и другие магнитодиэлектрики, например, на основе
пермаллоев.
Для производства магнитодиэлектриков на основе пермаллоев в ос-
новном используют порошки из молибденового пермаллоя.
Использование пермаллоев обычного химического состава (см.
гл. 29) невозможно, ввиду их высокой пластичности. Для придания
этим сплавам хрупкости в них в процессе выплавки вводят небольшое
количество серы. Такой пермаллой относительно просто измельчается
в порошок с размерами частиц порядка десятков микрометров. На
основе молибденового пермаллоя промышленность выпускает шесть
марок магнитодиэлектриков П-60; П-100; П-140; П-250; ПК-60;
302
Таблица 30.2
Основные параметры колец из альсифера (ГОСТ 8763—58)
Для аппаратуры проводной связи
Параметры Тип кольца
ТЧ-90П ТЧ-60П ТЧК-55П ВЧ-32П ВЧ-22П ВЧК-22П
Начальная магнитная проницаемость цн при 20 °C 82-94 55—65 50—60 30-34 20—24 20—24
Температурный коэффи- циент начальной магнит- ной проницаемости ТКцн в интервале температур от +20 до +70 °C, К”1 . . • -600-io-» -400 X X Ю-з (- 150 + + 50) 10—® - 250 X X IO-® - 200 X X 10-« (-50— ++5О)’.1О-°
Коэффициент потерь на вихревые токи 6В, 1/Гц 1000.10-е 250-10—» 250.10-» 85-10—» 12-10—» 12-10-»
Коэффициент потерь на х 1 А гистерезис о_, — ... 1 oU М 7-10-8 5.10—3 5.10-8 2.10-8 1,2.10-8 1,2.10-8
Коэффициент дополни- тельных потерь бд ... З-10—з 2,0-Ю—з 2.0.10-8 1,2.10-8 1,2.10-8 1,2.10-8
Рабочий диапазон ча- стот, кГц (не более) . . . 10 10 10 50 100 100
Для радиоаппаратуры
Параметры Тип кольца
ТЧ-90Р ТЧ-60Р ТЧК-55Р ВЧ-32Р ВЧ-22Р ВЧК-22Р
Начальная магнитная проницаемость цн при 20 °C 82—94 55-65 50—60 30-34 20—24 20—24
Температурный коэффи- циент начальной магнит- ной проницаемости ТКцн, К”1, при температуре; 20 + 70 °C - 600 X X 10“® - 400 X X 10-® (—150+ ++50) -10-в -250 X X 10-« - 200 X X 10-е + +50)10-в
+ 20 + — 60 СС . . . — — (-450+ +-+150)10—3 — — (- 15С— +4 150)4 6-°
При f — 60 кГц При f = 100 кГц
Относительный тангенс угла потерь tg 6/цн: при Н 16 А/м. . . при Н 40 А/м4 не не более . 7,2.10-* 8,1.10-* 3,27.10-* 3,55.10-4 3,6.10-4 3,9.10-4 3,37.10-4 3,56.10-4 1,32.10-4 1,5.10-4 1,32.10-4 1,5.10-4
303
Таблица 30.3
Электромагнитные параметры магнитодиалектрикоа на основе
карбонильного железа
Марка карбонильного железа ^н 6Г-Ю\ 1 А/м бв.1О’, 1/Гц 6д.1О» ткцн-10° к-1 (в интервале темпера- тур -60 4--Н00°С)
Р-10 13—15 0,3—0,5 2—3,5 0,15—0,25 25—180
Р-20 12—14 0,15—0,25 2—3,0 0,05—0,10 20—150
Р-100 10—12 0,06—0,12 1—2,8 0,05—0,10 15-80
Пс 11 — 13 0,15 =S3,5 ^0,2 25—110
ПК-100 с начальной проницаемостью 60—250. Две из них имеют компен-
сированный коэффициент магнитной проницаемости. При равных зна-
чениях проницаемости коэффициенты потерь на гистерезис и вихре-
вые токи для магнитодиэлектриков марок П-100 и П-60 в несколько
раз меньше, чем для ТЧ-90 и ТЧ-60 (см. табл. 30.3).
§ 30 4. Ферриты для сверхвысоких частот
Ферриты для устройств СВЧ используют для работы в диапазоне
частот от сотен до десятков тысяч мегагерц, т. е. в диапазоне длин волн
от метров до миллиметров.
Для передачи электромагнитной энергии такой частоты применяют
волноводы — полые металлические трубы различной конфигурации,
чаще всего с прямоугольной или круглой формой поперечного сече-
ния, а также коаксиальные и полосковые линии передачи.
Структуру поля и скорость распространения волн можно изме-
нять, помещая внутрь волновода.феррит, что и осуществляют при созда-
нии различного рода устройств СВЧ. Ферриты в таких устройствах
используют при одновременном действии на них переменного магнит-
ного поля h СВЧ-диапазона и постоянного магнитного поля Но. В этих
условиях магнитная проницаемость р является тензорной величиной.
Если переменное поле достаточно слабо, тензор магнитной проницае-
мости можно записать следующим образом:
И =
/X О
р, о
0 Ни
(34.3)
где р, рц — диагональные, a jpa и —/ра — не диагональные компоненты
тензора.
В общем случае эти компоненты зависят от напряженности постоян-
ного поля Но, угловой частоты со, напряженности переменного поля
h, а также от свойств феррита — намагниченности и значения гиро-
магнитного отношения у для данного вещества.
Отметим характерные особенности тензора магнитной проницае-
мости:
304
1) тензор является несимметричным, так как его недиагональные
компоненты не равны; наличие несимметричности позволило создать
СВЧ-устройства, не удовлетворяющие принципу взаимности;
2) зависимости компонентов р и |ла тензора от со и Но имеют резо-
нансный характер; при совпадении со с частотой собственной прецес-
сии со = уН0 возникает гиромагнитный резонанс; это явление исполь-
зуют при создании некоторых устройств СВЧ.
Наглядное представление об особенностях магнитной проницаемо-
сти на СВЧ можно получить, рассмотрев часто реализуемый на прак-
тике случай взаимно перпендикулярного расположения постоянного
магнитного поля Но, направленного по оси г и поляризованного по
кругу переменного поля
h (hx = h; hy = ± jh\ h2 = 0).
Можно показать, что для этого случая магнитная проницаемость
р±, представляющая собой простую линейную комбинацию компонен-
тов тензора р, является скалярной величиной и при наличии потерь,
всегда имеющих место в реальных условиях, выражается комплекс-
ным числом
н± = н±-/н±,
где индексы «+» и «—» означают круговую поляризацию соответст-
венно правого и левого вращения.
На рис. 30.1 приведены графики зависимостей действительной р4
(кривые а), мнимой (кривые б) частей магнитной проницаемости
и намагниченности в координатах р0Л4 (кривые в) от HQ при со = const.
Из рис. 30.1, а и б видно, что зависимости р^_ и р^от HQ имеют резо-
нансный характер, a pl и р! меняются монотонно.
Ширину резонансной кривой принято оценивать величиной ДЯ,
которую называют шириной линии гиромагнитного резонанса и опре-
деляют как разность полей, при которых
, __шахр;
Р+ 2
Кроме значения АН к основным характеристикам феррита СВЧ
относятся: намагниченность насыщения MS9 точка Кюри Тк, комп-
лексная диэлектрическая проницаемость е = е' — /е" и тангенс угла
диэлектрических потерь tg 6Э = e"/s'.
При конструировании ферритовых устройств СВЧ часто наряду
с основными параметрами требуется знание таких параметров, как
остаточная магнитная индукция, коэрцитивная сила, начальная маг-
нитная проницаемость и знание зависимостей параметров от темпера-
туры, частоты и напряженности внешнего магнитного поля.
При использовании материала в сложных климатических условиях
и при повышенных значениях уровня мощности СВЧ необходимо
иметь сведения о теплофизических, механических и нелинейных свой-
ствах ферритов.
Важной характеристикой феррита является его плотность (по-
ристость), поскольку от нее зависят параметры 44^, Д#, е и др.
11 п/р Тареева
305
Рис. 30.1. Зависимость компонентов
комплексной магнитной проницаемости
от постоянного поля Н_ при попереч-
ном магнитном поле h с круговой по-
ляризацией правого (+) и левого (—)
вращения:
а — действительной части проницаемости
ц,'; б — мнимой части проницаемости ц";
в — намагниченности М
Ферритовый элемент, помещенный внутрь волновода, называют
ферритовым вкладышем. Его размер и конфигурация определяются
назначением устройства СВЧ (вентиль, фазовращатель, циркулятор
и т. д.) и условиями его работы (диапазоном рабочих частот и темпе-
ратур, уровнем мощности).
Вкладыши из ферритов СВЧ изготовляют в виде пластин, дисков
и цилиндрических стержней.
В резонансных вентилях, циркуляторах, фазовращателях и в ряде
других устройств на прямоугольных волноводах используют главным
образом прямоугольные пластины. Для согласования (уменьшения
коэффициента стоячей воды в трак-
те) концы пластин бывают скошен-
ными, закругленными, ступенчаты-
ми или в виде стрелки. Длина,
ширина и высота пластины зависят
от типа устройства, расположения
пластины в волноводе, рабочей ча-
стоты и требований, предъявляе-
мых к электромагнитным парамет-
рам устройства в целом.
Вкладыши для X- и Y-циркуля-
торов имеют вид дисков, размеры
которых зависят от конструкции
циркулятора и параметров материа-
ла, используемого в данном цир-
куляторе.
Цилиндрические стержни ис-
пользуют обычно в устройствах, ос-
нованных на эффекте Фарадея.
Кроме названных в качестве
вкладышей из ферритов применяют
сферы и полусферы (в резонанс-
ных вентилях, ограничителях мощ-
ности и т. д.) различных диамет-
ров, а также более сложные конфи-
гурации (рамки, шайбы, фигурные
пластины).
Обычно при изготовлении фер-
ритов для диапазона СВЧ исполь-
зуют окисную технологию. В процессе производства необходимо тща-
тельно соблюдать все особенности технологического процесса, по-
скольку воспроизводимость материала существенным образом зависит
от многих причин — подбора исходного сырья по содержанию в нем
примесей, его «активности», режима помола, режимов предваритель-
ного и особенно окончательного обжигов и др.
Применение ферритов в дециметровой области диапазона СВЧ
и главным образом разработка ряда устройств, в которых исполь-
зуются нелинейные свойства ферритов СВЧ, потребовало создания
материалов с минимально узкими линиями гиромагнитного резонанса.
306
Повышение плотности материала, необходимое для уменьшения шири-
ны линии гиромагнитного резонанса, возможно при замене поликрис-
таллического материала монокристаллическим.
В практике изготовления монокристаллов ферритов применяют
в основном два метода: выращивание монокристаллов из раствора
в расплаве и пламенно-водородный метод (метод Вернейля).
Первый метод заключается в выращивании монокристаллов в рас-
плавленном растворителе. Растворители должны иметь низкую темпе-
ратуру плавления и слабую летучесть. В расплавленном состоянии
они должны хорошо растворять исходные оксиды, но не сам феррит,
и легко отделяться от выращенных монокристаллов. Известны раз-
личные растворители. Технологический процесс заключается в сле-
дующем. Шихту составляют из растворителя и исходных компонентов
феррита. После тщательного перемешивания она подвергается нагре-
ванию и охлаждению по соответствующему температурно-временному
режиму. После охлаждения монокристалл отделяется. Таким образом,
могут быть получены образцы размером до нескольких миллиметров.
Второй метод заключается в выращивании монокристаллов в кис-
лородно-водородном пламени кристаллизационного аппарата. В этом
случае шихта равномерно подается через зону пламени горелки на
жаропрочную подложку-свечу. На свече сначала образуется конус
из спеченных частиц, а затем из вершины конуса вырастает моно-
кристалл. По мере роста монокристалла свеча с помощью механизма
постепенно опускается. Для выращивания ориентированных моно-
кристаллов на свечу устанавливают затравку в виде соответственно
ориентированного осколка монокристалла. Таким образом, можно
выращивать более крупные образцы диаметром до 10—15 мм, длиной
Таблица 30.4
Основные параметры некоторых поликристаллических ферритов для СВЧ
Марка феррита HOA1S, Т не А/м и' гк- °C е' tgfi9 X X 10s о, Мг/м3 Р, Ом»м ДН„ кА/м
А, = 10 см
Иттриевые ферриты- —гранаты
10СЧ6 0,175 56 100 280 14,8 7 5,02 1,2- 10Ю 4,8
зосчз 0,120 64 80 230 14,6 6 5,01 3,8 • 10» 5,6
30СЧ6 0,130 80 70 280 15 3 5,40 3,1 • 10» 8
40СЧ2 0,075 56 50 180 14,4 5 4,97 5,1 • Юн 4,8
40СЧ4 0,085 200 30 280 15,5 3 5,60 9,9- 10Ю 13
40СЧ5 0,065 48 — 170 14,5 4 4,96 — 4,8
60СЧ 0,047 80 30 150 14 4 4,92 9,0- 10» 4,8
80СЧ 0,030 160 20 120 13,5 3 4,91 1,6-10» 4,8
90СЧ 0,021 40 — 100 13 з 4,89 —— 4,0
Литиевый феррит
10СЧ9 1 0,070 I 80 I 20 1 180 I 14,5 1 3 1 3,8 1 3,0.108 1 15
Примечания: Ц0А* s — в поле 400 — 640 кА/м; Нс — определена на кольцевых образ-
цах при напряженности поля в образце 4 кА/м; ц/ — при /==1,1 МГц; ей tg б9 — при f =»
«= 3000 МГц. Все измерения сделаны при комнатной температуре.
11* 307
50—80 мм и более. Ферриты со структурой гранатов (феррогранаты
иттрия) и других редкоземельных элементов (лантанидов) выращивают
как в виде поликристаллических тел, так и в виде монокристаллов.
Отечественная промышленность выпускает свыше 50 марок поли-
кристаллических ферритов СВЧ (иттриевые ферриты — гранаты, ли-
тиевые, магниевые, никелевые ферриты, магниевые ферроалюминаты,
никелевые и магниевые феррохромиты) и несколько марок монокристал-
лов. Параметры некоторых поликристаллических ферритов для СВЧ
приведены в табл. 30.4.
Глава 31
МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
С ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ПЕТЛЕЙ ГИСТЕРЕЗИСА
Материалы с почти прямоугольной формой петли гистерезиса
(ППГ) находят широкое применение в устройствах автоматики, вы-
числительной техники, аппаратуре телеграфной связи, многоканаль-
ных импульсных системах радиосвязи и т. д.
§ 31.1. Требования к материалам с ППГ
Степень прямоугольности петли гистерезиса характеризуют коэф-
фициентом прямоугольности
а = Вг/ Втах, (31.1)
где Вг — остаточная магнитная индукция, соответствующая макси-
мальному значению магнитной индукции Втах. Для петли гистерезиса
с идеальной прямоугольностью а = 1,0; для применяемых в практике
материалов а = 0,85 ч- 0,98.
Сердечник из материала с идеальной прямоугольностью петли
гистерезиса имеет два устойчивых магнитных состояния, соответ-
ствующих положительному и отрицательному значениям остаточной
магнитной индукции, и поэтому представляет собой магнитный эле-
мент для хранения и переработки двоичной информации.
Рассмотрим процессы изменения магнитного состояния кольцевого
сердечника, на который наложены три обмотки — w19 w2> w3, Усло-
вимся при этом называть состояние, при котором В = 4-Вг, состоя-
нием «1», а при котором В = —Вг — состоянием «0». За исходное
примем состояние «1».
Если в одну из обмоток, например подать положительный им-
пульс тока, то магнитное состояние изменится от +ВГ до 4-Втах.
Для материала с а < 1 это будет сопровождаться возникновением
э. д. с. в других обмотках. Так, в обмотке ш3 возникает э. д. с.
t/Ф А Ф1 /о 1
(31.2)
где ДФХ — изменение магнитного потока; Д/х — время изменения
магнитного потока.
308
Э. д. с. представляет собой помеху; для петли гистерезиса с иде-
альной прямоугольностью она равна нулю. Следовательно, для мате-
риалов с ППГ желательно иметь коэффициент прямоуеольности а
возможно более близкий к единице.
Если в одну из обмоток, например в подать отрицательный им-
пульс тока, то сердечник перемагнитится из состояния «1» в состояние
«О» и в обмотке ш3 возникнет полезный сигнал считывания единицы
в виде э. д. с.
ЛФ ДФ2 /О1
е3 = — w3-^-^-w3-^-, (31.3)
где т — время перемагничивания, т. е. время, необходимое для пере-
ключения сердечника с ППГ из одного состояния остаточной индук-
ции в противоположное; т должно быть по возможности малым.
Уменьшение т помимо пропорционального увеличения быстродей-
ствия устройства вызывает также возрастание выходного сигнала,
снимаемого с элемента.
Время переключения сердечников с ППГ в устройствах автоматики
и вычислительной техники составляет несколько микросекунд или
долей микросекунды.
Для обеспечения быстрого перемагничивания сердечников они
должны иметь небольшое значение коэффициента переключения Sw,
под которым понимают величину магнитного заряда (импульс магнит-
ного поля), необходимого для полного переключения сердечника,
т. е. для его перемагничивания из состояния остаточной индукции
в противоположное состояние максимальной индукции.
При работе сердечника с ППГ в режиме совпадения двух или не-
скольких токовых импульсов важным, параметром является квадрат-
ность петли гистерезиса, которую характеризуют отношением напря-
женности поля трогания к коэрцитивной силе (0 = причем
за Ят принимают величину поля, приводящую к уменьшению остаточ-
ной индукции на 0,1.
Для исследования процессов динамического перемагничивания
материалов с ППГ удобно пользоваться понятием напряженности
динамического порогового поля которая является по существу
формальным параметром и определяется отрезком, численно равным
отрезку на оси И, отсекаемому прямой, аппроксимирующей зависи-
мость 1/т = f (Н).
Важной характеристикой материалов с ППГ является зависимость
их свойств от температуры. При повышении температуры площадь
петли гистерезиса материалов с ППГ уменьшается, а прямоугольность
ее ухудшается, т. е. происходит уменьшение коэрцитивной силы,
остаточной индукции и коэффициента прямоугольности. При охлаж-
дении наблюдаются обратные явления.
В зависимости от особенностей устройства, в которых используются
материалы с ППГ, требования к ним могут быть различны. Так, мате-
риалы, предназначенные для работы в устройствах переработки дис-
кретной информации, должны отличаться небольшим значением
коэрцитивной силы Нс. Наоборот, материалы, предназначенные для
309
работы в устройствах хранения дискретной информации, в которых
для переключения сердечников используется принцип совпадения
нескольких токов, должны иметь большое значение Нс для обеспечения
высокого быстродействия.
§ 31.2. Материалы с ППГ
В промышленности применяют две группы материалов с ППГ:
ферриты и пермаллои микронного проката. Ввиду хороших магнитных
параметров, представляют интерес и тонкие магнитные пленки, однако
промышленного применения они не получили из-за плохой воспроиз-
водимости характеристик.
Наиболее широкое распространение получили ферритовые сер-
дечники с ППГ благодаря спонтанной прямоугольности петли гисте-
резиса ферритов. Технология производства ферритовых сердечников
с ППГ значительно проще процесса изготовления ленточных сердеч-
ников из сплавов тонкого и сверхтонкого (микронного) проката. Однако
сердечники микронного проката выгодно отличаются от ферритовых
своей температурной стабильностью и лучшими магнитными свой-
ствами.
Наибольшее применение из ферритов с ППГ имеют ферриты маг-
ниймарганцевой системы. Широко применяют также ферриты, содер-
жащие литий, обладающие более высокой температурной стабиль-
ностью электромагнитных параметров.
Технология производства ферритов с ППГ является прецизионной.
Обычно для получения ферритов с ППГ используют оксидную техно-
логию, а также комбинированный метод с осаждением гидроокисей.
Характерными особенностями производства ферритов с ППГ яв-
ляются: высокая температура окончательного обжига (до 1400° С)
и «воздушная закалка» изделий, которая состоит в том, что изделия
после нагрева и выдержки при максимальной температуре окончатель-
ного обжига высыпают на воздухе на металлический противень.
Закалка фиксирует фазовые соотношения, полученные при высо-
кой температуре, и предохраняет ферриты от окисления на воздухе.
Однако закалка приводит также к появлению дополнительных напря-
жений в образцах и делает изделия хрупкими. Неизбежные отклонения
в температуре закалки приводят к различию в магнитных свойствах.
Чтобы избежать этой операции, используют вакуумные печи или печи,
наполненные инертным газом, где можно осуществить медленное
охлаждение без опасности окисления.
Прессование колец производят на автоматических прессах. Дав-
ление корректируют в зависимости от прочности прессуемых деталей
и их усадки при обжиге.
Аналогично в специальных пресс-формах можно изготавливать
сердечники со сложным магнитопроводом (СМАГи): трансфлюксоры,
биаксы и др. Однако для формирования сердечников сложной конфи-
гурации чаще используют метод горячего литья под давлением. Для
запоминающих устройств изготовляют ферритовые пластины неболь-
ших размеров с очень большим числом отверстий.
310
В табл. 31.1 приведены основные, а в табл. 31.2 — вспомогатель-
ные параметры нормализованных ферритов с ППГ.
Таблица 31.1
Основные параметры ферритов с ППГ
Система состава Марка феррита Нс, А/м вг> Т Нт/«с (не ме- нее) ТКНС’ %/К (В ин- тервал е - 60 4- 4- + 20° С) Г К- °C (не ме- нее)
2JBT 167 0,18 0,72 +0,7 240
xMg-Mn 1,75ВТ 139 0,21 0,75 +0,7 250
1.5ВТ 119 0,22 0,70 +0,7 250
0,9ВТ 72 0,25 0,75 +0,8 230
0.7ВТ 56 0,23 0,70 +0,8 240
0,44ВТ 35 0,16 0,70 + 1,1 180
Mj-Mn-Zn-Ca 0,37ВТ 29 0,14 0,70 + 1,3 140
0,ЗВТ 25 0,21 0,70 +1,3 170
0,27В Т 21 0,20 0,72 + 1,7 НО
0,2ВТ 16 0,23 0,75 + 1,0 210
0,16ВТ 13 0,20 0,72 + 1,8 130
0,12ВТ 10 0,20 0,65 +2,0 ПО
Li-Mg-Мп звт 240 0,23 0,75 +0,22 550
100П 144—1200 0,24 0,75 +0,2 630
Li-Na 101П 144—1200 0,24 0,75 +0,12 630
Примечания. 1. Для ферритов всех групп, кроме ферритов на основе Li-Na, цифры
в обозначениях марок соответствуют номинальному значению Нс в эрстедах; буквы ВТ («вы-
числительная техникаэ) указывают на прямоугольностъ петли гистерезиса.
2. Для ферритов на основе Li-Na цифры в обозначениях марок указывают на принадлеж
ность к базовому составу и его модификациям; буква П обозначает прямоугольность петли
гистерезиса.
3. Для Вг и Нс даны номинальные значения, допустимые отклонения для Br — Hr 15%,
для Нс — ± 10% (для марок от 0,7ВТ до 0,12ВТ — ± 15%).
Процесс производства металлических сердечников микронного
проката в принципе не отличается от процесса производства сердеч-
ников из ленты толщиной порядка десятых долей миллиметра. Осо-
бенность состоит только в применении специального оборудования для
прокатки ленты на толщину менее 0,02 мм.
Металлические материалы с ППГ производят в соответствии с
ГОСТ 10160—62 «Сплавы железоникелевые с высокой магнитной
п рон ицаемостью».
В табл. 31.3 приведены магнитные свойства сплавов после терми-
ческой обработки. Свойства металлических сердечников микронного
проката приведены в табл. 31.4.
Сравнивая свойства различных групп материалов с ППГ, можно
сделать следующие выводы,
311
При создании аппаратуры, работающей в широком температурном
диапазоне, необходимо использовать сердечники микронного проката.
В переключающих устройствах, работающих на частотах в сотни кило-
герц, также целесообразно применять сердечники из сплавов 79НМ
(или 79НМА) с толщиной ленты 3 мкм и менее, так как эти сердечники
имеют наименьшее значение коэффициента переключения. При часто-
тах перемагничивания в десятки килогерц лучше использовать сер-
дечники из сплава 34НКМП с толщиной ленты 10 и 5 мкм, которые
имеют высокий коэффициент прямоугольности (до 0,98).
Таблица 31.2
Вспомогательные параметры ферритов с ППГ
Система состава Марка феррита а ткнт, % к-1 (в интервале - 60 4- -+-20°С) т квг, % к-> (в интервале - 60-г+20°С) А-мкс/м р, Ом м
2,2ВТ 0,90 +0,7 +0,20 44 5-104
1,75ВТ 0,90 +0,7 +0,20 48 1 - 102
Mg-Mn 1,5ВТ 0,91 +0,7 +0,25 52 5- 102
1,ЗВТ 0,91 +0,8 +0,25 52 3- 102
0,9ВТ 0,92 +0,8 +0,25 48 2- 102
0,7ВТ 0,93 + 1,0 +0,25 44 2- 102
0,44ВТ 0,93 +1,0 +0,35 44 2- 102
Mg-Mn-Zn-Ca 0,37ВТ 0,93 +1,4 +0,40 48 1 - 10«
0,ЗВТ 0,93 + 1,0 +0,40 48 1 - 104
0,27ВТ 0,90 +2,0 +0,60 36 2- Юз
0,16ВТ 0,93 +1,8 +0,45 40 5- 102
0,12ВТ 0,91 +2,0 +0,55 28 6- 104
Li-Mg-Mn ЗВТ 0,89 +0,3 +0,25 48 5- 10&
100П 0,90 +0,2 +0,10 52 1 • 10«
Li-Na 101П 0,90 +0,15 +0,10 52 1 • 10«
Вследствие сложности технологического процесса сердечники ми-
кронного проката являются дорогими элементами, поэтому желательно
использование более технологичных ферритовых сердечников, осо-
бенно, когда необходимо их большое количество.
В запоминающих устройствах целесообразно применение сердеч-
ников из ферритов марок 0.9ВТ; 1 ,ЗВТ; 1,5ВТ; 1.75ВТ; 2,1 ВТ, а в логи-
ческих схемах лучше использовать ферриты 0,12ВТ; 0.16ВТ и др.
Размеры сердечников должны быть минимальны, они определяются
технологичностью производства, разбраковки и сборки сердечников,
числом витков обмоток, размещенных на сердечнике, и мощностью,
передаваемой через магнитный элемент.
312
Применение тонких магнитных пленок целесообразно в малога-
баритных быстродействующих запоминающих устройствах.
Таблица 31 3
Магнитные свойства сплавов с ППГ после окончательной термической обработки
(по данным ГОСТ 10160—62)
Марка сплава Толщина или диа- метр, мм А/м а при Я=800 А/м
не более не менее
50НП 0,02 20 0,85
0,05 18
50НП-У 0,02 18 0,90
0,05 14
65НП 0,02—0,04 6,4 0,90
0,05—0,08 3,2
0,10—0,18 2,8
0,20—0,30 2,4
0,35—0,5 2,4
34НКМП 0,02—0,04 16 0,90
0,05—0,08 12 0,87
0,10—0,18 8 0,85
0,20—0,50 6,4 0,85
Таблица 31.4
Магнитные свойства лент с ППГ толщиной 0,003 мм
Сплавы нс, А/м вг, т а. % Swf А* мкс/м
50НП 28—32 1,40 90—91 79—87
60НП 20—24 1,25 95—96* 87—95
68НМП 16—20 1,20 94—95* 79—87
34НКМП 40—48 1,10 95—96* 95
80НМА 3,6—4,8 0,65 88—90 28
79НМ 6,4—7,2 0,60 90—91 28
77НМД 4,8—5,6 0,55 91—92 24
♦ После термомагнитной обработки.
313
Глава 32
МАГНИТНЫЕ ПЛЕНКИ
§ 32.1. Общие сведения
Рис. 32.1. Различные структуры доменов
в магнитных пленках (а) и зависимость
удельной магнитноц энергии w пленки от
ее толщины 6 для разных структур (б)
dob много меньше, чем остальные.
В гл. 31 было указано, что в качестве материалов с ППГ могут быть
использованы тонкие магнитные пленки. Однако ввиду плохой вос-
производимости их свойств они не получили широкого практического
применения. Более перспективно применение тонких магнитных
пленок для получения специфичных доменных структур, которые
можно с успехом использовать в информационно-измерительных,
вычислительных и автоматических устройствах. Такие устройства от-
вечают требованиям микроминиатюризации, быстродействия, малого по-
требления энергии, надежности.
К специфичным доменным
структурам относят: полосовые,
цилиндрические магнитные до-
мены (ЦМД) и др. Образование
таких структур происходит в тон-
ких магнитных пленках (ТМП),
под которыми понимают слои
ферромагнитных и ферримагнит-
ных веществ толщиной порядка
микрона и менее. Эти структуры
могут возникать также в тонких
пластинках из некоторых мате-
риалов. Характер доменов зави-
сит от физических свойств веще-
ства и от толщины пленки.
В очень тонких пленках веще-
ство находится в «двумерном»
состоянии, т. е. один из разме-
В связи с этим возникающие в
них явления отличаются от явлений в массивных образцах. Ввиду то-
го что коэффициент размагничивания в плоскости пленки на много по-
рядков меньше, чем в направлении нормали к пленке, вектор намаг-
ниченности располагается параллельно плоскости пленки. Образование
замкнутых на себя областей с противоположными направлениями на-
магничивания по толщине слоя не происходит. Кристаллографическая
структура пленок для магнитомягких веществ, например для пермал-
лоя, характеризуется самопроизвольным возникновением одноосной
анизотропии с направлением оси легкого намагничивания в плоско-
сти пленки. Иногда такая анизотропия создается принудительно в про-
цессе производства пленки.
На рис. 32.1, а показаны три возможные структуры доменов для
тонких пленок, а на рис. 32.1, б — зависимость удельной энергии от
толщины пленки для каждой из структур. Из рис. 32.1 видно, что с уве-
314
личением толщины пленки энергетически выгодным является переход
от структуры 1 к структуре 2 и от структуры 2 к структуре 3.
В последнее время большое внимание уделяется исследованию
так называемых закритических пленок. Такое название они получили
потому, что закритические свойства воз-
никают только в пленках, толщина ко-
торых больше некоторой критической.
Если для очень тонких пленок харак-
терно однодоменное состояние и магнит-
ная анизотропия, ориентированная в
плоскости пленки, то для закритических
пленок характерна многодоменная кон-
фигурация с микрополосовой доменной
структурой (рис. 33.2). Такая структура
была предсказана Л. Д. Ландау и
Е. М. Лифшицем. Толщина, при которой
перестраивается доменная структура, на-
ходится в интервале ЗЛО'5 4- 1 «Ю-3 см.
На рис. 32.2 видно, что полосовая
доменная структура состоит из длинных
узких доменов с шириной от долей мик-
рометра до нескольких микрон, причем
соседние домены намагничены в проти-
воположных направлениях. Существует
несколько теорий, объясняющих энерге-
тическую выгодность образования поло-
совой доменной структуры в закритиче-
ских пленках (в настоящей книге они не
рассматриваются). Закритические плен-
ки обладают петлей гистерезиса необыч-
ной формы (рис. 32.3); им свойственна
Рис. 32.2. Полосовая доменная
структура
Рис. 32.3. Закритическая петля
так называемая вращательная магнитная гистерезиса
анизотропия, под которой понимают
возможность осуществления поворота системы полос под действием
внешнего поля. Это свойство используется в информационных устрой-
ствах. Закритические пленки применяют также в качестве магнито-
управляемых дифракционных решеток, в голографии и в некоторых
других областях.
§ 32.2. Цилиндрические магнитные домены
Цилиндрические магнитные домены (ЦМД), или (как их иногда
называют) магнитные пузырьки, возникают при определенных усло-
виях в монокристаллических пластинках или пленках некоторых
ферритов. Впервые ЦМД изучались в веществах с общей химической
формулой RFeO3, где R — редкоземельный элемент или же близкий
к РЗМ иттрий. Эти соединения называют ортоферритами. Если из
монокристалла ортоферрита вырезать тонкую (порядка 0,05 мм)
пластинку в направлении, перпендикулярном оси легкого намагни-
315
чивания, то в ней возникает лабиринтная (серпантинная) доменная
структура.
На рис. 32.4, а показана эта структура, наблюдаемая с помощью
эффекта Фарадея. Векторы намагниченности в доменах ориентированы
в положительном или отрицательном направлениях вдоль нормали
к исследуемой поверхности, чему на рисунке соответствуют светлые
и темные участки. При воздействии на пластинку магнитного поля Явн,
направленного перпендикулярно к поверхности, лабиринтные домены
по мере увеличения поля сначала разрываются, приобретая гантель-
Рис. 32.4. Доменная структура в тонкой
пластинке ортоферрита:
а — лабиринтная структура (Нвн = 0); б —
переходная структура от лабиринтной к ЦМД
(Явн мало); в — структура ЦМД (достаточно
сильное Нвн); г — концентрация ЦМД около
очень тонкой ферромагнитной проволоки
ную форму, далее образуются
ЦМД (рис. 32.4, б, в), радиус
которых постепенно уменьшает-
ся, и, наконец, вся пластинка
намагничивается однородно, т. е.
образуется как бы один домен.
Отсюда следует, что ЦМД суще-
ствуют только в определенном
диапазоне значений напряжен-
ности поля Яви. Кроме ортофер-
ритов применяют и другие ма-
териалы, например ферриты-гра-
наты.
Для качественного объясне-
ния причин образования ЦМД
можно провести формальную ана-
логию между каплей жидкости,
находящейся на твердой подлож-
ке, и доменами. На каплю дей-
ствуют два рода сил: сила тяже-
сти, под действием которой капля
растекается по поверхности, и
силы поверхностного натяжения,
старающиеся придать капле фор-
му сферы. На домен в отсутст-
вие поля Явн действуют также
два рода сил: силы магнитостатического происхождения, стремящиеся
растянуть домен, и силы, связанные с наличием энергии доменной
стенки, стремящиеся сжать домен. Количественно в отсутствие поля
это приводит к «растеканию» домена по поверхности с образованием
лабиринтной структуры. Если создать поле Явн, то возникает третья
сила, связанная с взаимодействием домена с внешним полем. Эта сила
действует по направлению нормали к поверхности, т. е. сжимает
домен. При достаточно большом значении напряженности поля Нйн
образуется ЦМД.
Тонкие пленки изготовляют методом испарения магнитного мате-
риала в вакууме с последующим осаждением его на поверхности
подложки методом катодного распыления в атмосфере газа, и элек-
тролитическим методом, Наибольшее распространение получил первый
метод.
316
В качестве подложки применяют чаще всего диэлектрик — стекло,
или проводник — алюминий. Элементы, изготовленные на стекле, по-
лучаются более высококачественными и имеют меньший разброс
параметров, но этот метод дороже и сложнее второго. Для придания
пленочным элементам начальной магнитной ориентации в заданном
направлении подложку помещают между полюсами электромагнита.
Как отмечалось, геометрия тонких пленок в значительной степени
определяет характеристики этих элементов.
Монокристаллические пленки (ферриты-гранаты и др.) получают
эпитаксиальным методом — путем химического осаждения из паровой
фазы на подложку из немагнитного, например гадолиниево-галлиевого,
граната. Чем ближе параметры кристаллической решетки подложки
и пленки, тем выше качество последней.
Глава 33
МАГНИТОТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ
§ 33.1. Классификация и требования
Магнитотвердые материалы классифицируют по основному способу
получения. В соответствии с этим можно указать следующие группы.
1. Литые сплавы на основе Fe-Ni-Al и Fe-Ni-Al-Co, легированные
медью, титаном, ниобием и некоторыми другими элементами.
2. Порошковые магнитотвердые материалы (постоянные магниты),
получаемые прессованием порошков с последующей термообработ-
кой.
3. Прочие магнитотвердые материалы, к которым относят устарев-
шие, но еще применяемые материалы, например мартенситные стали;
материалы, производство которых освоено недавно (например, сплавы
на основе РЗМ), а также многие группы материалов, имеющие огра-
ниченное применение — пластически деформируемые сплавы, элас-
тичные магниты и др.
Магнитотвердые материалы применяют: 1) для изготовления по-
стоянных магнитов; 2) для записи информации (например, для зву-
козаписи).
Магнитные цепи с постоянными магнитами должны быть разомкну-
тыми, т. е. иметь полезный (рабочий) воздушный зазор.
На рис. 33.1 приведены кривые, характеризующие свойства маг-
нитотвердых материалов. В дальнейшем будем считать, что магнит
намагничен до намагниченности насыщения или соответственно
до индукции насыщения Bs,
После снятия внешнего поля магнитные свойства материала харак-
теризуются кривой размагничивания. Положение рабочей точки А
на этой кривой определяется конфигурацией магнитной цепи системы
с постоянным магнитом. Индукцию ВА называют кажущейся остаточ-
ной индукцией.
317
Удельная магнитная энергия (плотность энергии) во внешнем про-
странстве
wA = [Дж/м3]. (34.1)
В некотором масштабе энергию wA можно представить в виде
площади прямоугольника со сторонами ВА и НА (на рис. 33.1 этот
прямоугольник заштрихован).
При изменении конфигурации магнитной цепи, например величины
воздушного зазора, меняется положение рабочей точки на кривой
размагничивания. Из рис. 33.1 видно, что точке D соответствует
Рис. 33.1. Кривые намагничивания, характеризующие свойства маг-
нитотвердых материалов
наибольшее значение удельной магнитной энергии дотах. Параметр
Дотах является важнейшим при оценке качества магнитотвердого мате-
риала.
Максимальная энергия тем больше, чем больше остаточная индук-
ция Вг, коэрцитивная сила Нс и коэффициент выпуклости кривой
размагничивания материала:
(S#)max
V BrH,
(34.2)
При изображении кривых намагничивания в координатах |л0Л1 — Н
остаточная индукция сохраняет то же значение, что и в координатах
В — Н, а коэрцитивная сила по намагниченности МНС =/= Нс.
В процессе эксплуатации магнита положение рабочей точки не
остается постоянным. Изменение магнитного состояния происходит
при этом по кривым возврата, представляющим собой частные петли
гистерезиса, одна из вершин которых лежит на кривой размагничива-
ния. Кривые возврата являются весьма узкими, поэтому их обычно
заменяют прямыми возврата (на рис. 33.1 прямые АЕ и DF). Ход
318
прямых возврата оценивается коэффициентом возврата
<34-3)
где АВ — изменение индукции, соответствующее изменению поля Д/7
(см. рис. 33.1).
На рис. 33.1 представлена зависимость = f (В). Коэффициент
возврата в известной степени определяет стабильность магнитной цепи.
При оценке свойств магнитотвердых материалов могут оказаться
существенными механические свойства (прочность), обрабатываемость
материала в процессе производства, а также плотность, удельное
электрическое сопротивление, стоимость и др. Особенно важен в не-
которых случаях вопрос стабильности магнитных свойств.
§ 33.2. Сплавы на основе Fe-Ni-Al
Сплавы Fe-Ni-Al являются важнейшими материалами для постоян-
ных магнитов. Большую роль в образовании высококоэрцитивного
состояния этих сплавов играет механизм дисперсионного твердения.
При охлаждении сплавов с определенной скоростью до температуры,
называемой температурой начгла рас гада, происходит дисперсионный
распад высокотемпературного твердого раствора на две фазы: р н р2.
P-фаза близка по составу к чистому железу, т. е. сильномагнитна;
ее выделения имеют форму пластинок однодоменной толщины. р2-фаза
по составу близка к интерметаллическому ссехинению Ni-Al и явля-
ется слабомагнитной. Таким образом, получается система в виде немаг-
нитной матрицы р2 с однодоменными сильномагнитными включениями р.
Материалы, имеющие такую структуру, обладают большой коэрци-
тивной силой, так как их намагничивание происходит в основном
за счет процессов вращения.
Сплавы Fe-Ni-Al без легирующих элементов не применяют ввиду
их сравнительно низких магнитных свойств. Наиболее распространен-
ными являются сплавы, легированные медью и кобальтом. Высоко-
кобальтовые сплавы, содержащие больше 15% Со, как правило, ис-
пользуют с магнитной или с магнитной и кристаллической текстурой.
Магнитная текстура является результатом термомагнитной обра-
ботки, которая заключается в охлаждении в магнитном поле с напря-
женностью 160—280 кА/м сплава от высоких температур (1250—1300*С)
приблизительно до 500° С. При этом возрастание магнитных характе-
ристик происходит лишь в направлении действия поля, т. е. материал
становится магнитно-анизотропным.
Термомагнитная обработка целесообразна только для сплавов
с большим содержанием кобальта. Например, для сплавов, содержа-
щих 12% Со, термомагнитная обработка увеличивает магнитную
энергию приблизительно на 20%, а для сплавов, содержащих 20 -*-
4- 25% Со, — в ряде случаев на 80% и более. При этом Нс практически
не меняется, растут Вг и коэффициент выпуклости у кривой.
Термомагнитная обработка высококобальтовых сплавов: а) по-
нижает температуру начала дисперсионного распада (с 950° С в сплаве
319
без кобальта до 800° С в сплаве, содержащем 24% Со); б) повышает
точку Кюри сплава (соответственно с 730 до 850° С). В результате этого
к моменту высокотемпературного распада материал является ферро-
магнитным и внешнее магнитное поле благоприятствует росту выделе-
ний (J-фазы в направлении действующего поля.
Дальнейшее существенное повышение магнитных свойств сплавов
Fe-Ni-Al-Co возможно путем создания магнитов с особой макрострук-
турой в виде столбчатых кристаллов. Кристаллическую текстуру
получают в процессе особых условий охлаждения сплава. При этом
наблюдается увеличение Нс, Вг и особенно у; магнитная энергия повы-
шается на 60—70%. Влияние макроструктуры в виде ориентированных
столбчатых кристаллов на величину магнитной энергии объясняется
главным образом тем, что кристаллографическая текстура создается
в направлении легкого намагничивания, а петля гистерезиса в этом
направлении имеет наиболь-
шие значения Вг и Нс.
В СССР сплавы Fe-Ni-Al
выпускают в соответствии с
Н, кА/м
Рис. 33.2. Кривые размагничивания
Fe-Ni-Al-(Co) сплавов:
/ - ЮНД4; 2 - ЮНДК18С; 3 - ЮНДК24; 4 -
ЮН13ДК25БА; 5— ЮНДК35Т5АА;
6 - ЮНДК40Т8АА
ГОСТ 17809—72. В табл. 33.1
приведены различные харак-
теристики этих материалов, а
на рис. 33.2 — кривые размаг-
ничивания некоторых их этих
материалов различных под-
групп (без кобальта, с ко-
бальтом и т. д.).
Приведем краткие реко-
мендации по выбору марок
сплавов. Без кобальтовые спла-
вы (ЮНД и др.) являются
самыми дешевыми, их свой-
ства относительно низки. Сплавы ЮНДК15 и ЮНДК18 применяют,
когда требуются относительно высокие магнитные свойства и материал
не должен обладать магнитной анизотропией. Сплавы, содержащие
24% Со (ЮН13ДК24 и др.), обладают высокими магнитными свойствами
в направлении магнитной текстуры, хорошо технологически освоены
и имеют широкое применение.
Сплавы с направленной кристаллизацией, например ЮНДК25БА,
ЮНДК25 и др., обладают наибольшей штах и, следовательно, могут
обеспечить наименьшую массу и габариты магнитных систем.
В тех случаях, когда система сильно разомкнута, применяют сплавы
с наиболее высокой Нс, например титанистый сплав ЮНДК35Т5.
Сплавы с монокристаллической структурой (ЮНДК35Т5АА и
ЮНДК40Т8АА) по сравнению со сплавами с направленной кристалли-
зацией обладают следующими преимуществами: более высокими маг-
нитными свойствами за счет дальнейшего совершенствования струк-
туры; наличием трех взаимно перпендикулярных направлений, в
которых свойства оптимальны; лучшими механическими свойст-
вами.
320
Магнитные свойства сплавов Fe-Ni-Al-(Co)
(ГОСТ 17809—72)
Таблица 33.1
Марки “'max» кДж/м* кА/м вг, т Тип кристаллической структуры
не менее
ЮНД4 3,6 40 0,50
ЮНД8 5,1 44 0,60
юнтс 4,0 58 0,43
ЮНДК15 6,о 48 0,75
ЮНДК18 9,7 55 0,90 Равноосная

ЮНДК18С 14 44 1,10
ЮН13ДК24С 18 36 1,30
ЮН13ДК24 18 40 1,25
ЮН14ДК24 18 48 1,20
ЮН15ДК24 18 52 1,15
ЮН14ДК24Т2 15 60 1,10
ЮН13ДК25А 28 44 1,40
ЮН14ДК25А 28 52 1,35
ЮН13ДК25БА 28 48 1,40 Столбчатая
ЮН14ДК25БА 28 58 1,30
ЮН15ДК25БА 28 62 1,25
ЮНДК31ТЗБА 32 92 1,15
ЮНДК34Т5 14 92 0,75
ЮНДК35Т5Б 16 96 0,75 Равноосная
ЮНДК35Т5 18 НО 0,75
ЮНДК35Т5БА 36 НО 1,02 Столбчатая
ЮНДК35Т5АА 40 115 1,05 Монокристалли-
ческая
ЮНДК38Т7 18 135 0,75 Равноосная
ЮНДК40Т8 18 145 0,70 Равноосная
ЮНДК40Т8АА 32 145 0,90 Монокристалли-
ческая
Примечание. В обозначениях марок сплавов буквы означают: Б — ниобий: Д —медь;
К —кобальт; Н — никель; С —кремний («силиций»); Т—титан; Ю—алюминий; А —столбчатая
кристаллическая структура; А А—монокристаллическая структура. Цифры указывают процент-
ное содержание элемента.
321
Основные недостатки сплавов Fe-Ni-Al-Co — плохие механические
свойства (высокие твердость и хрупкость), что значительно осложняет
их механическую обработку.
§ 33.3. Магниты из порошков
Магниты, получаемые методами порошковой металлургии, можно
подразделить на металлокерамические, металлопластические, оксид-
ные и из микропорошков.
Для первых двух групп физические процессы образования высоко-
коэрцитивного состояния зависят от тех же причин, что и для моно-
литных магнитов; для двух других групп необходимым условием
получения высокоэрцитивных свойств является измельченное до
определенной степени дисперсии состояние, которому соответствует
однодоменная структура (см. гл. 27).
Металлокерамические магниты получают из металлических порош-
ков путем прессования их без связывающего материала и спекания при
высокой температуре. По магнитным свойствам они лишь немного
уступают литым магнитам, но дороже последних.
Металлопластические магниты изготовляют, как и металлокерами-
ческие, из металлических порошков, но прессуют их вместе с изоли-
рующей связкой и подвергают нагреву до невысокой температуры,
необходимой для полимеризации связывающего вещества. По сравне-
нию с литыми магнитами они имеют пониженные магнитные свойства,
но обладают большим электрическим сопротивлением, малой плот-
ностью и относительно дешевы.
Среди оксидных магнитов практическое значение имеют магниты
на основе ферритов бария и кобальта.
Бариевые магниты. Промышленность выпускает две группы барие-
вых магнитов: изотропные (БИ) и анизотропные (БА).
Технология изготовления магнитов БИ в принципе не отличается
от описанной технологии магнитомягких ферритов.
Особенности производства магнитов БА заключаются в том, что
после второго сухого помола производят мокрый помол, отстаивание
массы и затем прессование в магнитном поле. Мокрый помол обеспе-
чивает лучшее измельчение частиц. Для прессования в магнитном поле
массу сметанообразной консистенции заливают в пресс-форму, которая
помещена внутрь намагничивающей катушки. В начале прессования
напряженность магнитного поля должна быть не менее 160—240 кА/м,
а в конце — не менее 640—800 кА/м. Путем медленной подачи давле-
ния производят прессование и одновременно с помощью насоса отка-
чивают воду. После выключения намагничивающего тока и насоса
изделие размагничивается за счет включения и выключения тока,
имеющего обратное по сравнению с намагничивающим током направ-
ление.
Кроме приведенной технологической схемы изготовления бариевых
магнитов применяют и другие. Например, сухое прессование магнитов
БА при высоких давлениях без органического пластификатора.
322
Магнитные параметры бариевых магнитов приведены в табл. 33.2,
кривые размагничивания на рис. 33.3.
Таблица 33.2
Магнитные свойства бариевых магнитов
Марки Вг- Т к А/м Мнс> кА/м ^тах* кДж /м3 Области применения
1БИ 0,19 128 264 3,2 Малоответственные устройства
1БИ1 0,19 128 233 3,2 Переменные поля
1БИ2 0,2 136 304 3,4 Магнитные периодические фокусирую- щие системы
1БИП 0,19 120 248 2,8 Системы возбуждения электрических двигателей
1БИС 0,21 128 216 3,6 Многополюсные роторы
1БАР 0,245 128 200 4,0 Системы возбуждения электрических двигателей Магнитные периодические фокусирую- щие системы
2БА1 0,3 200 304 7,4
2,ЗБА 0,33 212 224 9,2
2,4БА 0,33 224 264 9,6 Электродвигатели, эксплуатируемые при температурах до —50° С
2,8БА 0,36 217 224 11,2 Магнитные системы динамиков
3,1 БА 0,38 168 172 12,4 То же
ЗБА1 0,37 208 216 12,0 Секторные магниты для электродвига- телей
ЗБА2 0,35 240 304 10,4 Магнитные периодические фокусирую- щие системы
Бариевые магниты по сравнению с литыми обладают очень большой
коэрцитивной силой и малой остаточной индукцией. Удельное элек-
трическое сопротивление р барие-
вых магнитов в миллионы раз вы-
ше, чем р металлических материа-
лов, что позволяет использовать
бариевые магниты в магнитных
цепях, подвергающихся воздейст-
вию полей высокой частоты. Барие-
вые магниты не содержат дефицит-
ных и дорогих материалов; они при-
близительно в 10 раз дешевле
магнитов из ЮНДК24.
К недостаткам бариевых магни-
тов следует отнести плохие механи-
ческие свойства (высокие хрупкость
и твердость) и, самое главное,
большую зависимость магнитных
свойств от температуры. Темпера-
турный коэффициент остаточной магнитной индукции ТКВГ бариевых
магнитов приблизительно в 10 раз больше, чем ТК Вг литых магнитов.
Кроме того, бариевые магниты обладают необратимостью свойств при
80 40
в,т
0,35
0,3
0,25
0,2
-0,15
-0J
>0,05
0
размагничивания
(сплошные линии
2W 200 160 120
Н,кА/м
Рис. 33.3. Кривые
бариевых магнитов
относятся к В, пунктирные — к щИ):
/ - 1 БИ1; 2 — 2,8БА; 3 — 3.1 БА
323
охлаждении, т. е. после охлаждения и последующего нагрева до
первоначальной температуры магнитные свойства не восстанавли-
ваются. При повторном понижении температуры В практически не
меняется.
Кобальтовые магниты (магниты из феррита кобальта). Эти магниты
имеют более высокую температурную стабильность, чем бариевые.
Однако и они обладают температурным гистерезисом, но он появляется
не в области отрицательных температур, как у бариевых магнитов,
а при положительных температурах (при нагреве свыше 80° С).
Технология получения феррита кобальта во многом аналогична
технологии получения феррита бария. Основная особенность заклю-
чается в термомагнитной обработке, которая состоит в нагреве спе-
ченных магнитов до 300 4- 350° С, выдержке в течение 1,5 ч и охлаж-
дении в магнитном поле напряженностью 240 кА/м в течение 2 ч.
Недостатком кобальтовых ферритов по сравнению с бариевыми яв-
ляется высокая стоимость.
Магниты из микропорошков Mn-Bi, Fe и Fe-Co.
Технология производства магнитов из микропорошков Mn-Bi
заключается в следующем. Механическим дроблением марганецвисмуто-
вого сплава (23% Мп; 77% Bi) получают частицы однодоменных раз-
меров (5 4-8 мкм). Затем порошок пропускают через магнитный сепа-
ратор, который отделяет ферромагнитную фазу Mn-Bi от немагнитных
частиц марганца и висмута. Прессовку порошка Mn-Bi производят
при температуре около 300° С в магнитном поле с напряженностью
приблизительно 1600 кА/м, которое создает одинаковую ориентацию
осей легкого намагничивания отдельных частиц. Магнитные свойства
Mn-Bi порошка соответствуют свойствам лучших металлических мате-
риалов для постоянных магнитов. Особенно большое значение имеет
коэрцитивная сила. Однако эти свойства сохраняются только для тем-
ператур не ниже 20° С. При понижении температуры свойства быстро
падают (для восстановления необходимо повторное намагничивание),
что существенно ограничивает применение этих материалов.
Железные и железокобальтовые магниты из микропорошков тре-
буют применения химических способов получения частиц нужного
размера (0,01—0,1 мкм). Из такого порошка прессуют магниты и для
повышения коррозионной стойкости пропитывают раствором смолы.
§ 33.4. Прочие материалы для постоянных магнитов
Мартенситные стали. Мартенситом называют вид микроструктуры
стали, получаемый при ее закалке. Образование мартенсита сопровож-
дается значительными объемными изменениями, созданием больших
внутренних напряжений решетки и возникновением больших значений
коэрцитивной силы.
Мартенситные стали начали применять раньше всех других мате-
риалов для постоянных магнитов. В настоящее время их используют
сравнительно мало ввиду низких магнитных свойств. Однако пол-
ностью от них еще не отказываются, потому что они недороги и до-
пускают механическую обработку на металлорежущих станках.
324
Пластически деформируемые сплавы. Эти сплавы обладают высокими
в отношении механической обработки свойствами. Они хорошо штам-
пуются, режутся ножницами, обрабатываются на всех металлорежущих
станках. Из пластически деформируемых сплавов можно изготовить
ленты, пластины, листы, проволоку. В отдельных случаях (при изго-
товлении мелких магнитов сложной конфигурации) целесообразно
применение металлокерамической технологии. Марок пластически
деформируемых сплавов много, и физические процессы, благодаря
которым они имеют высокие магнитные свойства, различны. Наиболее
распространены сплавы кунифе (Cu-Ni-Fe) и викаллой (Co-V). Сплавы
кунифе анизотропны, намагничиваются в направлении прокатки,
часто применяются в виде проволоки малых толщин, а также штампо-
вок. Викаллой применяют для изготовления очень мелких магнитов
сложной или ажурной конфигурации и в качестве высокопрочной
магнитной ленты или проволоки.
Сплавы на основе благородных металлов. К ним относятся сплавы
серебра с марганцем и алюминием (сильманал) и сплавы платины
с железом (77,8% Pt; 22,2% Fe) или платины с кобальтом (76,7 Pt;
23,3% Со). Материалы этой группы, особенно содержащие платину,
очень дороги, поэтому их применяют только для сверхминиатюрных
магнитов массой в несколько миллиграммов. При использовании маг-
нитов из всех сплавов этой группы широко используют металлокерами-
ческую технологию.
Эластичные магниты. Как отмечалось, важнейшим недостатком
основных групп материалов для постоянных магнитов — литых спла-
вов и магнитнотвердых ферритов — являются их плохие механические
свойства (высокие твердость и хрупкость). Применение же пласти-
чески деформируемых сплавов ограничено их высокой стоимостью.
В последнее время появились магниты на резиновой основе. Они могут
быть любой формы, которую допускает технология резины — в виде
шнуров, длинных полос, листов и т. п. Такой материал легко режется
ножницами, штампуется, сгибается, скручивается. Известно приме-
нение «магнитной резины» в качестве листов магнитной памяти для
вычислительных машин, магнитов для отклоняющих систем в теле-
видении, корректирующих магнитов и др.
Эластичные магниты изготовляют из резины и мелкого порошка
магнитотвердого материала (наполнитель). В качестве наполнителя
наиболее часто используют феррит бария.
Материалы для магнитных лент. Под магнитными лентами пони-
мают носители магнитной записи информации. Наибольшее распростра-
нение имеют сплошные металлические ленты из нержавеющей стали,
биметаллические ленты и ленты на пластмассовой основе с порошковым
рабочим слоем. Сплошные металлические ленты используют главным
образом в специальных целях и при работе в широком температурном
диапазоне; ленты на пластмассовой основе имеют более широкое при-
менение. Основное назначение носителя магнитной записи заключается
в создании на поверхности воспроизводящей головки магнитного поля,
напряженность которого меняется (при протяжке ленты) во времени
так же, как изменялся записываемый сигнал. Свойства лент с покры-
325
тием магнитными порошками существенно зависят не только от свойств
исходных материалов, но и от степени измельчения частиц, объемной
плотности магнитного материала в рабочем слое, ориентации частиц
при наличии у них анизотропии формы и т. п.
Рабочий слой (или толщина металлической ленты) должен быть
возможно более тонким, а сама лента — гладкой и гибкой для обеспе-
чения максимального взаимодействия (магнитного контакта) между
магнитными материалами ленты и головки. Остаточная намагничен-
ность материала должна быть возможно более высокой.
К коэрцитивной силе предъявляют противоречивые требования:
для уменьшения саморазмагничивания необходимо по возможности
более высокое значение Нс (не менее 24 кА/м), а для облегчения про-
цесса стирания записи желательно малая Нс. Требования высокой
остаточной намагниченности и минимальной чувствительности к само-
размагничиванию наилучшим образом удовлетворяются при прямо-
угольной форме размагничивающего участка петли гистерезиса, т. е.
желательно иметь максимальное значение коэффициента выпуклости.
Температурные и другие изменения магнитных свойств материала
ленты должны быть наименьшими.
Сплавы на основе редкоземельных металлов (РЗМ). Ряд соединений
и сплавов с РЗМ обладает очень высокими значениями коэрцитивной
силы и максимальной удельной энергии. Из этой группы материалов
наибольший интерес представляют интерметаллические соединения
типа RCo5, где R — редкоземельный металл.
Существует три направления в технологии получения этих мате-
риалов: а) холодное прессование порошка сплава RCo5 до высокой
степени плотности; б) спекание брикетов из порошков в присутствие
жидкой фазы; в) литье многокомпонентных сплавов, в которых ко-
бальт частично замещен медью и железом.
Наиболее приемлемым для промышленного освоения является
метод жидкофазного спекания. Основная идея метода заключается
в том, чтобы использовать спекание для получения высокой плот-
ности. Процесс состоит в следующем. К исходному порошку стехио-
метрического состава (66% Со, 34% Sm) добавляют порошок сплава,
имеющего при температуре спекания (1100° С) жидкую фазу, и содер-
жащего 60% Sm и 40% Со, т. е. обогащенного самарием по сравнению
со стехиометрическим составом. Общее содержание самария в смеси
порошков должно составлять 37,4%. Спекание образцов из спрессо-
ванных в магнитном поле порошков (при t = 1100° С в течение 30 мин
в атмосфере чистого аргона) привело к получению магнитов с Дотах =
= 60—74 кДж/м3 с высокой температурной стабильностью.
ГОСТ 21559—76 «Материалы магнитотвердые спеченные» норми-
рует свойства четырех марок материалов: КС37; КС37А; КСП37;
КСП37А буква К означает кобальт, С — самарий, П — празеодим.
Они характеризуются следующими параметрами: Вг = 0,77—0,90 Т;
Нс = 540—500 кА/м; Нс = 1300—640 кА/м; ^тах = 55—72,5 кДж/м3.
Свойства некоторых магнитотвердых материалов при криогенных
температурах. Исследование свойств различных материалов при
весьма низких («криогенных») температурах важны с научной и с прак-
326
тической точек зрения. Например, представляет интерес использова-
ние в технике явления сверхпроводимости с целью получения сверх-
мощных магнитных полей и для решения других задач. Магнитные
свойства материалов при переходе к криогенным температурам не
претерпевают скачкообразного изменения, однако изменения имеют
сложный и неоднозначный характер. Так, например, коэрцитивная
сила магнитотвердого сплава ПЛ К (Pt-Co) при понижении температуры
возрастает на 50%, а для феррита бария имеет место переход Нс через
максимум и далее монотонное ее уменьшение.
Глава 34
ПРОЧИЕ МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Кроме рассмотренных основных групп магнитных материалов,
в технике используют и некоторые другие, имеющие ограниченные
области применения.
Термомагнитные материалы. Термомагнитными называют мате-
риалы с сильной зависимостью магнитной индукции * от температуры
в определенном интервале температур (в большинстве случаев от
4-60 до —60° С). Термомагнитные материалы используют главным
образом в качестве магнитных шунтов или добавочных сопротивлений.
Включение таких элементов в магнитные цепи позволяет осуществить
компенсацию температурной погрешности или обеспечить изменение
магнитной индукции в воздушном зазоре по заданному закону (тер-
морегулирование).
Термомагнитные материалы применяют в индукционных печах
для поддержки заданной температуры, в реле, момент срабатывания
которых зависит от температуры и т. п.
К термомагнитным материалам предъявляют следующие специаль-
ные требования:
1) крутой ход термомагнитной характеристики В = f (Г) при
Н = const, т. е. высокое удельное температурное изменение магнитной
индукции dB/dT. Чем чувствительнее термомагнитный материал к из-
менению температуры, тем меньше будут потери магнитного потока
за счет включения термошунта или сопротивления.
Поскольку большая зависимость магнитной индукции от темпе-
ратуры для ферромагнетиков наблюдается в области, близкой к точке
Кюри, то последняя для термомагнитных сплавов должна находиться
близко к рабочей (комнатной) температуре. Из ферромагнитных эле-
ментов лучше всего этому соответствует никель (?к = 350°С); для
железа и кобальта Тк намного выше. Материалы с еще более низкой
Тк могут быть получены введением в никель немагнитных присадок;
2) большое значение индукции насыщения, что уменьшает необ-
ходимую площадь поперечного сечения термоэлементов; малые поля,
необходимые для насыщения;
* Точнее, намагниченности насыщения, так как обычно термомагнитный мате-
риал работает в режиме насыщения.
327
3) определенная форма термомагнитной характеристики, соответ-
ствующая поставленной задаче (линейная, гиперболическая, парабо-
лическая и т. д.).
4) высокая воспроизводимость характеристик.
Термомагнитные (термокомпенсационные) материалы можно раз-
делить на две группы: термомагнитные сплавы (ТКС) и многослойные
термомагнитные материалы (ТКМ).
К ТКС относятся: сплавы Ni-Cr-Fe (компенсаторы), Ni-Cu (каль-
маллои), Ni-Fe (термаллои). Наиболее широко применяют компенса-
торы. Преимуществом компенсаторов являются полная обратимость
свойств в диапазоне изменения температур от +70 до —70° С, удов-
летворительная воспроизводимость характеристики, хорошая меха-
ническая обрабатываемость.
Кальмаллои обладают сравнительно малой магнитной индукцией,
поэтому магнитные шунты из этих сплавов должны иметь большое
сечение. Термаллои под действием отрицательных температур необ-
ратимо изменяют свои свойства и, кроме того, имеют сильную зависи-
мость точки Кюри от состава (изменение содержания никеля на 0,25%
смещает Тк на 10 К), т. е. плохую воспроизводимость характеристик.
Многослойные термомагнитные материалы получают совместной
прокаткой листов или полос из ТКС различного химического состава,
т. е. с различными термомагнитными свойствами. Подбирая соответ-
ствующим образом исходные ТКС и толщину полос, можно получить
ТКМ с заданными свойствами.
Преимуществами ТКМ по сравнению с ТКС являются: возможность
расчета свойств ТКМ и разнообразие их характеристик, однотипность
технологии производства, достижение насыщения в слабых полях,
слабая зависимость насыщения от поля.
Возможно применение в качестве термомагнитных материалов
ферритов; однако их недостатками являются малое значение индукции
насыщения и плохая воспроизводимость свойств.
Магнитострикционные материалы. Магнитострикция имеет непо-
средственное техническое применение в магнитострикционных вибра-
торах (генераторах) звуковых и ультразвуковых колебаний, а также
в некоторых радиотехнических схемах и устройствах (взамен кварца
для стабилизации частоты, в электромеханических фильтрах и т. д.)*
В качестве магнитострикционных материалов применяют никель,
пермендюры (сплавы Fe-Co, отличающиеся наивысшей намагничен-
ностью насыщения), альферы (сплавы Fe-Al), никелевый и никель-
кобальтовый ферриты и др.
Никель обладает большим абсолютным значением коэффициента
магнитострикции насыщения = AZ/Z = —35*10"e, (/ — длина пла-
стины до воздействия поля, Д/ — изменение длины в результате воз-
действия поля; знак «минус» означает уменьшение длины). Обычно
применяют никель марки Н (ГОСТ 849—56), толщиной 0,1 мм в виде
жесткой неотожженной ленты. После вырубки пластины оксидируют
нагреванием на воздухе до 800° С в течение 15—25 мин. Образованная
таким образом оксидная пленка служит для электрической изоляции
пластин при сборке пакета. Никель обладает высокими антикоррозион-
328
ними свойствами и малым температурным коэффициентом модуля
упругости.
В последнее время более широко применяют магнитострикционные
ферриты, особенно в прецизионных фильтрах.
Технология производства магнитострикционных ферритов в прин-
ципе не отличается от технологии производства магнитомягких фер-
ритов. Некоторая особенность имеет место только для ферритов, у ко-
торых в качестве подмагничивающего используется собственное маг-
нитное поле, обусловленное гистерезисом. Такие ферриты подвергают
термомагнитной обработке, которая для трубчатых сердечников осу-
ществляется следующим образом. Сердечники надевают на проволоку,
вставляют в муфель, нагревают до 600 ч- 650° С, т. е. выше точки
Кюри. Далее через проволоку пропускают ток порядка десятков
ампер и изделия охлаждаются подтоком. При этом трубки оказываются
намагниченными по окружности, перпендикулярной продольной оси.
Сплавы с высокой индукцией насыщения. Из обычных материалов
наивысшей индукцией насыщения обладает железо (р0Л1$«2,1 Т).
В тех случаях, когда предъявляются наиболее высокие требования
к габаритам устройства, его массе и величине потока, применяют
железокобальтовые сплавы, у которых индукция насыщения достигает
2,43 Т, что позволяет получить экономию в массе и объеме по сравне-
нию с железом на 15—20%. На практике используют сплавы с содер-
жанием 30—51% Со и 1,5—2,0% V, который улучшает технологичес-
кие свойства сплавов, в частности их обрабатываемость в холодном
состоянии. Эти сплавы называют пермендюрами.
Индукция насыщения сплавов с большим и малым содержанием
кобальта приблизительно одинакова. Высококобальтовые сплавы
в слабых и средних полях имеют большие значения магнитной про-
ницаемости, чем низкокобальтовые, однако последние дешевле.
Кроме большого значения индукции насыщения пермендюр обла-
дает значительной обратимой проницаемостью, что делает его осо-
бенно ценным в качестве материала для телефонных мембран. Недо-
статки пермендюра: малое удельное электрическое сопротивление р,
высокая стоимость и дефицитность кобальта и ванадия. Пермен-
дюр применяют в постоянных магнитных полях или в слабых пере-
менных полях с сильным подмагничиванием постоянным полем.
Из материалов этой группы нормирован сплав 50 КФ (49,0—51,0%
Со; 1,5—2,0% V). Сплав имеет индукцию насыщения не менее 2,35 Т
и Тк = 980° С.
Преимущество железокобальтовых сплавов перед технически чис-
тым железом ощутимо при магнитной индукции выше 1,0 Т. Различие
в значениях магнитной проницаемости достигает максимума при зна-
чении магнитной индукции около 1,8 Т; при этом проницаемость
кобальтовых сплавов больше проницаемости мягких сортов железа
в десятки раз,
ЛИТЕРАТУРА
1. Богородицкий Н. П., Волокобинский Ю. М., Воробь-
ев А. А., Т а р е е в Б. М. Теория диэлектриков. «Энергия», 1965.
2. Богородицкий Н. П., Пасынков В. В. Материалы радиоэлек-
тронной техники. «Высшая школа», 1969.
3. Богородицкий Н. П.,Пасынков В. В.,Тареев Б. М. Элек-
тротехнические материалы. Изд. 6-е, «Энергия», 1977.
4. Буккель В. Сверхпроводимость. Пер. с нем., «Мир», 1975.
5. Бушманов Б. Н., Хромов Ю. А. Физика твердого тела. «Высшая
школа», 1971.
6. В о р о б ь е в Г. А. Физика диэлектриков (область сильных полей).
Изд. 2-е, изд. Томского университета, 1977.
7. Горелик С. С., Дашевский М. Я. Материаловедение полупровод-
ников и металловедение. «Металлургия», 1973.
№ 8. Е й л ь м а н Л. С. Проводниковые материалы в электротехнике. «Энергия»,
9. Казарновский Д. М., Тареев Б. М. Испытание электроизоля-
ционных материалов. Изд. 2-е, «Энергия», 1969.
10. К и р е е в П. С. Физика полупроводников. Изд. 2-е, «Высшая школа»,
1975.
11. К о й к о в С. Н. Физика диэлектриков. Ч. I., изд. Ленинградского политехи,
ин-та, 1974.
12. Колесов С. Н. Структурная электрофизика полимерных диэлектриков.
Ташкент, «Узбекистан», 1975.
13. К о р з о В. Ф., Курочкин В. А., Д е м и н В. П. Пленки из элемен-
тоорганических соединений в радиоэлектронике. «Энергия», 1973.
14. Ко р и ц к и й Ю. В. Электротехнические материалы. Изд. 3-е, «Энергия»,
1976.
15. К о с т ю к о в Н. С., Харитонов Ф. Я., Антонова Н. П. Ра-
диационная и коррозионная стойкость электрокерамики. Атомиздат, 1973.
16. К р и с т и Р., П и тт и А. Строение вещества: введение в современную
физику. Пер. с англ. Под ред. Ю. М. Широкова. «Наука», 1969.
17. Кузьминов Ю. С. Ниобат и танталат лития — материалы для нелиней-
ной оптики. Под ред. В. В. О с и к о. «Наука», 1975.
18. Курлин М. В.,Панова Я. И.,Пасынков В. В., Таиров В. Н.
Электрорадиоматериалы. Под ред. В. В. Пасынков а. «Судостроение», 1969.
19. М а й о ф и с И. М. Химия диэлектриков. «Высшая школа», 1970.
20. Мартюшов К. И.,Зайцев К). В. Технология производства резисто-
ров. «Высшая школа», 1972.
21. Маслов В. В. Влагостойкость электрической изоляции. «Энергия»,
1973.
22. М е с с Т., Б а р р е л Г., Э л л и с Б. Полупроводниковая оптоэлектро-
ника. Пер. с англ. «Мир», 1976.
23. Не ме н о в Л. Л., Соминский М. С. Основы физики и техники
полупроводников. «Наука», 1974.
24. Новиков В. В. Теоретические основы микроэлектроники. «Высшая
школа», 1972.
25. О к а д з а к и К. Технология керамических материалов. Пер. с японского.
Под ред. В. М. Петрова. «Энергия», 1976.
26. Ормонт Б. Ф. Введение в физическую химию и кристаллохимию полу-
проводников. Изд. 2-е, «Высшая школа», 1973.
27. П а с ы н к о в В. В., Ч и р к и н Л. К., Ш и н ко в А. Д. Полупровод-
никовые приборы. Изд. 2-е, «Высшая школа», 1973.
28. П е т р о в В. М. Диэлектрические измерения сегнетоэлектриков. МИСИС,
29. П е ш к о в И. Б. Эмалированные провода. Изд. 2-е, «Энергия», 1975.
30. Преображенский А. А. Магнитные материалы и элементы. Изд. 2-е,
«Высшая школа», 1976.
330
31. Пр ивезенцев В. А., Гроднев И. И., Холодный С. Д.,
Рязанов И. Н. Основы кабельной техники. Под ред. В. А. Привезенцева.
«Энергия», 1975.
32. Р е н н е В. Т. Электрические конденсаторы. Изд. 3-е, «Энергия», 1969.
33. Р о д о М. Полупроводниковые материалы. «Металлургия», 1971.
34. С а в и ц к и й Е. М., Е ф и м о в Ю. В. и др. Сверхпроводящие материалы.
«Металлургия», 1976 и др.
35. С аж ин Б. И. и др. Электрические свойства полимеров. «Химия», 1977.
36. Слэтер Дж. Диэлектрики, полупроводники, металлы. Пер. с англ,
под ред. В. Л. Бонч-Бруевича. «Мир», 1969.
37. С м о л е н с к и й Г. А., Б о к о в В. А. и др. Сегнетоэлектрики и анти-
сегнетоэлектрики. «Наука», 1971.
38. Строителен С А. Кристаллохимический аспект технологии полупро-
водников. Под ред. А. В. Ржанова. Новосибирск, «Наука», 1976.
39. Тарасов Л. В. Физические основы квантовой электроники (оптический
диапазон). «Советское радио», 1976.
40. Т а р е е в Б. М. Физика диэлектрических материалов. «Энергия», 1973.
41. Т а реев Б. М., Филимонов Ю. П. Свойства электротехнических мате-
риалов при криогенных температурах. МИРЭА, 1972.
42. Т а р е е в Б. М., Я м а н о в а Л. В., В о л к о в Б. А., И в л и е в Н. Н.
Герметизация полимерными материалами в радиоэлектронике. «Энергия», 1974.
43. У г а й Я. А. Введение в химию полупроводников. Изд. 2-е, «Высшая шко-
ла», 1975.
44. Ушаков В. Я. Импульсный электрический пробой жидкостей. Изд.
Томского университета, 1975.
45. У э р т Ч., Т о м с о н Р. Физика твердого тела. Пер. с англ., под ред.
С. В. Тябликова. «Мир», 1969.
46. Федотов Я. А. Основы физики полупроводниковых приборов. Изд. 2-е,
«Советское радио», 1969.
47. Ф и с т у л ь Б. И. Введение в физику полупроводников. «Высшая школа»,
1975.
48. Ш а л и м о в а К. В. Физика полупроводников. Изд. 2-е, «Энергия», 1976.
49. Ш а с к о л ь с к а я М. П. Кристаллография. «Высшая школа», 1976.
50. Электротехнические материалы. Справочник. Под ред. Ю. В. Кориц-
кого, В. В. Пасынкова и Б. М. Тареева. Изд. 2-е, «Энергия», т. 1,
1974, т. 2, 1974, т. 3, 1976.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.......................................................... 3
Введение............................................................. 5
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Глава 1. Классификация и основные свойства проводниковых материалов 11
§ 1.1. Общие сведения........................................... 11
§ 1.2. Удельное сопротивление и удельная проводимость проводников 13
§ 1.3. Теплопроводность металлов................................ 18
§ 1.4. Термоэлектродвижущая сила................................ 19
§ 1.5. Температурный коэффициент линейного расширения проводников 19
§ 1.6. Механические свойства проводников........................ 20
Глава 2. Металлы высокой проводимости............................... 20
§ 2.1. Медь .................................................... 20
§ 2.2. Алюминий ................................................ 22
§ 2.3. Железо................................................... 23
§ 2.4. Натрий................................................... 23
Глава 3. Сверхпроводники и криопроводники........................... 24
§ 3.1. Сверхпроводники.......................................... 24
§ 3.2. Криопроводники........................................... 29
Глава 4. Разные металлы............................................. 30
§ 4.1. Вольфрам................................................. 30
§ 4.2. Молибден................................................. 32
§ 4.3. Благородные металлы...................................... 32
§ 4.4. Никель и кобальт......................................... 33
§ 4.5. Свинец................................................... 34
§ 4.6. Олово.................................................... 34
§ 4.7. Цинк и кадмий............................................ 35
§ 4.8. Индий и галлий........................................... 35
§ 4.9. Ртуть.................................................... 35
Глава 5. Различные проводниковые сплавы, припои и флюсы........... 36
§ 5.1. Сплавы высокого сопротивления............................ 36
§ 5.2. Сплавы для термопар...................................... 40
§ 5.3. Тензометрические сплавы.................................. 40
§ 5.4. Контактные материалы..................................... 40
§ 5.5. Припои и флюсы .......................................... 41
Глава 6. Неметаллические проводниковые материалы.................... 43
§ 6.1. Электроугольные изделия.................................. 43
§ 6.2. Проводящие и резистивные пасты........................... 45
§ 6.3. Проводниковые материалы особо высокой нагревостойкости ... 46
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Глава 7. Элементы зонной теории твердого тела....................... 48
§ 7.1. Энергетические зоны...................................... 49
§ 7.2. Заполнение зон электронами и электрические свойства твердых тел 49
§ 7.3. Собственные и примесные полупроводники. Структура энергети-
ческих зон некоторых полупроводников .......... 50
332
Глава 8. Статистика электронов в полупроводниках........................ 55
§ 8.1. Распределение частиц по энергиям. Функции распределения
Ферми — Дирака и Максвелла — Больцмана.............................. 55
§ 8.2. Концентрация свободных носителей заряда в невырожденном
и вырожденном полупроводниках....................................... 58
§ 8.3. Зависимость концентрации свободных носителей заряда от темпе-
ратуры ............................................................. 60
§ 8.4. Неравновесные носители заряда в полупроводниках. Генерация
и рекомбинация. Время жизни......................................... 61
Глава 9. Электропроводность полупроводников............................. 63
§ 9.1. Собственная и примесная электропроводности полупроводников 63
§ 9.2. Механизмы рассеяния и подвижность свободных носителей заряда 65
§ 9.3. Температурная зависимость проводимости полупроводников .... 66
§ 9.4. Электропроводность полупроводников в сильном электрическом
поле. «Горячие» электроны. Эффект Ганна............................. 68
Глава 10. Контактные явления в полупроводниках.......................... 70
§ 10.1. Работа выхода............................................... 70
§ 10.2. Контакт металл — полупроводник.............................. 71
§ 10.3. Контакт электронного и дырочного полупроводников. Свойства
электронно-дырочного перехода....................................... 75
§ 10.4. Гетеропереходы.............................................. 78
Глава 11. Электронные процессы на поверхности полупроводников .... 78
§ 11.1. Поверхностные энергетические уровни......................... 78
§ 11.2. Приповерхностный слой объемного заряда...................... 79
§ 11.3. Эффект поля ................................................ 80
Глава 12. Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках 82
§ 12.1. Поглощение света полупроводниками........................... 82
§ 12.2. Фотопроводимость ........................................... 85
§ 12.3. Люминесценция полупроводников............................... 87
Глава 13. Термоэлектрические явления и эффект Холла в полупроводниках 89
§ 13.1. Термоэлектрические явления ................................. 89
§ 13.2. Эффект Холла ............................................... 92
Глава 14. Полупроводниковые материалы и технология их получения 94
§ 14.1. Германий.................................................... 94
§ 14.2. Кремний..................................................... 96
§ 14.3. Селен ...................................................... 97
§ 14.4. Теллур...................................................... 98
§ 14.5. Полупроводниковые соединения A,,BV1 ....................... 98
§ 14.6. Полупроводниковые соединения A,UBV....................... 100
§ 14.7. Оксидные полупроводники.................................... 103
§ 14.8. Халькогениды свинца........................................ 103
§ 14.9. Карбид кремния............................................. 104
§ 14.10. Технология получения полупроводниковых материалов........ 105
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Глава 15. Поляризация диэлектриков ..................................... 108
§ 15.1. Основные определения........................................ J08
§ 15.2. Полярные и неполярные диэлектрики
§ 15.3. Виды поляризации . .............
333
§ 15.4. Зависимости диэлектрической проницаемости от различных фак-
торов ............................................................ 117
§ 15.5. Диэлектрическая проницаемость смешанных диэлектриков ... 119
Глава 16. Электропроводность диэлектриков............................. 122
§ 16.1. Особенности электропроводности диэлектриков............... 122
§ 16.2. Электропроводность твердых диэлектриков................... 123
§ 16.3. Электропроводность жидкостей.............................. 125
§ 16.4. Электропроводность газов.................................. 126
§ 16.5. Поверхностная электропроводность диэлектриков............. 128
Глава 17. Диэлектрические потери...................................... 130
§ 17.1. Основные определения..................................... 130
§ 17.2. Потери на электропроводность............................. 132
§ 17.3. Релаксационные потери.................................... 133
§ 17.4. Резонансные потери....................................... 138
§ 17.5. Потери в неоднородных диэлектриках ...................... 139
§ 17.6. Полный диэлектрический спектр............................ 143
Глава 18. Пробой диэлектриков......................................... 144
§ 18.1. Основные понятия о пробое................................. 144
§ 18.2. Пробой газов.............................................. 146
§ 18.3. Пробой жидкостей.......................................... 149
§ 18.4. Пробой твердых диэлектриков............................... 150
§ 18.5. Пробой макроскопически неоднородных диэлектриков . ... 153
Глава 19. Механические, тепловые и химические свойства диэлектриков 154
§ 19.1. Механические свойства.................................... 154
§ 19.2. Тепловые свойства........................................ 157
§ 19.3. Влажностные свойства..................................... 161
§ 19.4. Физико-химические свойства .............................. 163
Глава 20. Электроизоляционные материалы............................... 165
§ 20.1. Газообразные диэлектрики.................................. 165
§ 20.2. Нефтяные электроизоляционные масла........................ 168
§ 20.3. Синтетические жидкие диэлектрики.......................... 170
§ 20.4. Электроизоляционные полимеры.............................. 172
§ 20.5. Электроизоляционные лаки.................................. 184
§ 20.6. Электроизоляционные компаунды............................. 187
§ 20.7. Пластические массы........................................ 188
§ 20.8. Эластомеры................................................ 191
§ 20.9. Волокнистые материалы .................................... 193
§ 20.10. Электроизоляционные стекла............................... 195
§ 20.11. Ситаллы.................................................. 199
§ 20.12. Электроизоляционная керамика............................. 200
§ 20.13. Слюда и материалы на ее основе........................... 204
§ 20.14. Неорганические электроизоляционные пленки................ 206
ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ
АКТИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ
Глава 21. Сегнетоэлектрики.............................................. 208
§ 21.1. Спонтанная поляризация и классификация сегнетоэлектриков 208
§ 21.2. Сегнетоэлектрики с прямоугольной петлей гистерезиса ........ 215
§ 21.3. Вариконды .................................................. 218
§ 21.4. Параэлектрики............................................. 222
§ 21.5. Сегнетопол у проводники .................................... 225
334
Глава 22. Пьезоэлектрики......................................... 227
§ 22.1. Пьезоэлектрический эффект................................. 227
§ 22.2. Пьезокерамика............................................. 233
§ 22.3. Пьезокерамические материалы............................... 237
Глава 23. Пироэлектрики.......................................... 241
§ 23.1. Пироэлектрический эффект.................................. 241
§ 23.2. Пироэлектрические материалы .............................. 243
Глава 24. Материалы квантовой электроники........................ 246
§ 24.1. Принципы квантовой электроники............................ 246
§ 24.2. Активные материалы для мазеров ........................... 248
§ 24.3. Материалы для твердотельных лазеров....................... 249
§ 24.4. Полупроводниковые лазеры и светодиоды..................... 250
§ 24.5. Материалы для жидкостных лазеров.......................... 251
§ 24.6. Газовые лазеры............................................ 232
§ 24.7. Люминофоры................................................ 253
Глава 25. Электрооптические и нелинейнооптические материалы .......... 255
§ 25.1. Электрооптический эффект ................................. 255
§ 25.2. Электрооптические кристаллы............................... 257
§ 25.3. Электрооптическая керамика................................ 259
§ 25.4. Жидкие кристаллы.......................................... 260
§ 25.5. Нелинейнооптические материалы............................. 264
Глава 26. Электреты................................................... 267
§ 26.1. Основные понятия об электретах............................ 267
§ 26.2. Электретные материалы..................................... 270
ЧАСТЬ ПЯТАЯ
МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Глава 27. Краткие сведения по теории магнетизма и классификация маг-
нитных материалов................................................. 273
§ 27.1. Основные типы магнитного состояния вещества.......... 273
§ 27.2. Ферро- и ферримагнетики................................... 274
§ 27.3. Технические кривая намагничивания и петля гистерезиса .... 277
§ 27.4. Классификация магнитных материалов........................ 279
Глава 28. Магнитные характеристики.................................... 280
§ 28.1. Петля гистерезиса......................................... 281
§ 28.2. Магнитная проницаемость................................... 282
§ 28.3. Намагничивание переменным полем .......................... 284
§ 28.4. Влияние воздушного зазора................................. 286
Глава 29. Магнитомягкие материалы для постоянных и низкочастотных
магнитных полей................................................... 287
§ 29.1. Требования к магнитомягким материалам..................... 287
§ 29.2. Технически чистое железо.................................. 288
§ 29.3. Электротехнические кремнистые стали....................... 289
§ 29.4. Пермаллои ................................................ 292
Глава 30. Магнитные материалы для высоких и сверхвысоких частот . , , 295
§ 30.1. Методы получения ферритов................................. 295
§ 30.2. Ферриты для радиочастот ................................ 297
§ 30.3. Магнитодиэлектрики ..................................... 301
§ 30.4. Ферриты для сверхвысоких частот .... ........, , ♦ 304
335
Глава 31. Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса 308
§ 31.1. Требования к материалам с ППГ...........................308
§ 31.2. Материалы с ППГ.........................................310
Глава 32. Магнитные пленки..........................................314
§ 32.1. Общие сведения .........................................314
§ 32.2. Цилиндрические магнитные домены.........................315
Глава 33. Магнитотвердые материалы..................................317
§ 33.1. Классификация и требования..............................317
§ 33.2. Сплавы на основе Fe-Ni-Al...............................319
§ 33.3. Магниты из порошков.....................................322
§ 33.4. Прочие материалы для постоянных магнитов................324
Глава 34. Прочие магнитные материалы................................327
Литература .....................................................330
Борис Михайлович Тареев, Нинель Владимировна Короткова,
Виктор Михайлович Петров, Алексей Алексеевич П реоб раменский
Электрорадиоматериалы
Редакторы: Сорокина Г. А., Волкова И. Г. Художник Аладьев В. М.
Художественный редактор Скворцова Т. М. Технический редактор
Баранова Н. Н. Корректор Чечеткина Г. А.
иб № иоо
Изд. Ха ЭР-233 Сдано в набор 03.10.77. Подп. в печать 15.02.78. Т-03629.
Формат 60 x 90’/ie. Бум. тип. № 1. Гарнитура литературная. Печать высокая.
Объем 21 усл. печ. л. 22,30 уч.-изд. л Тираж 35 000 экз. Зак. № 1530. Цена
1 руб
Издательство «Высшая школа», Москва. К-51, Неглинная ул., д. 29/14
Ордена Октябрьской Революции, ордена Трудового Красного Знамени Ленин-
градское производственно-техническое объединение «Печатный Двор» имени
А. М. Горького Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета
Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
197136, Ленинград, П-136, Гатчинская ул., 26.