ҚАЗАҚСТАН  РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ 

«Алматы энергетика және байланыс институтының»

Коммерциялық емес акционерлік  қоғамы 

 

 

Ж.Х. Амиров

Қ.Х. Бекмағамбетова 

ЭЛЕКТРОТЕХНИКАЛЫҚ МАТЕРИАЛТАНУ

Оқу құралы 

 

 

Алматы 2009

 Кіріспе 

«Электротехникалық материалтану» пәні электромагнит өрісінің әсерінен заттарда өтетін негізгі физикалық құбылыстарды, материалдардың сипаттамасын, олардың өндіріс технологиясын оқытады. Электротехника талаптарды оңынан шешу үшін материалдарды дұрыс таңдаудың мағынасы зор. Бұл мәселе электротехниканың жалпы дамуына сәйкес жаңа заттарды өндіру осымен байланысты. Қазіргі деңгейдің мәселесі жаңа талаптарға сай сапасы өте жоғары электротехникалық заттарды шығару. Бұлар жоғары жылулыққа төзімді майысқақ полимерлер, жұмыс кезінде сенімді жартылай өткізгіштер, ферромагнетиктер, магниттік мінездемелері жоғары ферриттер, асқын өткізгіштер.

Материалдардың электрлі және магнитті қасиеттерін, механикалық беріктігін және олардың басқа да ерекшеліктерін түсіну үшін материалдардың құрылымы мен химиялық құрамын зерттеп алу қажет.

Өнеркәсіпке қажетті электротехникалық материалдарды оқып білу мен одан кейінгі өңдеу мамандандырылған ғылыми – зерттеу институттарының тақырыптарына кіреді.

Материалдарды дайындаудың жаңарған технологиясы институттар мен зауыттардың сынау цехтарында өңделеді.

Ғылыми негізделген талаптардың өндірістегі шынайы мүмкіншіліктерімен сәйкестігі біздің мемлекетте жағымды жағдайлар тудырды. Бұл жағдайларда электр материалдардың өндірісі соңғы жылдары жоғары деңгейлерге жетті.

Пәнді оқытудың мақсаты студенттердің арнайы пәндерді оқығанда және мамандығы бойынша тәжірибелік белсенділігін арттыруға қажетті, электротехникада қолданылатын материалдардың, технологияда қандай бағамен қажеттігін білу. «Электротехникалық материалтану» пәні өз алдына келесі талаптарды қояды:

- электротехникада қолданылатын материалдарды сынау және үйренуден шығатын негізгі теорияларды қарастыру;

- электротехникалық материалдары, олардың қолданылуы, қасиеттері және құрылымына байланысты топтастыра білу;

- электротехникалық материалдардың өндірістік технологиясы мен

қолданылуының негізгі ерекшеліктерін білу;

- электротехникалық материалдардың практикадағы ерекшелігін, техникада және экономикадағы орнығуын білу.

          Электротехникалық материалдардың негізгі түсінігі. Топталуы. Электротехникалық материалдар деп электр магниттік өрісте белгілі сипаттармен мінезделетін және техникада сол мінездемелерге сай қолданылатын материалдарды айтамыз. Электр өрісінде материалдарды мінездейтін физикалық тұрақты шама – ол меншікті электр кедергісі (ρ), ал магниттік өрісте – магниттік өтімділігі (μ).

    Электр өрісінде мінездемелері бойынша материалдар мынандай түрлерге бөлінеді: диэлектриктер немесе электр изоляциялық материалдар, жартылай өткізгіштер, өткізгіштер. Магниттік өрістің мінездемелері бойынша материалдар диамагнетиктерге, парамагнетиктерге және магнитті заттарға бөлінеді.

    Электр өрісінде материалдарды мінездейтін физикалық тұрақты шама – ол электр кедергісі (ρ), ал магниттік өрісте – магниттік өтімділік (μ).

    Диэлектриктер – меншікті кедергісі жоғары заттар. Олар электр изоляция ретінде қолданылады. Олардың мақсаты – электр тізбектерді бір – бірінен ажырату және өткізетін, бірақ тоқ жүрмейтін заттарды тоқ жүретіндерден изоляцияландыру. Конденсаторларда диэлектриктер электр сыйымдылығын тудыру үшін қолданылады. Диэлектриктер пассивті және активті түрлерге бөлінеді. Пассивті дегеніміз қарапайым диэлектриктер, олар тек қана изоляция ретінде пайдаланылады. Активті диэлектриктер – жай диэлектриктен өзгеше, олардың мінездемелерін реттеуге, басқаруға болады. Бұл заттармен электр сигналын өндіруге, ұлғайтуға, модуляциялауға, өзгертуге болады және электр кернеуі мен электр тоғы шығарылады.

    Активті диэлектриктерге жататындар: лазерлардың материалдары, сегнетоэлектриктер, пьезоэлектриктер, электроптикалық және қисық сызықты оптикалық материалдар, электреттер т. б.

    Жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі (γ) кернеумен, температурамен, сәулемен т.б. факторлармен реттеледі және өзгертіледі. Ол материалдардан диодтар, транзисторлар, термисторлар, фоторезисторлар және де басқа жартылай өткізгіш аспаптар жасалынады.

    Өткізгіштер электр тоғын өткізу үшін қолданылады. Олардың меншікті кедергісі (ρ), өте төмен. Өткізгіштерге меншікті кедергісі (ρ) төмен (криогенді) температурада өте аз асқын өткізгіштер мен криоөткізгіштер және кедергісі жоғары резисторлар мен қыздыратын элементтер жатады.

    Магниттік материалдарға магниттелетін заттар жатады. Бұл заттардан индуктивті шарғыларды, трансформаторлардың өзектерін, электр машиналардың магниттік жүйелерін шығарады.

    Кейбір магниттік заттар магнит өрісінің жұмысы аяқталғаннан кейін магниттелуін сақтайды, олардан тұрақты магниттер мен еске сақтайтын магниттік құрылғыларды жасайды.

Заттардың құрылысының негізі. Химиялық байланыстардың түрлері

Заттарды құрайтын негізгі элементарлық бөлшектер протондар, нейтрондар және электрондар. Протондармен нейтрондардан атомдық ядро құралады, ал электрондар ядроның оң зарядын теңелтіп, атомның сыртқы қабаттарын толтырады.

    Газ, сұйық және қатты денелердің құрамдары атомдардан, молекулалардан және иондардан тұрады. Атомдардың көлемі 0,1 нм, кейбір электрондарынан айырған атомдардан – он иондар болып табылады, олардың көлемі атомдардан – теріс иондар, олардың көлемі атомдардан үлкен болады.

    Газ молекулаларының ішінде атомдардың әртүрлі сандары бар. Мысалы, гений аргон, неон – бір атомды газ. Сутегі, азот, оттегі, көміртегі оксиді – екі түрлі молекуладан, көмірқышқыл газы және су буы болса үш атомнан тұрады. Аммиак молекуласы төрт атомнан, ал метан – бес атомнан құралған. Атомдардың сыртқы электрондық қабатына тәуелділігінің арқасында әртүрлі химиялық байланыстар бар.

 

 

1. К Сурет -  Коваленттік байланысты екі атомдық молекуланың сұлбалық көрінісі

2. К Сурет – а) хлорлық натрий иондарының құрылысы мен тығыз жинағы,

б) хлорлық цезидің тығыз емес жинағы

 

Коваленттік (электрондық) және иондық химиялық байланыстармен байланысқан молекулалар табиғатта ең жиі кездеседі.

    Әртүрлі байланысты заттардың электрлік және басқа мінездемелері бір – бірінен айырмасы зор. Заттардың бөлшектерінің мынадай химиялық байланыстары бар: иондық, атомдық (немесе коваленттік), металдық және молекулярлық.

    Иондық байланыстар қарама – қарсы зарядталған иондардың кулон тартымдары арқылы байланғандар. Бұл байланыстар құрамында қарама – қарсы белгілі иондары бар анорганикалық диэлектриктерде өтеді, мысалы: Na⁺ - CL^-, Li⁺-F^- т.б.

Атомдық (коваленттік) байланыстар деп әр атомнан бір –бір валенттік электроннан қосылып шығарылған байланысты айтамыз. Мұндай байланыстар Ge, Si, C (алмаздарда), SiC, BN – қоспаларда; H₂, O₂, N₂ CL₂  - газдарда; көптеген органикалық материалдарда (полиэтилен, политерафторэтилен сияқтылар да) болады.

    Оң және теріс заряд орталықтары сәйкес келетін молекулалар нейтралды болып табылады, орталықтары сәйкес келмей, бір – бірінен біршама қашықтықта орналасса, онда мұндай молекулалар полярлы немесе дипольді деп аталады.

    Полярлық молекула оң және теріс заряд орталарының арасындағы қашықтық (ℓ) пен заряд (q) қатынасы арқылы анықталатын диполь моментінің (m) шамасымен сипатталады.

 

       

                                                  

    Металдық байланыстар деп металдардың оң зарядталған иондарымен атомдардан үзілген бір топ валенттік электрондардың арқасында жүретін байланыстарды айтамыз. «Электрондық газ» металдардың кристалдық құрылысына цементтейтін (қатыратын) әсер көрсетеді де, металдардың электр және жылу өткізгіштерін анықтайды, сонымен қатар металдағы жылтыраудың себепшісі осы.

Металдың майысқақтығы жекеленген кристалл торындағы иондар қабаттарының орын ауыстырып сырғуымен түсіндіріледі.

Бөлек молекулалардың ішіндегі қарама – қарсы белгіленген зарядтардың электростатистикалық тартылуының арқасында байланған байланыстарды молекулалық байланыстар дейміз. Олар Ван – дер – Вальс күші. Мұндай байланыстар ішкі молекулалар коваленттік байланысқан кейбір заттардың молекулаларының арасында болады. Молекулалардың бір – біріне тартылуы, көрші молекулалардың валенттік электрондарының қозғалысы шарттас болғанда өтуі мүмкін.

Бұл заттардың молекулярлық байланыстары әлсіз болғандықтан, олардың құрамы молекулалардың қызу қозғалысында жеңіл бұзылады және балқу температурасы төмен болады. 

 

 

3.4 К Сурет – Металл өткізгіштің сұлбасының құрылысы

 

Қатты денелер құрылысы мен ауқымдар. Кристалдық тор – заттың кристалдық торына тән, яғни үш өлшемде оқтын – оқтын қайталанып, жүйелі орналасқан бөлшектерден атомдар, иондар, молекулалар тұратын тор.

Рентгендік құрылымдық таңдау әдістері табылғаннан 40 жыл бұрын орыс ғалымы Е.С. Федоров әртүрлі заттардағы кристалл торларында бөлшектердің орналасу мүмкіндіктерін есептеп тапты.

Ол кристалдарды 230 мүмкін болатын кеңістік топтарды біріктеретін кристалдарды 32 симметрия кластарына бөлді. Кристалдардың сәуленің 2 – есе сынуы бойынша пьезо және пироэлектрлік қасиеттері абсорбциялық центрлердің туу, электрондардың шығу жұмысы және т.б. қасиеттері бойынша бір – бірінен айырмашылықтары бар.

Берілген кеңістік тордың қандай да бір элементпен немесе қосылыспен түзілуінің себебі негізінен атом өлшемдері мен оның сыртқы қабатының электрондық конфигурацияларына байланысты.

Атомдар әлеміндегі реттелікті қатаң периодты электростатикалық өрісі бар кристалдық тор түсіндіреді. Химиялық қосылыстар қатты күйде болғанда бөлшектердің жақын және алыс орналасқаны бойынша ең жоғарғы ретті айырмашылығы болатыны белгілі. Ретке келтірілген және ретке келтірілмеген күйді көп молекулалы полимерлік материалдарда да бақылауға болады. Бөлшектерінің орналасуындағы түбегейлі ретсіздік аморфты денелерде болады. Электротехникада реттелген құрылымды да, құрылымы реттелмеген материалдарда кеңінен қолданылады.

Материалдардың ерекше физикалық қасиеттерін анықтайтын зат құрылысының «ақаулары» техникада түрлі материалдар мен аспаптарды жасауда қолданылады. Бұған негізінен жарықтандыру мақсатында қолданылатын кристаллофосфорларды, оптикалық түрлендіргіштерді, жарқырағыш бояуларды және т.б. заттар қолданатын люминесценттік техникада жатады.

Кристалдық қатты денелердегі ақауларға кристалдық тордың электростатистикалық өрісінің периодталынғанының кез келген бұзылуы жатады: стехиометриялық құрамының бұзылуы, басқа қоспаның болуы, құрылымның механикалық кернеуленген бөліктері қосымша кристаллографиялық  жазықтықтар дислокация, жарық, кемтік  және т.с.с.

Табиғаты бойынша аталған ақаулар жылулық не «биографиялық» болуы мүмкін. Соңғысы берілген материалдарды алудың технологиялық процесіне байланысты.

Заттардың агрегаттық күйі. Агрегаттық күйі бойынша заттар қатты, сұйық және газ тәріздес болады. Қатты денелердің формасы серпінді, олар бірқалыпты температурада формасы мен мөлшерін сақтайды. Қатты денелерде өткізгіш диэлектриктер, сегнетоэлектриктер, магниттік заттарды жасап шығару үшін қолданылады. Сұйық денелердің белгілі көлемі және белгілі формасы жоқ. Бірінші жағдай оларды қатты денелерге, екіншісі – газдарға жақындатады. Сұйықтардың ең маңыздысы ерекшелігі қатты молекулалар аралық әрекеттігі (20⁰С=45·10^-6 атм.^-1 судың үшін қысылу коэффициенті). Сұйықтардың ішіндегі қысым барлық бағыттарда біркелкі таралады. (Паскаль заңы). Ең көп тараған, бөлшектері бір-біріне әсер ететін, күйі әлсіз болатын заттарды газдар деп айтамыз. Бұл 3 негізгі агрегатты заттардың күйінен басқа сұйық және қатты заттардың арасында өтпелі агрегаттық күйі бар, олар балауыз типті заттар, парафиндер, гудрондар және т.б. және сұйық пен газдардың арасында.

Электрлі қасиеттері бойынша заттардың топталуы. Электрлік қасиеттеріне байланысты барлық заттар диэлектриктер, өткізгіштер және жартылай өткізгіштерге бөлінеді. Олардың арасындағы айырмашылықты тиімді түрде қатты денелердің зоналық теориясының энергетикалық диаграммасымен көрсетуге болады.

Әртүрлі заттардың газ тәрізді күйінде, яғни атомдары бір-бірінен үлкен қашықтықта орналасқанда сәулелену спектрлерінің зерттеуі әрбір заттың атомдары үшін белгілі спектральдік түзулер сипатты екенін көрсетеді. Бұл әрбір атомдар үшін белгілі бір энергетикалық күйдің деңгейі болатындығын білдіреді.

Бұл деңгейлердің бір бөлігі атомның қозбаған күйдегі электрондарымен толтырылған, басқа деңгейлерінде электрондар тек қана атом сыртқы энергетикалық әсерге ұшырағаннан кейін, яғни қозған кезде ғана орналаса алады.

Тұрақты күйге келуге ұмтылған кезде, яғни электронның атом энергиясы минималды болатын деңгейіне орналасу мезетінде, атом артық энергияны шығара бастайды. Газ тәрізді заттың сұйық күйге өткенінде, одан кейін қатты заттың кристалдық торының құрылуы кезінде, көршілес атомдардың бір-біріне әсер етуінен берілген атомдағы барлық электрондық деңгейлер біраз ығысады. Осының нәтижесінде қатты денедегі жекеленген атомдардың энергетикалық деңгейлерінен бүтін жолақ энергетикалық деңгейлер аумағы пайда болады.

Диэлектриктердің, жартылай өткізгіштердің және өткізгіштердің энергетикалық диаграммалары әртүрлі.

Диэлектриктер деп тыйым салынған, аумағы жоғары, қалыпты жағдайда электрондық электр өткізгіштігі байқалмайтындай материалдарды атайды.

Жартылай өткізгіш материалдарда тыйым алынған аумағының ені кішірек болады. Электрондар сыртқы энергетикалық әсер арқылы тыйым салынған аумақтан өте алады.

Өткізгіш материалдарда электрон толтырылған зона бос энергетикалық зонасымен түйісіп жатады.

Осы себепті металдардағы электрондар бос болады, электр өрісінің кернеулігі әлсіз болса да, оның әсерінен толық зона деңгейінен бос деңгейге өте алады.

 

 

 

 5.К Сурет - Диэлектриктердің, жартылай өткізгіштердің және өткізгіштердің энергетикалық диаграммалары

 

Жартылай өткізгіштерде бос электрондар болмаса, оған берілген потенциалдар айырмасы тоқ тудыра алмайды. Егер сырттан электрондар тыйым салынған аймақтан лақтыру үшін жеткілікті энергия берілсе, онда бос қалған электрондар еркін жылжи алады және электр өрісінің әсерімен жартылай өткізгіштің электрондық электр өткізгіштігін тудырады. Электрон айырылып кеткенде толтырылған аймақта «электронды кемтік» пайда болады. Осының нәтижесінде жартылай өткізгіштер электрондарының «эстафеталық» қозғалысы басталады. Олар пайда болған кемтіктерді толықтырады және де электрлі өріс әсерімен кемтік, эквивалентті оң заряд ретінде өріс бағытымен қозғалып отырады. Электрондардың еркін күйге өту үрдісі кері құбылыспен, яғни электронның қалыпты күйіне қайтуымен қоса жүреді. Нәтижесінде затта  тепе-тең құрылады, яғни бос аймаққа ауысатын электрондар саны толтырылған аймаққа кері қайтатын электрондар санына тең болады.

    Температураның жоғарылауымен жартылай өткізгіштің бос электрондар саны жоғарылайды, ал температураның абсолютті нөлге дейін төмендеуінен нөлге дейін кемиді. Сонымен, әртүрлі температураға сай заттардың электр өткізгіштігі әртүрлі болады. Электронды бос күйіне ауыстыру үшін немесе кемтіктің құрылуы үшін қажетті энергияны тек жылулық қозғалыс қана емес, энергияның басқа да көздері, мысалы, жарық, электрондар және ядролы бөлшектердің ағыны, магниттік өрістер, механикалық әсерлер және т.б. жеткізе алады. Электрлі қасиеттер зат атомдарының өзара әсерлер шарттарымен анықталады және берілген атомның міндетті түрдегі ерекшелігі болып табылмайды. Мысалы, көміртегі алмаз ретінде диэлектрик болып табылады, ал графит түрінде жоғары өткізгіштікке иемденеді.

    Кристалды тордың қоспалары мен ақаулары қатты денелердің электрлі қасиеттеріне қатты әсер етеді.

    Магниттік қасиеттері бойынша заттардың топталуы. Магниттік қасиеттері бойынша материалдар әлсіз магнитті (диамагнетиктер және парамагнетиктер) және күшті магнитті (феррамагнетиктер және ферримагнетиктер) болып бөлінеді.

    μ<1 заттар диамагнетиктер. Магниттік өтімділіктің мәні сыртқы магнит өрісінің кернеулігіне тәуелді емес. Бұларға сутегі, инертті газ, көптеген органикалық қоспалар, тас тұзы және металл түрлері: мыс, цинк, күміс, алтын, сынап және де висмут, галий, сурьма жатады. Магниттік өтімділігі μ>1 заттарға парамагнетиктер жатады және оның мәні де сыртқы магнит өрісінің кернеулігіне тәуелді емес болады. Оларға оттегш, азот тотығы, темір тұзы, кобальт, никель және сирек кездесетін элементтер, металл сілтісі, алюминий, платина жатады.

    Диамагнетиктер мен парамагнетиктердің 1 жақын магниттік өтімділігі болады және де олардың магниттік қасиеттері бойынша техникада шектеліп қолданылады. Оларға темір, никель, кобальт,  солардың балқымалары, хром және марганецтің балқымалары, ферриттер т.б. жатады. Магниттік өтімділігі μ≥1 заттар қатты магнит заттарға жатады.

 

1 Диэлектриктердің өрістенуі

 

1.1 Электр өрісіндегі диэлектрик

 

Әрбір диэлектрикте электр кернеуінің арқасында болатын ең негізгі процесі – диэлектриктің өрістенуі – кедергілі зарядтардың шектелген ығысуы немесе дипольды молекулалардың өріспен бағыттасуы.

Өрістенудің әсерінен диэлектриктерде болатын құбылыстарды диэлектрлік өтімділігімен анықтауға болады, ал егер де өрістенуге қоса диэлектрикті қыздыратын қуат серпілісі қабаттасса, онда диэлектриктің шығынымен анықталады. Аздаған диэлектрикті тесіп, ішімен не сыртымен өтетін ток та техникалық диэлектриктерді қыздырады. Ол ток заттың бейнесіндегі еркін электрондар мен иондардың әсерінен пайда болады. Сонымен, техникалық диэлектриктерде электр өткізгіштік құбылыстар болады. Бұл қасиеттерді анықтайтын меншікті беттік не көлемдік кедергілер. Әрине әрбір диэлектрикті шек мағынасынан аспайтын кернеуге дейін пайдалануға болады. Ол кернеудің мағынасы түрлі-түрлі заттың табиғатына және басқа факторларға байланысты. Егер де өрістің кернеуі осы шек мағынадан асып түссе, онда диэлектрик мүлдем тесіледі де,  ол ток өткізбейтін қасиетін жоғалтады. Тесіп өту болған кездегі кернеудің мәнін тескіш кернеу деп атауға болады, ал соған сәйкес біртұтас сыртқы электр өрісінің кернеулігін – диэлектриктің электр беріктігі дейміз.

 

1.2 Диэлектриктің өрістенуі және оның электр өтімділігімен байланысы

 

Барлық диэлектриктер байланысқан электрлік зарядтарға ие: атомдардың сол жақ зарядталған электрондық қабыршықтары және оң зарядталған атомдық ядролар. Электр өрісіне диэлектриктер қосылмаған кезде осы зарядтар концентрикалық күйде орналасқан, сондықтан атомдар электрлік нейтралды.

Электр өрісінің әсерінен диэлектриктегі бөгелмелі электр зарядтар әсер еткен күштің бағытымен  ығысады. Ол ығысудың шамасы өріс кернеулігінің мөлшерімен байланысты. Егер электр өрісінен ажыратса, онда жаңағы зарядтар өз қалпына қайтадан оралады да, қайтадан атомдар электр нейтралды болады. Дипольды молекулалар немесе полярлы диэлектриктер, электр өрісінің арқасында өріспен бағыттасады. Егер де өрістен сондай диэлектриктерді ажыратсақ, жылулық қозғалыстың  әсерінен дипольдар бейберекет болып бағытын жоғалтады. Диэлектриктер зарядтарының көбісінің ығысуы өрістің кернеулігімен сызықты байланысады.

Ерекше топқа сегнетоэлектриктер жатады, олардың диэлектрлік ығысуы кернеуліктің өзгеруі мен қисық сызыққа тәуелді және өрістің бір мезетінде ығысуы қанығады. Ондай байланыс бірінші рет сегнет тұзында байқалған, сондықтан осы топқа сәйкес келетін диэлектриктерді  «сегнетоэлектрик» дейміз.

Диэлектриктік өтімділік (ε) – заттан қандай сыйымдылық алуға болатынын және өрістенудің дәрежесін көрсетеді. Диэлектрик өтімділігінің (ε) макроскопиялық шамасымен диэлектриктердің өрістену дәрежесі анықталады.

 

                                                                                                     (1.1)

                           

          мұнда С – диэлектрик толтырылған конденсатор сыйымдылығы;

          С₀ – электродтардың арасында вакуум бар конденсатордың сыйымдылығы.

            Ал, конденсатор дегеніміз екі жағына электрод қосқан диэлектрик.

Электр тізбекке қосылған электродтары бар кез келген диэлектрик, белгілі бір сыйымдылықты конденсатор ретінде қарастыра алады.

            Конденсатордың заряды

 

                                          ға тең.                                                          (1.2)

 

          мұндағы C – конденсатор сыйымдылығы, U – оған келтірілген кернеу. Келтірілген кернеудің берілген мәніндегі электр саны Q екі құрастырушыдан тұрады: біріншісі вакуум бөліп тұрғанда бар болатын заряд Q_0, екіншісі электродтарды шын мәнінде бөліп тұратын, диэлектриктің өрістенуімен бейімделген құрастырушы Q_д. Сонда

 

                                         .                                                                (1.3)

 

          Техника үшін ерекше маңызы бар, диэлектриктердің  сипаттамаларының бірі - оның салыстырмалы диэлектрлік өтімділігі (ε). Бұл шама белгілі бір кернеуде алынған электродтардың арасында диэлектригі бар конденсатордың заряды Q_д, дәл сондай шарттағы, бірақ та электродтарының  арасында вакуум бар конденсатордың заряды Q₀ - ға қатынасы болып табылады:

 

                                          .                                            (1.4)

 

       Әрбір заттың диэлектрик өтімділігі «1»-ден көп болуы керек.

Жоғарыда көрсетілген (1.1) теңдікті былай деп көрсетуге болады:

 

                                     .                                                       (1.5)

 

         мұнда С₀ – электродтардың арасында вакуум бар конденсатордың  

сыйымдылығы.

          Диэлектриктің өтімділігі заттың табиғатымен және сипатымен байланысты. Құрамы күрделі, қатты диэлектриктердің диэлектрлік өтімділігін (компоненттердің қоспалары) ығысу логарифмдік заңының негізімен анықтауға болады.

 

                                          .                                                       (1.6)

 

         мұндағы ε _r1, ε _r2 – жеке компоненттердің диэлектрлік өтімділігі.

          θ_1, θ₂ – компоненттердің көлемдік мөлшері.

          х – компоненттердің диэлектрикте бөліп тарату тұрақтысы, мағынасы (+1) - ден (-1) - ге дейін, жалпы (θ₁+ θ₂) =1.

ε – тәжірибе жүзінде анықталады. Ең қолайлы да, оңай өлшеу тәсілі – диэлектрикті конденсатордың сыйымдылығын айнымалы тоқтың теңдестіру көпірі арқылы өлшеу тәсілі.

          

         1.3 Диэлектриктер өрістенудің негізгі түрлері

 

                   Өрістену негізгі екі үлкен топқа бөлінеді. Бірінші түрге – диэлектрикте электр өрісінің әсерімен серпімді, энергияны таратпай, жылуды тудырмай лезде өтетін өрістену жатады. Екінші түрге – бір мезетте жүріп өтпейтін, баяу жоғарылап не төмендейтін, диэлектрикте энергияны таратпайтын, яғни оны қыздырмайтын өрістену жатады. Бұл түрін релакциялық өрістену дейміз.

        Өрістенудің бірінші түріне электронды және ионды өрістену, қалған механизмдер релаксациялық баяу өрістенуге жатады. Өрістенудің ерекше түрі – резонансты, ол түрі диэлектриктерде өте жоғары жиіліктерде кездеседі.

        Диэлектрикті конденсатордың сыйымдылығы және ондағы жиналып қалған электрик заряды өрістенудің әртүрлі механизмдерінің қосындысымен бейімделеді. Олар әртүрлі диэлектриктерде бақылана алады, бірнеше өрістенудің түрлері бір уақытта бір материалдарда да бола алады.

         Әртүрлі өрістену механизмдері бар диэлектриктің эквиваленттік сұлбасы кернеу көзіне (U) параллель қосылған бірқатар сыйымдылықтарды қамтиды. Сыйымдылық (C₀) пен заряд (Q₀), егер де олардың арасында диэлектрик жоқ болса, (вакуум) өзіндік электродтар өрісіне сәйкес келеді.

                   Электрондық өрістену атомдар мен иондардың электрон қабықшаларының серпімді ығысуы мен деформациясы арқасында пайда болады. Электрондық өрістенуге 1.1 суретте C₇ және Q₇ сәйкес келеді.   Электронды өрістенудің орнығу уақыты өте аз (10^-15сек) мезгілде болады. Таза электронды өрістенулі заттың диэлектрлік өтімділігі, санды түрде жарық сыну көрсеткішінің (n) квадратына тең. Атомдар немесе иондардың электронды орбиталарының ығысуы мен деформациясы температураға тәуелді емес, дегенмен заттың электронды өрістенуі диэлектриктің жылулық кеңейуімен және көлемі (1.1суретте C_u,Q_u) ұлғайғанда бөлшектер санының төмендеуімен байланысты, температураның жоғарылауынан төмендейді.

 

 

1.1Сурет - Әртүрлі өрістену механизмді электр өрісіндегі құрамы күрделі диэлектрик (а) және оның эквиваленттік сұлбасы (б)

 

         Электронды өрістенулі диэлектриктің диэлектрлік өтімділігі температураның өзгерісі кезінде өзгеруі тек оның тығыздығының өзгеруімен шартталады. Электронды өрістену диэлектриктердің барлық түрлерінде байқалады және энергия шығынымен байланысты емес, яғни сыртқы қуаттың шығынына әсер етпейді.

          Бұл көрінудің түрі тек қана полярлы емес диэлектриктерге сәйкес, сондықтан олардың диэлектрик өтімділігі онша үлкен емес те, өрістің жиілігімен байланысты емес, ал температура ұлғайған сайын ε азаяды.

          Иондық өрістену – ионды құрылымды қатты денелер үшін сипатты және серпімді байланысқан иондардың ығысуымен бейімделеді. Температураның жоғарылауынан, жылулық кеңею кезіндегі иондар арасында әрекет ететін күштердің әлсіреу нәтижесінде иондар арасындағы арақашықтық үлкейеді, сонда серпімді ионды өрістену күшейе түседі және  көп жағдайда ионды диэлектриктердің диэлектрлік өтімділігінің температуралық коэффициенті оң болып шығады. Иондық өрістенудің уақыты 10^-13c, қуат шығынын шығармайды. Иондық өрістенудің мәні – сол зарядты иондардың өріске қарсы қозғалуында, ал оң зарядты иондардың өріспен бағыттасуында. Серпімді иондық өрістену практикалық жиілікке байланысты емес жиілік спектрінің инфроқызыл торауына дейін/. Температураны көбейткенде, иондық байланыстың әлсіреуінің арқасында өседі, осының әсерінен иондық диэлектриктердің ε аз мөлшерде ұлғаюы да мүмкін немесе иондық өрістену электрондық өрістенумен қабаттасқанда ε кемуі де мүмкін.

          Дипольды – релоксациялық (C_д-р,Q_д-р,Ч_д-р), қысқаша айтқанда дипольді деп аталады, ионды мен электронды өрістенуден айырмашылығы оның бөлшектерінің жылулық қозғалыспен байланысты болуында. Бейберекет жылулық қозғалыста болатын дипольды молекулалар өрістің әсерімен жарым-жартылай бағытқа салынады, соның арқасында өрістену процесі өтеді.

          Егер молекулярлы күштер дипольдерге өріс бойымен орналасуына кедергі етпесе, онда дипольді өрістену жүріп өте алады. Температураның жоғарылауына қарай молекулярлы күштер әлсіреп, сонда заттың тұтқырлығы төмендейді, дипольды өрістену күшею керек, дегенмен сонымен қатар молекулалардың жылулық қозғалыс энергиясы жоғарылайды, бұл өрістің бағыттаушы әсерін төмендетеді. Осыған байланысты дипольді өрістену температураның жоғарылауымен ең алдымен жоғарылайды. Сонан соң ретсіз жылулық қозғалыстың күшеюінің арқасында дипольді өрістену төмендейді. Дипольдардың тұтқырлы ортада электр өрісінің бағытына сәйкес айналуы белгілі бір кедергіден асып өтуін талап етеді, сондықтан дипольдық өрістену диэлектрикке электр қуатының жұмсалуымен, яғни қуаттың диэлектрикте таралып шығынданатынымен байланысты. Эквиваленттік сұлбада мұндай өрістенуді сыйымдылық пен активті кедергіні (Ч_д-р) тізбектеп қосады. Тұтқырлы сұйық денелерде молекулалардың айналуына кедергінің молы сондай, соның әсерінен тез айнымалы өрістерде дипольдар өріспен бағыттасуына байланысты. Бұл өрістенуді дипольды – радикалды өрістену дейміз.

          Полярлы диэлектриктерде жиілікті өзгерткен кезде (ε) басында тұрақты болып тұрады, себебі өрістің полярлығын ауыстырған кезде дипольдар орын ауыстырып үлгереді. Ал, барынша үлкен жиіліктерде дипольдық молекулалар өрістің бағытына қарай ауысуға үлгермейді, бағытталуы әлсірейді де, (ε) азаяды. Сол мезгілде, жиіліктің өте жоғарғы санында, электрондық өрістену ғана байқалады. Температура өзгерген сайын өзінің ең жоғарғы шегіне жетеді де, сонан соң максимумнан өткеннен кейін азая бастайды. Төменгі температураларда ε электрондық өрістену арқылы ғана анықталады. Температура ұлғайған сайын, дипольдардың тербелу амплитудасы көбейеді де, бір тепе-теңдік қалыптан екінші тепе-теңдік қалыпқа өтіп кету мүмкіндігі туады. Температура үлкейген сайын өту уақыты азаяды. Сондықтан белгілі бір температура мен жиілікте электр өрісіндегі диэлектрик өтімділігі максималды /шек/ мағынасына жетеді. Әрі қарай температураны көбейткенде, жылулық қозғалыстың деформациялық күші релаксациялық өрістенуге әсер етеді де, (ε) кеми бастайды. Ал жиілікті көбейткен сайын (ε) жоғарғы шегі үлкен температуралар жаққа қарай ығысады.  

 Спонтандық өрістену сегнетоэлектриктерде кездеседі. Өзінен - өзі (спонтанды, самопроизвольно) өрістенетін заттарда «домен» деген бөлшектер болады, олар сыртқы өріс жоқ кезінде электрлік моментке ие. Әрбір доменнің бағыттасуы әртүрлі. Сыртқы электр өрісін қоссақ, барлық домендер электр өрісінің бағытымен айнала бастайды. Электрлік моменті жақын домендер бірінші бағыттасады. Қалған диэлектриктерге қарағанда кернеудің бір мағынасында сегнетоэлектриктердің өрістенуі қанығады, әр қарай кернеу өскенімен өрістену тоқтайды. Сондықтан диэлектрлік өтімділік сегнетоэлектриктерде өрістің кернеулігіне тәуелді.

Спонтандық өрістену белгілі ең жоғарғы температураға дейін сақталады, оны Кюри нүктесі дейді. ε өте жоғары мәндерге ие болады / 10000 – ға дейін/. Жалпы, сегнетоэлектриктердің өрістенуі 2 процестен тұрады: олар электрондық пен иондық өрістенудің өсуінен және спонтанды моменті сыртқы электр өрісімен бағыттасқан бөлшектердің меншікті салмағының өсуінен немесе өзгеруінен.

Осындай диэлектриктердің бір түрі барий титанаты ВаТіО₃, оның кристалдары бөлек – бөлек домендерден тұрады. Әрбір доменнің ішінде электрлік моменттер бір жаққа қарай бағытталған, бірақ бөлек домендерде электрлік моменттер бір жаққа бағытталады.

Егер кристалды электр өрісіне енгізсек, онда электрлік моменттер өріспен бағыттала бастайды. Осының нәтижесінде кейбір домендердің өсуі басталады, домендердің арасындағы шекаралар ығысады да, бір мезгілде домендердің бәрі бір тұтас электрлік дипольге ұқсайды. Айнымалы электр өрісінде өзіндік өрістенетін заттар қуаттың диэлектрикте таралуымен мінезделеді, яғни жылулықтың шығуымен, нәтижесінде диэлектрик біршама қызады.

Техникада сегнетоэлектриктерден сыйымдылығы айнымалы конденсаторлар шығарады, олардың аты вариконд.

 

1.4 Газдардың диэлектрлік өтімділігі

 

Молекулаларының арақашықтығы үлкен болғандықтан, газ тәрізді заттардың тығыздығы төмен болады. Сондықтан газдардың диэлектрлік өтімділігінде төмен болып, бірге жақындайды.

Газдардың өрістенуі электрондық, ал егер де газдардың молекуласы полярлы болса, онда өрістенуі дипольды, бірақ та полярлы газдарда негізінде электрондық өрістену үлкен мағынаға ие.

1.1 кестеде молекулаларының радиусы мен жарық сыну көрсеткіші келтірілген кейбір газдардың диэлектрлік өтімділінің мағынасы көрсетілген. Осы кестеден байқауға болады, неғұрлым молекуланың радиусы үлкен, соғұрлым газдың диэлектрлік өтімділігі жоғары екені.

 

1.1 – К е с т е   Сыну көрсеткіші мен диэлектрлік өтімділігінің қатынасы

Газ	Молекуланың радиусы А0	Сыну көрсеткіші һ	Диэлектрлік өтімділік Е
Гелий	1,12	1,000035	1,000072
Сутегі	1,35	1,00014	1,00027
Оттегі	1,82	1,00027	1,00055
Аргон	1,83	1,000275	1,00056
Азот	1,91	1,00030	1,00060
Көмір қышқыл газ	2,30	1,00050	1,00096
Этилен	2,78	1,00065	1,00138

        

         Газдың диэлектрлік өтімділігінің температура мен қысымдыққа газдың көлем бірлігіндегі молекула санының (n)өзгеруімен анықталады. Бұл сан қысымға пропорционалды да абсолютті температураға қайшы.

         Ылғалдық өскен сайын диэлектрлік өтімділік ұлғаяды. Бұл ұлғаю температура өскен сайын күшейеді. Диэлектрлік өтімділіктің температураға тәуелдігі мынандай теңдестікпен анықталады:

 

                                                                                              (1.7)

 

(1.7) формуламен температура 1 градусқа көтергенде диэлектрлік өтімділікті есептеуге болады. Осы анықтаманы диэлектрлік өтімділіктің температуралық коэфициенті дейміз.

         Полярлы емес газдың ТКε - ның былай есептеуге болады:

 

Температура 20⁰ С – да әуе үшін 

 

 

         Диэлектрлік өтімділіктің қысымдыққа қатынасы мына формуламен есептеледі:

 

         Қысымдық Р = 0,1 МПа – да          әуе үшін

 

 

         Молекулалардың саны n₀ 1 көлем бірлігінде негізгі газ заңдарымен анықталады

 

 

         1.5 Сұйық диэлектриктердің диэлектрлік өтімділігі

 

         Сұйық диэлектриктердің құрылымы полярлы (дипольды), полярлы емес (нейтралды) молекулалардан тұрады.

         Полярлы емес диэлектриктердің диэлектрлік өтімділігінің мөлшері жоғары емес және жарық сыну көрсеткішінің квадратына тең ε = n².

         Полярлы емес сұйықтардың диэлектрлік өтімділігің температураға қатынасы бойынша температура ұлғайған сайын молекулалардың саны көлем бірлігі өскендігінен азаяды.

         ТКε абсолютті мағынасы бойынша ұлғаю (β) температуралық коэфициентіне жақындайды. ε Полярлы емес сұйықтардың ε  – ны 2,5 аспайды.

         Температура мен жиіліктің диэлектрлік өтімділікке тиетін әсері 1.2 суретте көрсетілген.

1.2 Сурет – Полярлы емес сұйықтың диэлектрлік өтімділігінің температураға (a) және жиілікке (б)  тәуелдігі.

 

Құрамында дипольды молекуласы бар сұйықтардың өрістенуі бірдей электрондық және дипольдық өрістенулермен анықталады. Осындай артықтарды неғұрлым дипольдардың электр моменттері көлем бірлігінде молекулалардың саны жоғары, соғұрлым диэлектрлік өрістенудің мөлшері үлкен. Қатты полярлы сұйықтардың ε өте үлкен, мысалы су, этил спиртті, т.б.

Бұл сұйықтардың температураға тәуелді және сипаттамасы күрделі.

1.3 суретте хлорлы дифенил – совол деген полярлы сұйықтың өтімділігінің температураға қатынасы көрсетілген.

Бұл тәуелдіктің анықтамасын дипольдық өрістену механизммен анықтауға болады:   f₁ = 50 Гц, f₂ = 400 Гц, f₃ = 1000 Гц.

          ТКε  әр түрлі температураға (f = const) ε(t) -  ның қисық сызығының

графикалық дифференциялдау әдісімен жабуға болады. (1.3 Сурет).

 

1.3 Сурет – Соволдың ε =f(t) қатынасы.

1.4 Сурет – Соволдың ε =f(f) қатынасы.

        Мысалы, температура t₁  мен жиілік f₁ үшін TKε - ды табу керек болса нүкте (A) – ға тиістіре сызық сызылады. Бұл сызық гипотенуза ретінде, ал осыған тік үш бұрышты салынады. Масштабтарын еске ала тұрып, (A) нүктесіндегі осы үш бұрыштың катеттерінің ε мағынасына қатынасы болса, ізделінген ТКε шығады.  Полярлы сұйықтардың өтімділігіне өрістің жиілігі едәуір әсер етеді. 1.4 суретте полярлы сұйықтың диэлектрлік өтімділігі мен жиіліктің қатынасы келтірілген. Қисық сызықтың түрі жоғарыда айтылған қағиданы нақтылайды. Өрістің жиілігі аз кезінде дипольдар өріс бағыттың өзгеру тездігіне үлгереді, ε ол кезде жоғары  тұрақты кернеудегі өлшенген диэлектрлік өтімділіктің ε_∞ мағынасы жақын болады. Жиіліктің мөлшері өте жоғарылағанда, молекулалар өрістің өзгеруіне үлгермей, диэлектрлік өтімділік төмендейді, электрондық өрістенумен анықталатын диэлектрлік өтімділікке ε_∞  жақындайды. (ε_∞ =n²).

ε төмендеуін бастаған жиілік f₀ келесі формуламен есептеледі:

 

 

         Мұндағы ή  – динамикалық тұтқырлық, ч – молекуланың радиусы. Молекулалардың релаксация уақыты ( жиілікпен келесі сәйкестілікпен байланысты:

                                                                                                 (1.8)

 

Техникада қолданылатын полярлы диэлектриктердің өтімділігі 3.5 – нан 5 – ке дейін шекте жатыр, яғни полярлы емес диэлектриктердің Е – на жоғары (1÷ 3.5)

 

1.6 Қатты диэлектриктердің диэлектрлік өтімділігі

 

Түрлі – түрлі структуралы қатты диэлектриктердің ерекшелігіне сәйкес қатты денелердің диэлектрлік өтімділігінің сандық мөлшері әртүрлі болуы мүмкін.

 

1.2 К е с т е      - 20⁰ С – ғы кейбір полярлы емес қатты диэлектриктердің диэлектрлік өтімділігі мен сыну көрсеткіші

Материал	n	n 2	Е
Парафин	1,43	2,06	1,9-2,2
Полистирол	1,55	2,40	2,4-2,6
Күкірт (сера)	1,92	3,69	3,6-4
Алмаз	2,40	5,76	5,6-5,8

 

Қатты денелерде өрістенудің барлық түрі болады. Полярлы емес қатты диэлектриктерге полярлы емес сұйықтар мен газдардың заңдары сипатты. Осы қағиданы біз 1.2 кесте мен  1. 4 суреттен байқауымызға болады. Парафин қатты күйден сұйыққа өткенде (балқу температурасы 54⁰С) тығыздығының өте төмендеуіне сәйкес диэлектрлік өтімділікте өте төмендейді

 

 

1.5 Сурет - Парафиннің диэлектрлік өтімділігінің температураға қатынасы

1.6 Сурет – Иондық KCl кристалының диэлектрлік өтімділігінің температураға қатынасы

 

Бөлшектері тығыз буылған иондық кристалдарда электрондық және иондық өрістену өтеді және олардың диэлектрлік өтімділігі өте кең диапозанда болады. Иондық кристалдардың ТКε көбінесе оң. Тек қана құрамында титан бар иондық кристалл: рутил (ТіО₂) және басқа титанаттарда ТКε теріс. Бұлардың  ТКε – ның терістігі иондық ығысудың арқасында болатын қосымша ішкі өрістің әсерімен күшейткен электрондық өрістенумен анықталады.

 

1.3 К е с т е  - 20⁰С – да болатын иондық кристалдың ε және ТКε мағынасы

Кристалл	ε	ТКε ·106,К-1
Тас тұз (NaCl)	6	+ 150
Корунд (Al2O3)	10	+ 100
Рутил ( Ti O2)	110	- 750
Кальций титанаты ( CaO · Ni O2)	150	- 1500

 

 

 

 

 

Бөлшектері тығыз буылмаған қатты диэлектриктерде электрондық және иондық өрістенуден басқа ионды релоксациялық өрістену байқалады. Соның әсерінен диэлектрлік өтімділігі осы денелерде төмен және ТКε – ны оң. Мысалы 1.7 суретте көрсетілген электротехникалық фарфордың диэлектрлік өтімділігінің температураға қатынасы.

Бейорганикалық шынылардың диэлектрлік өтімділігі 4 – тен 20 – ға дейін, ТКε – ны оң. Егер де шынының құрамына жеңіл балқитын сілтілі иондарды енгізсе, ТКε ұлғаяды.

 

 

 

 

 

 

 

 

1.7 Сурет – Электротехникалық фарфордың ε = f (t) 

Органикалық полярлы диэлектриктерде қатты күйінде дипольдық өрістену жүреді. Оларға целлюлоза мен содан шығатын бұйымдар және полярлы полимерлер жатады. Диэлектрлік өтімділігі температура мен жиілікке өте тәуелді, жоғарыда айтылған полярлы сұйықтардың заңына сәйкес.

Сегнетоэлектриктердің ε өте жоғары мөлшерге ие және өрістің кернеулігі мен температураға тәуелділігі өте зор. Ерекшелігіне диэлектрлік гистерезисы жатады, яғни электр индукциясының өзгеруі электр өрісінің кернеулігінің өзгеруінен қалып отыратыны. Сегнетоэлектрикке жататындар сегнет тұзы NaKaC₄H₄O₆·4H₂O, барийдың титанаты BaTiO₃, қышқыл, фосфор, қышқыл калий және т.б.

1.8  Суретте керамикалық сегнетоэлектриктің (барий титанаты) өтімділігінің температураға қатынасы келтірілген. Суреттен осы   заттың 125⁰C  – та өтімділігі өте жоғары максимумға ие болғаны анықталады.

 

1.8 Сурет – Барий титанатының  ε = f(t) қатынасы

 

         1.9 суретте  керамикалық  сегнетоэлектриктің  гистерезис  тұзағы  және  электр индукция мен  электрлік өтімділігінің  электр өрісінің кернеулігіне  есептеу тәуелдігі көрсетілген.  Суреттегі көрсеткіштер осы құрылымға  Кюри нүктесіне жақын температуралар үшін алынған.

 

1.9 Сурет - Керамикалық  электр индукциясы мен сегнетоэлектриктің диэлектрлік өтімділігінің электр өрісінің кернеулігінен тәуелділігіндегі гистерезис тұзағы

 

Сегнетоэлектриктерде электрлік тозу байқалады, яғни диэлектрлік өтімділіктің бір кездерде азаюы. Оған себеп болатын мүмкін домендердің қайта топталуы шығар. Әсіресе диэлектрлік өтімділіктің өте үлкен өзгеруі  Кюри нүктесіне жақын  температураларда байқалады.

         Кюри нүктесінен жоғары температураға шейін қыздырып, сонан соң суыту диэлектрлік өтімділікті бұрынғы қалпына келтіреді. Осында ε өзі қалпына  келтіру үшін электр өрісінің  жоғары кернеулерімен сегнетоэлектрикке әсер етсе де болады.              

Кейбір сегнетоэлектриктер үшін әлсіз өрісте 20⁰C - да  болатын диэлектрлік өрістенудің мағынасы келтірілген:

 

         1.4 К е с т е  -  Сегнетэлектрик керамикаларының диэлектрлік өтімділігі

Материал	ε
Сегнет  тұзы      Барий титанаты      Қоспалары бар барий титанаты	500 - 600                     1500 – 2000                     7000 - 9000

 

 

 

 

 

 

 

 

1.10. Суретте сегнетоэлектрик – барий титанатының диэлектрлік өтімділігінің уақытқа қатынасы көрсетілген

1.10 Сурет - Сегнетоэлектриктің ε = f(τ) өзгеруі

 

          Салыстырмалы диэлектрик өтімділігі диэлектриктің құрамына, агрегаттық күйіне, электр өрісінің жиілігі мен кернеулігіне, температураға, қысымға және т.б. тәуелді.

Құрамы күрделі қатты диэлектриктердің диэлектрик өтімділігінің ығысуы логарифм заңының негізімен анықтауға болады

 

                                            ;                                                       (1.9)

 

мұнда  ε₁,ε₂  - әрбір қосылымның диэлектрик өтімділігі

                       θ₁,θ₂ - қосылымның көлемдік мөлшері

 

                                          ;                                                               

 

            х – қосылымдардың диэлектриктегі бөліп тарату константасы, мағынасы  +1 - ден – 1- ге дейін.

         Компоненттер параллельді қосылса:

 

                                                ;                                                      (1.10)

 

         Егер де тізіліп қосылса:

 

                                                                                                         (1.11)

 

         Ал компоненттер қалай болса солай қосылса, онда

 

                                                                                         (1.12)

 

         Құрамы күрделі диэлектриктің диэлектриктік өтімділігін табу үшін, төмендегі көрсетілген теңдестікті логарифмдеу керек:

 

 немесе ТКε = θ₁ТКε₂+θ₂ ТКε₂;

  

           2 Диэлектриктердің электрлік өткізгіштігі

 

           2.1 Негізгі түсініктер

 

Заттағы байланысқан зарядтар ығысуының өрістену процесі, бірқалыпты тепе – теңдік күйіне дейін уақыт аралығында жүріп өтеді де, диэлектриктерде өрістену тоқтауын немесе ығысу тоқтауын туғызады. Электронды және ионды өрістену кезіндегі серпімді байланысқан зарядтардың ығысу тоқтарының қысқа мерзімдігі (10^-15 – 10^-13сек)  соншалықты, олардың мәнін құралмен өлшеп алуға мүмкін емес болады. Техникалық диэлектриктердің көпшілігінде байқалатын баяу өрістенудің әртүрлі түрлерінің ығысу тоқтары абсорбция тоқтары деп аталады. Тұрақты кернеуде абсорбциялы тоқтар өзінің бағытын өзгерте отырып, кернеудің тек қосылу мен ажыратулы сәттерінде жүріп өтеді. Айнымалы кернеуде олар материал қанша электр өрісінде болады, сонша өтеді.

Техникалық диэлектриктердегі аздаған бос зарядтар санының бар болуы, шамасы әлсіз өтпе тоқтарының немесе жылыстау тоқтарының пайда болуын келтіреді. Сонымен, диэлектриктегі тоқтың толық тығыздығы жылыстау, ығысу және абсорбция тоқтарының қосындыларымен өрнектеледі:

 

 

Ығысу тоғының тығыздығы индукция векторының өзгеру жылдамдығымен анықталады:

 

 

         Индукция векторы зарядтардың лездік электронды және ионды баяулаған ығысуымен бейімделеді. Өрістену үрдістерінің аяқталуларынан кейін, диэлектрик арқылы тек өтпе (I_θт ).

         Суретте 2.1 белгілі уақыт ішінде диэлектриктен өткен тоқтың шамасы көрсетілген. Диэлектрик бойында өрістену процестері біткеннен кейін тек өтпе тоқ қана ағады.

 

2.1 Сурет – Диэлектрикте өтетін тоқтың уақытқа қатынасы

 

         Диэлектриктердің өткізгіштігін өлшеу кезінде, диэлектрик үлгісінің кернеуде аз уақыт ұстағанда тек өтпе тоқ қана емес, оны жалғастыратын абсорбция тоғы белгіленеді. Оның нәтижесінде үлкен өткізгіштік байқалуы мүмкін.

         Тұрақты кернеуге қосқан диэлектриктің өткізгіштігі өтпе тоқпен анықталады. Бұл тоқ электродтарда зарядтардың пайда болуына және қайтадан жойылуына себепкер болады. Айнымалы кернеуде актив құраушылары қосылады. Диэлектриктердің электр өткізгіштіктерінің ерекшеліктері көп жағдайда олардың электронды емес ионды сипаты. Өтпе тоғының шамасын анықтайтын диэлектриктің шындық кедергісі  келесі формула бойынша анықталады

 

 

                                                                                              (2.1)

 

          мұндағы і – бақыланатын тоқ

          U – келтірілген кернеу

          I_аб - өрістенудің баяуланған түрлерімен келтірілетін тоқтар қосындысы (абсорбция).

          I_θт - өтпе тоқ (сквозной), өткінші (проводимости) тоқ.

Өрістенудің баяулатқан түрлерінде өрістену тоқтарын анықтау кейбір қиыншылықтар тудыратын болғандықтан, диэлектриктрдің кедергісін алайда, кернеуді қосқаннан кейін бір минутта өлшенетін тоққа кернеуді бөлудің бөліндісі ретінде есептейді және де ол тоқты өтпе (өткінші) дейді. Жалпы тұрақты кернеуде диэлектриктен өтетін өткінші тоқ екі түрлі тоқтан құралады: көлемдік және беттік тоқтар.

 

 

         мұнда I_к – көлемдік тоқ, I_б – беттік тоқ, А

сонда диэлектриктің өткізу қабілеті/проводимость/

 

                                                                                                                 (2.2)

                                        

         мұнда U -  кернеу, B;

 

                                                                                 (2.3)

 

         мұнда G_k,G_б - диэлектриктің көлемдік және беттік өткізу қабілеті;

         Өткізу қабілетінің кері шамасын тоқ өткізбейтін заттың электр кедергісі дейміз; көлеміне сәйкес кедергіні - R _k, бетіне сәйкес кедергі - R _б

 

                                        .                                                          (2.4)

 

         Сонымен өткінші тоқты анықтайтын диэлектриктің кедергісі мына формуламен есептеледі

 

                                                                                        (2.5)

 

         мұнда  I - қарастырылып отырған тоқ, А

          U - берілген кернеу, В;

         ( I_ығ+ I_абс) - жәй ағатын өрістену тоқтарының қосындысы: ығысу және абсорбция тоқтауы.

         Жәй ағатын өрістенудің мөлшерін анықтау үшін болғандықтан, диэлектрикті 1 минут кернеуде ұстап барып, жалпы диэлектриктен өтетін тоқты өлшейді де, кедергіні кернеудің сол тоққа қатынасы арқылы есептеледі.  Қатты электр айыратын заттардың көлемдік және беттік электр өткізгіштігін жеке қарастыру керек. Әртүрлі заттарға салыстырмалы баға беру үшін меншікті көлемдік кедергі ρ_к мен меншікті беттік кедергінің ρ_б мәндерін табу керек. Жазық заттың біртекті электр өрісінде меншікті көлемді кедергісін мына формуламен есептейміз.

 

                                                                                                             (2.6)

 

         мұнда ρ_к - меншікті көлемдік кедергісі, (Oм·м)                                 

          R_k - көлемде өлшеп алған жалпы кедергі

          S - электродтың ауданы, (м²)

          h - қалыңдық (м)

Меншікті беттік кедергіні мына формуламен есептеуге болады.

 

                                                                                                      (2.7)

 

           мұнда R_б - бір – бірімен l қашықта параллель қойылған /жалпақтығы d/ электродтардың арасындағы өлшеп алынған беттік кедергі.

Сонда меншікті беттік және көлемдік өткізу қабілетін мына формулалармен есептеуге болады

 

                                                                                               (2.8)

 

            мұнда [См - Сименс]

 

                                                                                      (2.9)                   

               

Меншікте беттік өткізгіштік Сименс пен [См]  өлшенеді.

Меншікті көлемді өткізгіштік (γ)См ·м^-1 - мен өлшенеді.

Кедергіні анық өлшеу үшін заттың бетіне электродтарды сақина сияқты кесіп немесе қиып жасайды да, жабыстырады.

 

                                                                                         (2.10)

 

                                                                                                (2.11)

 

Бұл формулада:

d₁ – жоғары вольтты электродтың диаметрі;

S –жоғары вольтты электродтың ауданы;

d₂ - қоршау сақинасының ішкі диаметрі;

һ - үлгінің қалыңдығы.

Егер де кедергісін өлшейтін зат коксиалды цилиндр болса

 

                                                                                                    (2.12)

 

         мұнда d₁,d₂ екі / ішкі және сыртқы / цилиндрдің диаметрлері.

         Электр айыратын заттардың электр өткізгіштігі берілген заттың күйімен (газ, сұйық не қатты) сипатталады. Одан басқа да қоршаған ортаның ылғалдылығымен, температурасымен, электр өрісінің кернеулігінің мәні және түрімен тағы басқа факторлармен байланысты болады.

         Конденсатордың өзінен - өзі разрядтану уақытының тұрақтысы (τ₀) тең изоляцияның кедергісі (R_из) мен конденсатордың сыйымдылығы (С) - ның көбейтілуіне,

 

                                           

 

τ₀ - мұны формуладан табуға болады.

 

                                           

                                          

 

         мұнда U - кернеу көзінен айырғаннан τ уақыт өткеннен кейін конденсатор электродтарындағы қалған кернеу,

            U₀ - конденсаторды зарядтаған кернеудің мағынасы ,

            R_из - изоляцияның кернеуі (өтетін тоққа кедергі),

            С - конденсатор сыйымдылығы.

Егер де τ₀ = R_изC = SE₀E, сонда τ₀ өлшенеді Ом · Ф,МОм ·мкФ немесе «секундта»  

Сонымен, егер де конденсатордың клеммаларындағы кернеу өзінен - өзі 2,7 есе разрядталған уақыты болса, материалдың түрі белгілі және тоқ көлеммен ғана ағатын болса, онда материалдың меншікті көлемдік кедергісін жеңіл анықтауға болады.

 

         2.2 Газдардың электр өткізгіштігі

 

Электр өрісінің кернеулігінің мағынасы төмен болған кезде газдарды өткізгіштігі өте аз деуге болады. Еркін электрондар мен иондар болса ғана газдарда тоқ пайда болуы мүмкін. Газдағы нейтралды молекулалардың иондануына себеп ететін сыртқы факторлар немесе зарядталған бөлшектердің молекулалармен соғысуынан болуы мүмкін.

         Газдардың иондануына себепкер сыртқы факторлар  -рентген; ультрафиолет, ғарыш сәулелері, радиактивті сәулелену және термиялық әсерлер. Сыртқы конденсаторлардың арқасында пайда болатын иондануды дербес емес иондану дейміз. Ал, екіншіден, әсіресе тығыз емес молекулаларының арақашықтығы ұлғайған газдарда, зарядталған бөлшектермен газдың молекулаларымен соққылап иондарды туғызса, соның әсерінен электр өткізгіштік пайда болады. Егер де зарядталған бөлшектердің кинетикалық қуаты электр өрісінің әсерінен күшейіп, жоғары мағыналарына жетсе, газдарда соққы иондану туады. Соққы ионданумен шартталынған электр өткізгіштігі  дербес өткізгіштік делінеді.

         Әлсіз өрістерде соққы ионизация болмайды, сондықтан өзіндік электр өткізгіштігі байқалмайды. Сыртқы факторлармен шартталған газдардың иондануы болғанда, молекулалар оң және теріс иондарға бөлінеді. Осымен бірге оң иондардың бір бөлігі, теріс бөлшектермен қосылып, нейтралды молекула тудырады. Осы процесті (үрдісті) рекомбинация дейді.    Рекомбинация газдағы иондардың шексіз көбейюіне кедергі келтіреді және сыртқы иондардың әсерінен аз уақыт мерзімде де иондардың белгілі концентрациясының тұрақталуын анықтайды.

         Егер де ионданған газ екі жазық паралельді кернеуге қосылған электродтардың арасында болса, иондар өрістің әсерінен жылжиды да, тізбекте тоқ жүреді. Иондардың бір бөлімі электродтарда нейтральданады, ал басқа бөлімі рекомбинацияның әсерінен мүлдем жойылады.

 (2.2) суретте тоқтың кернеуге тәуелділігінің сипаттамасы көрсетілген.

         Қисық сызықтың ең басы, U_н кернеуге дейін, Ом заңының орындалуына сәйкес, яғни оң және теріс иондардың саны жеткілікті және тұрақты деп есептеуге болады.

         Газ аралығында тоқ кернеуге пропорционалды. Берілген кернеу ұлғайған сайын иондар электродтарға қарап, рекомбинацияға үлгермей өтеді және кернеу бір мөлшерге жеткенде газ аралығындағы пайда болған иондар электродтарда разрядтанады. Кернеуді бір мөлшерге шейін көтерсе (U_н), тоқтың өсуі байқалмайды, ол аралық горизонталды (U_н – U_кр).

         Қалыпты жағдайда ауада тоқтың қанығуы электродтардың ара қашықтығы 10 мм және өрістің кернеулігі 0,6 В/м болғанда байқалады. Тоқ қанығу тығыздығының реалдық мағынасы өте аз және де 10^-15А/м². Сондықтан ауаны соққы ионизация басталғанша, өте жақсы диэлектрик деп санауға болады.

         Кернеуді көбейткен сайын тоқтың тұрақтылығы ионизация сыртқы факторлардың әсерімен жүргенге дейін ғана болады. Егерде соққы ионизация басталса, электр өткізгіштігі дербес болып тоқ кернеу өскен сайын ұлғаяды. (U_кр жоғары).

 

2.2  Сурет - Газдағы тоқ пен кернеудің қатынасы

 

2.3 Сұйық денелердің өткізгіштігі

 

Сұйық диэлектриктердің электр өткізгіштігі молекулалардың құрылысымен тығыз байланысты. Полярлы емес сұйықтарда, соның ішінде суда да, электр өткізгіштігі диссоцияланған қоспалардың бар болуына тәуелді; полярлы сұйықтарда өткізгіштік тек қана қоспалармен анықталмайды, оларға молекулалардың өздерінің де диссоциациясы әсер етеді. Сұйық денелердегі тоқтың жүруіне иондардың да ірі коллоид бөлшектердің жылжуы себеп болады. Сұйық денелерден диссоцияцияға ықтималды қоспаларды мүлдем жоюға болмайтындығынан электр өткізгіштігі төмен электр оқшаулағыш сұйықтарды жасау қиынға түседі.

         Полярлы сұйықтардың полярлы емеске қарағанда өткізгіштігі жоғары, олардың өтімділігі өскен сайын өткізгіштігі жоғарылай береді. Полярлығы өте күшті сұйық денелердің өткізгіштігі сондай жоғары, әрбірден олар иондық электр өткізгіштік өткізгіштер ретінде қаралады.        

         Қоспалардан тазартқан сұйық диэлектриктердің меншікті кедергісі жоғары болады. Полярлы емес сұйық диэлектриктерден көп мерзім ішінде электр тоғын өткізсе еркін иондардың электродтарға көшуінің арқасында меншікті кедергінің жоғарылауы байқалады. Осы процессті электрлі тазалану дейді.

Әрбір сұйық диэлектриктің меншікті өткізгіштігі температураға өте зор тәуелді тұтқырлығы төмендейді де, иондардың жылжуы өседі, сонда жылулық диссоциацияның дәрежесі көтеріледі. Осы факторлар өткізгіштікті ары қарай өсіреді.

Меншікті өткізгіштік математика формуласымен осылай өрнектеледі

 

                                                ,                                                     (2.13)           

 

мұнда А және а сұйықты сипаттайтын тұрақты шамалар. Көбінесе сұйық диэлектриктердің меншікті өткізгіштігін температураға қатынасын төмендегі формуламен анықтайды

 

                                                                                               (2.14)

 

мұнда  γ₀ және α сұйықты сипаттайтын тұрақты шамалар.

         Стокс заңын пайдаланып, яғни шардың тұрақты күштің арқасында тұтқыр ортада жылжуын есепке алып, суық денелердің меншікті өткізгіштігінің температураға тәуелдігін көрсетуге болады. Бұл жерде қалыптасқан жылдамдық υ

 

                                                                                                             (2.15)

 

мұнда F – күш; r – шардың радиусы;

ή – сұйықтың динамикалық тұтқырлығы.

Заряд тасымалдаушы және оның бағытты жылжуына әсер ететін күш.

 

                                                                                                                (2.16)

 

мұнда q – тасымалдаушының заряды,

          Е – электр өрісінің кернеулігі.

Ом заңынан шығарылған меншікті кедергінің жалпы анықтамасына сүйеніп, меншікті өткізгішін мынандай формуламен анықтауға болады

 

                                                                                                             (2.17)

       

және осы формулаға (2.15) мен (2.16) енгізіп, былай көрсетеміз

 

                                                                                                              (2.18)

 

мұнда n₀ – заряд тасымалдаушылардың шоғырлануы.

Осыдан                                                                                             (2.19)

 

         Егер де n₀,q,r температурамен өзгермесе, яғни жылулық диссоцияцияны ескермегенде, онда (2.19) теңдестіктен меншікті өткізгіштікпен тұтқырлықтың көбейткені әр түрлі температурада тұрақты қалыпта қалады.

         Электр өрісінің жоғары кернеулігінде (10 -100 МВ/м) тәжірибелер көрсеткендей, сұйық диэлектриктерде тоқ Ом заңына бағынбайды, оны өріс әсерінен иондардың көбеюімен сипаттауға болады. 2.3 суретте сұйық диэлектриктегі тоқтың кернеулікке қатынасы көрсетілген.

 

2.3 Сурет – Сұйықтардағы тоқтың кернеулікке қатынасы

 

2.1. кестеде 20⁰ С температурада кейбір сұйық диэлектриктерде болатын меншікті көлемдік кедергілер мен диэлектрлік өтімділік көрсетілген.

 

2.1 К е с т е – Әртүрлі сұйықтардың ε және ρ_б – сы, T=20⁰ C

Сұйықтар	Құрылысының ерекшелігі	Меншікті кедергі  ρб ,Oм·м	Диэлектрик өтімділік ε
Бензол	полярлы емес	1011 - 1012	2,2
Трансформаторлық май	полярлы емес	1010 – 1013	2,2
Бензин	полярлы емес	1010 – 1013	2,0
Совол Кастор майы	полярлы	108 -1010	4,5 4,6
Ацетон Этил спирті	Өте полярлы	104 -105	22 23
Дистиллирленген су	Өте полярлы	103 -104	81

 

         Коллоидтық жүйелерде молиондық немесе электрофоретикалық электр өткізгіштік байқалады. Бұл жерде заряд тасымалдаушы ретінде молекулалар тобы – молиондар қатынасады. Коллоидтық жүйелерден электрод техникада эмульсия (екі компоненттері сұйық денелерде қатты бөлшектердің қоспалары бар) пайдаланады. Эмульсия мен суспензияның орнықты күйде болатыны олардың дисперсия фазалық бөлшектерінде электр зарядының болуымен анықталады. Электр өрісін қосқанда молиондар қозғалысқа келеді де, электрофорез деген құбылыс туғызады. Электрофорездің электролиздан айырмасы – осы үрдістің кезінде жаңа заттар құрылмайды, сұйықтан әрбір қабаттарындағы дисперсиялық фазасының салыстырмалы шоғырлануы өзгереді. Электрофорездік электр өткізгіштік эмульсиялы су қоспалары ішінде бар майларда және шайыр қоспалы органикалық сұйықтарда байқалады.

 

         2.4 Қатты денелердің электрөткізгіштігі

 

Қатты денелердің электр өткізгіштігіне себеп болатын диэлектриктің өзінің иондары және кездейсоқтық қоспалардың иондары, ал кейбір материалдарда бос электрондарда себеп болады. Электрондық электр өткізгіштің түрі эксперимент бойынша Фародейдің заңымен тағайындалады. (белгіленеді).

Ионды электрөткізгіш болса, онда заттың (бөлшектердің) ығысуы қоса жүреді. Электрондық электр өткізгіштікте осы құбылыс байқалмайды.

         Қатты диэлектриктен электр тоғы өткен кезде ішіндегі қоспалардың иондары бірге жойылуы (өтуі) мүмкін, олар электродтарға айырылады.

         Құрамы ионды қатты диэлектриктерде электр өткізгіштікке себеп болатын қызу қозғалыстың флюктуациясының арқасында босайтын иондардың ығысуы. Төменгі температурада әлсіз байланысқан иондар жылжиды, яғни қоспалардың ионы. Жоғары температураларда кристалл торының түйініндегі кейбір иондар босайды, солар өткізгіштікке себеп болады.

         Атомды және молекуларлы торды қатты диэлектриктерде электр өткізгіштік қоспалардың қосылуымен байланысты олардың меншікті өткізгіштігі аз.

         Әр жеке кезде электр өткізгіштік механизмнің мәселесі заряд тасымалдаушы активация күші туралы берілгенмен анықталады. Мысалы жай қалыпта, NaCl активациясының қуаты, жай қалыпта, 0,85 эВ болады. Хлор иондарының активация қуаты 3 есе көп, электрондардың активация энергиясы тең 6 эВ – қа, ал қызулық қозғалыстың энергиясы комната температурасында бар болғаны 0,025 эВ.

Бір белгілі температурада меншікті өткізгіштік сұйықтардікі сияқты тең болады:

                  

 

ал σ/E = u, мұнда u = қозғалғыштық, СU жүйесінде өлшем бірлігі М²/(С∙В).

Электрондардың қозғалғыштығы иондардікінен бірнеше есе жылдам болады. Мысалы ТіО₂ электрондардың жылдамдығы ,ал керамикадағы иондардікі .

         Жоғарыда айтылғанға сәйкес, электрондық электр өткізгіштікті диэлектрикте электрондардың шоғырлануы иондық электр өткізгіштікті диэлектриктің тасымалдаушыларының шоғырлануына қарағанда 10⁹ - 10¹² есе төмен.

         Шамамен қатты диэлектриктердің меншікті өткізгіштігін төменде көрсетілген формуламен санауға болады.

 

 

Меншікті көлемдік кедергінің температураға қатынасын мынандай формуламен есептейді:

S = Bexp(в/т)

немесе  S = S₀exp(-Lt),     

мұнда S₀ және L –тұрақты шамалар, t – температура,⁰С.

 

;

 

Меншікті кедергінің температуралық коэффициенті:

 

 

мұнда «в» эксперимент бойынша табылады. Ол үшін меншікті өткізгіштіктің кері температураға қатынасын өлшеу керек.

 

 

- температураға тәуелді, сонымен:

 

;

 

          Ионды торлы кристалдық құрылысы бар денелерде электр  өткізгіштік иондардың валенттігіне байланысады. Иондары бір валенттік кристалдардың өткізгіштігі көп валентті кристалдарға қарағанда жоғары болады. Иондық кристалдардың өткізгіштігі әр бағытта әртүрлі. Аморфты денелерде өткізгіштік барлық бағытта бірдей.

          Жоғары молекулалық және элемент органикалық полимерлерде меншікті өткізгіштік полимеризацияның және вулканизацияның дәрежесіне тәуелді. Аморфты денелердің бір үлкен тобы анорганикалық шынылар. Шынылардың электр өткізгіштігі химиялық құрылыммен өте тығыз байланысты, сондықтан меншікті өткізгіштіктің мағынасын алдын ала реттеуге болады. Таза шынылар – кварц, балқытылған кварцтың өткізгіштігі өте төмен, ал қоспалар қоссақ, өткізгіштікті көбейтуге, өзгертуге болады.

          Электротехникалық фарфордың ішінде шыны қоспалар, осы заттың өткізгіштігін барий тотығын қосса, азайтуға болады.

          Қатты заттардың, егер де олардың ішінде не бетінде су, ылғал болса, өткізгіштігі айқын көтеріледі. Осы заттарды кептірсе, өткізгіштіктері азаяды. Жоғарыда көрсетілген қатты денелердің электр өткізгіштіктері электр өрісі кернеуінің онша жоғары емес мағынасында өлшенеді. Үлкен кернеулерде, өрістің кернеулігі жоғары кезде, кристалдық диэлектриктерде электрондық тоқтың пайда болуы мүмкіншілігін ескеру керек.

 

          2.5 Қатты диэлектриктердің беттік электр өткізгіштігі

 

          Беттік электр өткізгіштік диэлектриктің бетіндегі ылғалдық және ластанумен анықталады. Судың өткізгіштігі жоғары. Диэлектриктің бетінде өте жұқа судың қабаты болса да, осы судың қалыңдығын анықтайтын диэлектрикте бір мөлшерді өткізгіштікті байқауға болады. Ал адсорбцияланған судың қабығы заттың табиғатымен байланысқандығынан, беттік электр өткізгіштікті диэлектрикті өзінің мінездемесі деп санайды. Диэлектриктің  бетіндегі ылғалдықтың абсорбциясы қоршаған ортаның ылғалдығымен тығыз байланыста. Сондықтан салыстырмалы ылғалдық диэлектриктің меншікті беттік өткізгіштігін анықтайтын ең маңызды фактор болады.

          Меншікті беттік кедергінің ерекше төмен түсіп кетуі салыстырмалы ылғалдықтың ауасы 70-80%-ке жоғарылағаны байқалады. Неғұрлым заттың полярлығы төмен, диэлектриктің беті таза болса және жақсы ысылған болса, соғұрлым меншікті беттік өткізгіштік төмен болады. Ең жоғары меншікті беттік кедергіге ие беті суланбайтын полярлы емес диэлектриктер. Полярлы диэлектриктердің төмен меншікті беттік кедергісі, әсіресе ылғалдық ортада болады. Бөлшекті суда еритін полярлы соның нәтижесінде бетінде электролит пайда болатын, полярлы диэлектриктің беттік кедергісі өте төмендейді. Полярлы диэлектриктердің бетінде әртүрлі ластар жеңіл жабысады, осы жағдайда беттік кедергінің азаюына әкеледі. Меншікті беттік кедергіні өсіру үшін түрлі-түрлі шараларды пайдалану керек: сумен тазалап жуу, еріткіштермен, 600 – 700⁰ С қыздыру. Осы шаралардың ең өнімдісі дистилирлі суда көп мезгіл қайнату. Керамика мен шынылардың беттерін кремний органикалық лактармен бояуда беттік меншікті кедергіні ұлғайтады.

          Қорытындысында былай айтуға болады: меншікті беттік өткізгіштіктің ылғалдыққа тәуелділігі диэлектриктің бетіндегі иондарға бөлінетін заттардың болуымен байланысты. Заттың бетіндегі дымқыл (су) солардың диссониациясына көмек етеді. Осы заттарды диэлектриктердің бетінен кетірсе, ылғалдық қандай болса, меншікті беттік кедергіні үлкейтуге болады.

          Егер де осында заттар оқшаулайтын бұйымның қоспа ретінде ішіне кірсе, ылғалдық жоғарылаған сайын беттік меншікті кедергі төмендейді. 

 

         3 Диэлектрлік шығындар

 

         3.1 Диэлектрлік шығындардың негізгі мәліметтері

 

          Диэлектрлік шығындар деп, диэлектрикте электр өрісінің әсер етуінен таралатын, нәтижесінде диэлектрик қызатын энергияны атайды.

          Диэлектрикте энергия шығындары айнымалы кернеуде де, тұрақты кернеу кезінде де байқалады, өйткені материалда өткізгіштікпен бейімделген өткізгіш тоқ жүреді. Тұрақты кернеуде периодты өрістену жоқ болған кезде, материалдың сапасы, жоғарыда айтылғандай, меншікті көлемдік және беттік кедергілермен сипатталады. Айнымалы кернеуде материал сапасының басқа бір сипаттамасын қолдану қажет, өйткені бұл жағдайда, өтпе электр өткізгіштігінен басқа, диэлектрикте энергия шығындарын келтіретін, бірқатар қосымша себептер туады.

          Электр оқшауланған материалдағы диэлектрлік шығындарды таралатын қуаттың көлем бірлігіне қатысымен немесе меншікті шығындармен   сипаттауға болады; көбінесе диэлектриктің электр өрісінде энергияны тарату қабілетін сипаттау үшін диэлектрлік шығындар бұрышын және де сол бұрыштың тангенсін қолданады. 

          Диэлектрлік шығындар бұрышы деп сыйымдылықтық тізбектегі тоқ пен кернеу арасындағы фазалар жылжуының бұрышын (φ) 90⁰-қа дейін толықты-ратын бұрышты (δ) атайды. Идеалды диэлектрик жағдайында, мұндай тізбек-тегі тоқ векторы кернеу векторынан 90⁰-қа алда болады, бұл кезде (δ) бұрышы нөлге тең болады. Жылуға ауысып өтетін, диэлектрикте таралатын қуат неғұрлым үлкен болса, соғұрлым фазалар бұрышының мәні төмен, (δ)  бұрышы мен оның функциясы tgδ  жоғары болады.

           Электроқшауланған материалдың диэлектрлік шығыны өте зор болса осы материалдан жасалған бұйым қатты қызады да, жылулық бұзылуына әкеліп соғады. Кернеудің мөлшері жоғары болмаған кезде, сол кернеудің әсерінен  үлкеймей, диэлектрикті қыздырмаса да, үлкен диэлектриктік шығындар тербелмелі контурдың активтік кедергісін өсіріп жіберуі мүмкін, ол жағдайда бәсеңдеу (өшу) мөлшері ұлғаяды.

         Электроқшауланған материалдың диэлектрлік шығындарының табиғаты, заттың агрегатты күйіне байланысты әртүрлі. Диэлектрлік шығындар өтпе тоғымен немесе өрістену құбылысын қарастыру кезінде аталып өткен өрістену тоқтарының активті құрастырушыларымен бейімделеді. Диэлетриктің өрістенуімен байланысты диэлектрлік шығындарды оқып білу кезінде бұл құбылысты берілген диэлектригі бар, конденсатор астарындағы электр зарядтың, конденсаторға келтірілген кернеуден тәуелділігін көрсететін қисықтар түрінде құруға болады. Өрістену құбылысын келтіретін шығындардың болмауы кезінде зарядтың кернеуден тәуелділігі сызықты болады (3.1.а сурет) және де мұндай диэлектрик сызықты деп аталады. Егер сызықты диэлектрикте энергия шығындарымен байланысты баяуланған өрістену байқалса, онда зарядтың кернеуден тәуелділік қисығы эллипс түрін қабылдайды. Бұл эллипстің ауданы кернеудің бір периодта өзгерген кезіндегі диэлектрикпен қамтылатын энергия мөлшеріне пропорционалды (3.1.б сурет).

3.1Сурет - Шығындарсыз (а) және шығынды (б) диэлектрик үшін зарядтың кернеуден тәуелділігі

 

          Сызықты емес диэлектрик - сегнетоэлектрик жағдайында, зарядтың тәуелділік қисығы дәл магнитті материалдардағы гистерезис тұзағының сипатындай тұзақ түйін түрін көрсетеді және де бұл жағдайда тұзақ ауданы бір периодтағы энергия шығындарына пропорционалды. (3.1.в сурет)

          Техникалық электроқшауланған материалды, өтпе электр өткізгіштіктің және баяуланған өрістенудің шығындарынан өзге, диэлектриктердің электрлік қасиеттеріне қатты әсер ететін диэлектрлік шығындар пайда болады. Бұл шығындар бір-бірінен оқшауланған, өткізгіштік немесе жартылай өткізгіш көміртегі, темір оксиді және т.б. қосылуларының бар болуымен анықталады және де электр оқшауланған материалды мұндай қоспалардың аз мөлшерде бар болған кезінде де маңызы зор.

          Жоғары кернеуде диэлектриктегі шығындар, диэлектрик ішінде газды қосылулардың иондану нәтижесінде, әсіресе жоғары жиіліктерде жиі-жиі жүріп өтетін иондалу кезінде пайда болады.

          Айнымалы кернеу тізбегінде орналасқан шығынды диэлектригі бар конденсаторға эквивалентті сұлбаны қарастырайық.

          Бұл сұлбаны таңдау осы сұлбада тарайтын активті қуат конденсатордың диэлектригінде таралатын қуатқа тең, ал тоқ қарастырылған конденсатордікіндей кернеуді озып тұру керек. Қойылған сұрақты шешу үшін шығыны бар конденсаторды активті кедергімен тізбектелген идеалды конденсатормен немесе активті кедергімен шунтталған идеалды конденсатормен алмастыру керек. 

         Тізбектелген және параллелді сұлба 3.2 суретте көрсетілген. Сонымен қатар сұлбада сәйкесті тоқ пен кернеу диаграммалары көрсетілген. Тізбектелген және параллельді сұлбалар, егер де толық кедергілер z₁=z₂=z тең болса, олардың активті және реактивті құрастырушылары да тек сонда эквивалентті болады. Егер кернеуге ток ығысу бұрыштары (φ) тең және активті қуаттың мағынасы бірдей болса, бұл шарттар орындалады. Активті қуат P_a=UIcosφ (3.1) екені белгілі C_s, C_p сыйымдылықтары φ бұрышын 90 градусқа дейін толықтыратын δ бұрышы арқылы өрнектейік. 3.1 өрнекпен сәйкесті векторлы диаграмманы қолдана отырып, тізбектелген сұлба үшін келесі тұжырымдаманы келтіруге болады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2. Сурет - Шығынды диэлектриктің векторлы диаграммасы және эквивалентті сұлбасы

 

         

 

                        ;                                 (3.2)                

   

                   

                                                                                                             (3.3)

 

Параллельді сұлба үшін

                                      (3.4)

 

                                            (3.5)

 

 

(3.2) және (3.4) – пен, тағы да (3.3) және  (3.5)  теңестіріп, С_р және С_s – пен  Ч_s  және Ч_р –ның аралығындағы қатынастарды табамыз.

 

                                                                                                              (3.6)

                                                                                                (3.7)

 

          Жоғары сапалы диэлектриктер үшін С_р= С_s=С деп есептеуге болады, қуатты бұл жағдайда келесі формуламен өрнектейміз

 

                                                                                                         (3.8)

 

          мұндағы Р_а – активті қуат, Вт;

          U – кернеу, В;

          ω – бұрыштық жиілік, с^-1;

          с – сыйымдылық, φ;

         Меншікті диэлектрлік шығындардың, яғни диэлектрик бірлігінде таралатын қуаттың өрнегі келесі түрді көрсетіледі

 

                                                               (3.9)   

 

         мұндағы Р - меншікті шығындар, Вт/м3

          Е - электр өрісінің кернеулігі, В/м

          ω  - бұрыштық жиілік, с^-1;

Шынында да, қабырғасы 1 м кубтың қарама - қарсы жақтарының арасындағы сыйымдылық С₁=ε₀·ε, меншікті өткізгіштіктің реактивті құраушысы:

 

                              ,                                                       (3.10)

Активті құраушысы 

 

                                                                                                     (3.11)

 

          (3.8) және (3.9) өрнектерден көрінеді, жоғары вольтты құрылғыларда, жоғары жиілікті аппаратурада, әсіресе жоғары вольтты, жоғары жиілікті құрылғыларда неге десең диэлектрлік шығынының мөлшері диэлектрикке қойылған кернеудің квадратына және өрістің жиілігіне пропорционалды болғандықтан, диэлектрлік шығынның мағынасы өте қажетті. Осы бұйымдарда қолданылатын заттардың диэлектрлік шығын бұрышының tgδ және диэлектрлік өтімділіктің мағынасы аз, төмен болу керек, әйтпесе диэлектрикте сейілетін қуаттың мөлшері өте жоғары болып, диэлектрик қызып, балқып кетуі мүмкін.

 

         3.2 Оқшауланған заттардағы диэлектрлік шығындардың түрлері

           

          Диэлектрлік шығындарды олардың ерекшеліктері және физикалық табиғаты бойынша төрт негізгі түрлерге бөлуге болады.

Өрістенумен бейімделген диэлектрлік шығындар.

Өтпе электр өткізгіштікті диэлектрлік шығындар.

Ионизациялық диэлектрлік шығындар.

Құрылымның біртекті еместігімен бейімделген диэлектрлік шығындар.

          Өрістенумен бейімделген диэлектрлік шығындар релаксациялы өрістенулі заттарда анық бақыланады: дипольді құрылымды диэлектриктерде және иондардың орналасуы тығыз емес ионды құрылымды диэлектриктерде.

          Релаксациялық диэлектрлік шығындар электр өрісі күшінің әсерінен бөлшектердің жылулық қозғалысының бұзылуынан болады. Осы бұзушылық диэлектрикте энергияның таралуына және диэлектриктің қызуына әкеліп соғады.

         Релаксациялық диэлектрлік шығын бұрышы тангесінің температураға қатынасында осы қарастырған диэлектрикке сай, белгілі бір температурада максимум байқалады. Осы температурада диэлектрик бөлшектерінің релаксация уақыты айнымалы электр өрісінің өзгеру периодымен түйіседі. Егер де температураның мөлшері сондай болып, бөлшектердің релаксация уақыты берілген айнымалы кернеудің жарты периодының өзгеруінен көп болса, онда бөлшектердің жылулық қозғалысының интенсивтігі төмендейді және шығын азаяды.

         Сегнеэлектриктерде бақыланатын  диэлектрлік шығындар, спонтанды өрістену құбылысымен байланысты болады. Сондықтан сегнеэлектриктердегі шығындар, спонтанды өрістену өткенде, Кюри нүктесінен төмен темпера-туралар кезінде маңызды. Кюри нүктесінен жоғары температураларда сегнеэлектриктердегі шығындар төмендейді. Сегнеэлектриктің электрлік тозуы шығындарды төмендетуі ықтимал.

          Өрістенумен бейімделген диэлектрлік шығындарға резонанстық шығындар жатады. Шығынның бұл түрі жарықтық жиіліктерде білінеді, көбінесе газдарда белгілі бір жиілікте электр өрісінің энергиясын жұтып алады. Резонанстық шығындарды кейбір қатты диэлектриктерде байқауға болады, егер де еріксіз тербелістердің жиілігі қатты дененің бөлшектерінің өзіндік тербелісінің жиілігінен түйіссе, tgδ – ның жиілікке қатынасында максимумының болуы мүмкін, бірақ та бұл максимум температураға тәуелді емес.

          Өтпе электр өткізгіштікпен бейімделген диэлектрлі шығындар анық білінетін көлемдік немесе беттік электр өткізгіштігі бар диэлектриктерде табылады.

Шығынның бұл түрінде тангенс δ (tgδ) төмендегі формуламен шығарылады

 

                                     ,                                                                (3.15)

         мұнда f – Гц, ρ - Ом·м.

Бұл диэлектрлік шығын электр өрісінің жиілігіне тәуелсіз, tgδ жиілік өскен сайын гипербола заңымен төмендейді. Ал температура ұлғайған сайын экспонента заңымен келтіріледі.

 

                                                                                                 (3.16)

 

мұнда А,в – материалдың тұрақты шамалары немесе осылай жазуға болады.

 

                                                                                                 (3.17)

 

 

         мұнда P_аТ –  температура t⁰  

                С – дағы шығын

           P – О⁰ С – дағы шығын

           α – тұрақты.

          Иондану диэлектрлік шығындар газ тәрізді қалыптағы диэлектриктерге сипатты. Иондану шығындар берілген газдың иондануының басталуына сәй-кес келетін мәннен жоғары кернеуліктердегі біртекті емес электр өрістерде пайда болады.

          Иондану шығындар келесі формула бойынша есептеледі:

 

 

          мұндағы А - тұрақты коэффициент.

          f - өріс жиілігі.

          U - келтірілген кернеу.

          U_и- ионданудың басталуына сәйкес келетін кернеу.

          Келтірілген формула U>U_икезінде және tgδ=f(E) - шамасының сызықты тәуелділігі кезінде дұрыс орындалады.

          Ионизациялық кернеу газдың қысымына байланысты, неге десең молекулалардың соққы ионизациясының дамуы зарядты тасымалдаушылардың еркін өту жолының ұзындығымен анықталады. Газдың қысымын ұлғайтқан сайын кернеу ионизациясының басталуы өседі.

          Құрылымның біртекті еместігімен бейімделген диэлектрлік шығындар сіңдірілген қағазбен матадан жасалған қатпарлы диэлектриктерде, толтыр-ғышы бар пластмассаларда, ұсақ саңылаулы керамикада, слюдалар туынды-ларында және т.б байқалады.      

 

         3.3 Газдардағы диэлектрлік шығындар

 

          Өріс кернеуліктері, газ молекулаларының соққы иондалуын дамыту үшін қажетті мәннен төмен болған кезде газдардағы диэлектрлі шығындар өте аз болады. Бұл жағдайда газды идеалды диэлектрик ретінде қарастыруға болады.

          Газдарда диэлектрлік шығындарының бастамасы негізінен тек электр өткізгіштіктен бола алады, өйткені газдардың дипольді молекулаларының өрістенуі кезінде орналасуы  диэлектрлік шығындарды тудырмайды.

          Барлық газдар төмен электр өткізгіштікпен ерекшеленетіні белгілі және де осы себептен диэлектрлі шығындар бұрышы төмен болады, әсіресе жоғары жиіліктерде. tgδ – ның мағынасы (3.15) формуламен саналады. Меншікті көлемдік кедергілері газдардың тең 10¹⁶ Ом·м, ε ≈1, tgδ жиілік 50 Гц – те 4·10^-8

ден аз.

         Жоғары кернеулерде біртекті емес өрісте, жекеше бөлімдердегі кернеулік кейбір мәндерден жоғарылаған кездерде газдың молекулалары ионданады, соның нәтижесінде газдарда ионизациялық шығындар пайда болады. Жоғарыда айтылғандай tgδ – ның кернеуі ұлғайған сайын мәнінің өсуі бойынша қатты диэлектрикте газ қоспаларының тууын білуге болады.

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3 Сурет - Әуелі қосылғыштары бар оқшаулатқыш

үшін кернеуге тәуелді, tgδ - ң өзгеруі

 

3.3 суретте газды қосылулардың, кернеудің жоғарылауымен tgδ – ның өзгеру сипатына әсері көрсетілген. U₀ кернеуінде ұсақ саңылауларда газдың иондалуы басталады және tgδ жоғарылайды. Газ қосылуларда иондалып болған кездегі U₁-ден жоғары кернеуде иондану үрдісінің энергиясы шығындалмайды, tgδ төмендейді.

          tgδ = f(U) - қисығын көп жағдайда иондану қисығы деп атайды. Жоғары жиіліктерде газдағы иондалу мен шығындардың жоғарылығы соншалықты, егер кернеу U₀-ден жоғары болса, құбылыс газды оқшауламалы бұйымдарды аса қыздыру мен ыдырауға келтіреді. Ауаның иондануы мен озон және азот қышқылы бірге жүреді де, газ қосылулары бар органикалық изоляцияны химиялық бұзылуына әкеледі. Жоғары вольтты электр беріліс желілерде ионизациялық шығындар сымдардың бетіндегі ауаның тажын тудырады. Электр беріліс желілерінің (ЭБЖ) пайдалы әрекет коэффициентті төмендейді.

 

         3.4 Сұйық заттардағы диэлектрлік шығындар

 

          Полярлы емес сұйықтарда диэлектрлі шығындар, сұйықтықтың дипольді молекулалы қоспалары болмаған жағдайда тек электр өткізгіштікпен бейімделеді. Нейтралды таза сұйықтықтардың меншікті өткізгіштігі бұрын аталғандай, өте төмен болады, осыған байланысты диэлектрлік шығындар да аз болады. Мысалға қоспалардан тазаланған мұнайлы конденсаторлы майды келтіруге болады, оның tgδ өте төмен және де келесі формула бойынша есеп-теле алады:

 

 

          Полярлы сұйықтықтар кейбір жағдайларға тәуелді, электр өткізгіштікпен бейімделген шығындардан басқа, дипольді релаксациялы өрістенумен байла-нысты шығындарға иемденеді.

          Техникада қолданылатын сұйық диэлектриктер көп жағдайда полярлы емес және полярлы заттардың қоспаларынан жасалады (май – канифоль компаунд) немесе полярлы сұйықтықтар болады.(совол)

          Полярлы молекулалы сұйық диэлектриктерде диэлектрлік өтімділіктің тұтқырлыққа байланысты екені білінеді. Осындай сұйықтықтардың меншікті өткізгіштігі 20⁰С температурада 10^-10÷10^-11См·м^-1тең. Айнымалы кернеуде полярлы тұтқырлы сұйықтардың диэлектрлік шығындары өткізгіштікпен бейімделген шығындарға қарағанда өте үлкен. Осы шығындарды дипольды – релаксациялық шығындар дейді.

          Полярлы  тұтқырлы сұйықтардың шығындарының табиғатын дипольды- релаксациялық өрістенуінің механизміне сүйеніп түсіндіруге болады.

          Электр өрісінің өзгеруіне байланысты дипольді молекулалар тұтқырлық ортада айналады және үйкелісіп, қыздыруға электр қуатының шығынын шығарады. Егер сұйықтықтың тұтқырлығы жеткілікті үлкен болса, молеку-лалар өріс өзгерісінен жалғасып үлгере алмайды және де дипольді өрістену жоғалады, бұл кезде диэлектрлік шығындар аз болады. Дипольді шығындар, сұйықтық тұтқырлығы төмен және молекулалардың орналасуы үйкеліссіз өтетін жағдайларда да аз болады.

3.4 Сурет -  Майлы - канифольді компаунд үшін әртүрлі жиіліктегі tgδ - ң оң температурадан тәуелділігі

3.5 Сурет - Дипольді сұйықтарда таралатын қуат пен tgδ –ң жиілікке  тәуелділігі

            Орташа тұтқырлық кезінде дипольді шығындар үлкенірек болады және тұтқырлықтық белгілі бір мәнінде максимумды болады.

 3.4 суретте майлы - канифольді компаунд үшін жиіліктің екі мәніндегі, температурамен tgδ - ң өзгерістері көрсетілген. tgδ - ң температурадан тәуелді-ліктерін көрсететін қисықтар, сонымен қатар, диэлектрлік шығындардың температураға тәуелділіктерін де көрсететінін атап өткен жөн.

          Жиілікті көтерген сайын tgδ - ң максимумы едәуір жоғары температура аймағына ығысады: үлкен жиілік шығындар бұрышының максимумына жету үшін қажетті ең кіші релаксация уақытын талап етеді, ал релаксация уақытын төмендету үшін тұтқырлықты төмендету, яғни температураны жоғарылату қажет.

3.4 суреттегі tgδ – ң ең кіші мәні сұйықтың тұтқырлығының мағынасы ең төмен кездегі дипольдің орналасуы үйкеусіз болған жағдайдағы температураға сәйкес. Температура ұлғайған сайын tgδ – ң көтерілуі электр өткізгіштікпен байланысты, бұл жағдай температуралардың жоғарғы мәндерінде диэлектрлік шығынның механизмін анықтайды.

          Сұйық заттарда жиілікке тәуелді дипольды – релаксациялық шығындарда диэлектрикте таралатын қуаттың Р_а сипаттамасы 3.5 суреттің жоғарғы қисығында көрсетілген.

          Өрістің өзгеруіне ілесе алатын өрістену өткенше, шығын жиілік өскен сайын өсе береді. Егер де жиілік өте жоғары мәндеріне және де дипольды молекулалар өрістің бағытымен орналасуға үлгермесе және tgδ төмендеп кетсе, онда шығын Р_а (3.8) өрнекке сәйкес тұрақты түседі. Сонымен жиілікке тәуелді диэлектрлік шығын қуатының Р_а мәні tgδ – ң жиілікке тәуелділігіне сәйкес емес болып шығады.

          Тұтқырлығы аз сұйықтарда төменгі жиіліктерде дипольды – релаксациялық шығындардың мағынасы аздау және өтпе электр өткізгіштікпен анықталатын диэлектрлік шығындардан төмен болады.

          Төменде салыстыру үшін 50 Гц – те полярлы және полярлы емес диэлектриктердің ε және tgδ келтірілген.

          Трансформаторлық май ε = 2,3;  tgδ =0,001

          Совол                               ε = 5;      tgδ =0,02

          Сонымен трансформаторлық майдың – полярлы емес диэлектриктің tgδ- сы полярлы соволдікінен көп төмен.

         

          3.5  Қатты диэлектриктердегі диэлектрлік  шығындар

 

          Қатты диэлектриктерде диэлектрлік шығынды өздерінің құрылымына байланыстырып қарау керек. Қатты денелердің құрылысы да, құрамы да әртүрлі: бұл заттарда диэлектрлік шығындардың барлық түрлері болуы мүмкін.

          Қатты заттардағы диэлектрлік шығындарын қарастыру үшін диэлектриктерді төрт топқа бөлуге болады; молекулалы құрылымды диэлектриктер, ионды құрылымды диэлектриктер, сегнетоэлектриктер және біртекті емес құрылымды диэлектриктер.

Молекулалы құрылымды диэлектриктегі диэлектрлік шығындар молекулалар түріне тәуелді.

          Полярлы емес молекулалар жағдайында, қоспалары жоқ заттардағы диэлектрлік шығындар өте аз болады. Мұндай диэлектриктерге күкірт, парафин, нейтралды полимерлер - полиэтилен, политетрафторэтилен, полистирол және т.б. Осы заттардың диэлектрлік шығындары төмен болғандықтан, жоғары жиілікте қолданатын заттар болып табылады.

Полярлы молекулалары бар диэлектриктер  техникада кеңінен қолданы-латын органикалық заттар, мысалы, целлюлоза негізіндегі (қағаз, картон, т.б.), полярлы полимерлер: полиметилметакрилат (органикалық шыны), полиамидтер (капрон, т.б.), полиуретандар, каучук (эбонит), фенолформальдегидтик шайырлар (бакелит және т.б.) целлюлозаның эфирлері (ацетилцеллюлоза, т.б.) – кейбір басқа материалдар. Осылардың барлығында дипольды – релаксациялық өрістену өткендігінен диэлектрлік шығынының мағынасы зор болады.  

     Бұл диэлектрлік шығындар температураға тәуелді; кейбір температурада шығынның максимумы мен минимумы табылады; минимумнан кейінгі шығынның өсуі, өтпе электр өткізгіштіктің шығындарының өсуімен түсін-діріледі.

 

 

 

3.6 Сурет - Әртүрлі жиілікте өтетін құрғатылған қағаздың tgδ – ның температураға қатынасы

 

3.6 Суретте қағазға арналған  tgδ – ның температураға қатынасының қисықтары келтірілген.

Ионды құрылымды қатты заттардың диэлектрлік шығындары тордағы иондардың тығыз орналасу ерекшеліктерімен байланысты. Иондардың тығыз орналасқан торларды бұзатын қоспалардың болмаған кезінде кристаллды құрылымды заттарда диэлектрлік шығындар өте аз. Жоғарылаған темпера-туралар кезінде, мұндай заттарда өтпе электр өткізгіштіктен шығындар пайда болады. Мұндай типті заттарға көптеген кристаллды органикалық емес қосын-дылар жатады, олардың өндірісте пайдаланатын электротехникалық керамикада  маңызы зор. Мысалға ультрафарфор құрамына кіретін корунд (AL₂O₃).

     Кристалды құрылымды иондары тығыз емес диэлектриктерге диэлектрлік шығынды өсіретін релаксациялық өрістенумен мінезделетін кристалдық зат-тар жатады, мысалы, оқшауламалы фарфор құрамына кіретін муллит, кордиерит – жылулық ұлғаю коэффициенті төмен керамиканың (күйіктас) компоненті, β – глинозем, γ – глинозем, циркон минералы және т.б.

Электрокерамиканың көп түрлерінде температура жоғарылаған сайын релаксациялық өрістенуде иондардың саны өсе беретіндіктен, tgδ – ның максимумы болмайды және температураға тәуелдігі экспонента заңымен өсе береді.

 

3.7 Сурет - Титан қомдығы бар керамиканың жиілік 50 Гц кезіндегі tgδ – ның температураға қатынасы

 

Ионды құрылымды аморфты заттар әйнектерде диэлектрлік шығындар өрістену құбылысымен және электр өткізгіштің бар болуымен байланысты.

          Әйнектердегі диэлектрлік шығындар механизмін қарастыра отырып, келесі шығындарды ажырата білу қажет:

          а)  - температурадан аз тәуелді және жиілікке тура пропорционалды жоғарылайтын шығындар (tgδ жиілікке тәуелді емес).

          б)- температурамен экспоненциалды функция заңы бойынша өсетін және жиілікке аз тәуелді (tgδ жиіліктің жоғарылуынан төмендейді).

          Бірінші түрге жататын шығындар релаксациялық өрістенумен бейімделеді және барлық техникалық әйнектерде қатты білінеді. Таза кварц шынысының релаксациялық шығыны өте аз болады. Балқытылған кварцқа қоспа қосса онда ішкі құрылысының өзгеруіне тиіс диэлектрлік шығын ұлғаяды. Термиялық өңдеу (күйдіру немесе шынықтыру) шынының құрылымын өзгертеді, ол келіп диэлектрлік шығынға үлкен әсер етеді.

          Екінші түрге жататын шығындар әлсіз байланысқан иондардың қозғалыстарымен келтіріледі және электрөткізгішпен бейімделген шығындар ретінде қарастырылады. Мұндай шығындар, негізде 50 – 100⁰С – тан жоғары температурада табылады.

          Сегнетоэлектриктегі диэлектрлік шығындар, қарапайым диэлектриктердегі шығындарға қарағанда жоғары болады, сегнетоэлектриктерінің ерекшелігі, бұрын айтылғандай, Кюри нүктесіне дейін белгілі бір температуралық интервалда өз бетімен өрістенудің спонтандық бар болуы. Сегнето-электриктердегі диэлектрлік шығындар өз бетімен өрістену аймағында температурамен аз өзгереді және де Кюри нүктесінен жоғары температурада, өз бетімен өрістену жойылған кезде сегнетоэлектрлік қасиеттер жоғалып, шығындар төмендейді.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.8 Сурет - Әртүрлі қоспалар қосылған барий титанатының үлгісіне келтірілген  tgδ – мен ε – ның температураға қатынасы

 

3.8 Суретте құрамы әртүрлі және соның әсерінен Кюри нүктелері әртүрлі екі керамикалық сегнетоэлектриктердің tgδ – мен ε – ның температураға тәуелді көрсетілген.Біртекті емес құрылымды қатты заттардағы диэлектрлік шығындар. Диэлектриктер ретінде қолданылатын, мұндай түрді қатты заттарға, құрамына екіден кем емес, бір-бірімен механикалық араласқан компоненттер жататын материалдар. Біртекті емес диэлектриктерге ең алдымен керамика жатады.

          Қандай да болсын керамикалық материал көп фазалық тораптар болып келеді. Керамиканың құрамында кристалдың, шыны тәріздес және газдық фазалар болады (жабық саңылаулардағы газдар).

         Керамикадағы диэлектрлік шығындар кристаллдық және әйнек тәрізді фазалар түрлерімен және олардың арасындағы сандық сәйкестігіне тәуелді болады. Керамикадағы газды фаза, жоғары өріс кернеуліктерде ионданудың даму салдарынан диэлектрлік шығындардың жоғарылуына келтіреді.

         Керамикалық бұйымдарды шығару кезінде олардың ішіне электронды өткізгіштігі бар жартылай өткізгіштіктерден қоспалар қосылып кетсе, онда керамикада диэлектрлік шығын жоғарылайды.

         Егер де керамикада уақ ашық саңылаулар көбейіп кетсе, сол кезде ылғалдықтан абсорбциясының арқасында диэлектрлік шығындар жоғарылайды.

         Біртекті емес заттарға слюда да жатады. Ол заттың құрамы қабат – қабат. Егер де осы қабаттардың арасында жартылай өткізетін үлдіріктер кездессе, онда да диэлектрлік шығын айнымалы кернеуде төменгі жиіліктерде ұлғаяды. Осы заттың өте жұқа монокристаллдарында tgδ төмен болады.

         Біртекті емес диэлектриктерге сіңдірілген қағазды да жатқызуға болады. Осындай қағаздың құрамында целлюлозадан басқа түрлі – түрлі сіңдіретін май, битум, канифоль деген балқытылған немесе еріткен сіңдірушілер болады. Сіңдірілген қағаздардың диэлектрлік шығындары қоспа компоненттерінің электрлік мінездемелерімен, олардың салыстырмалығымен және қалған ауа қоспаларының мөлшерімен анықталады. 3.9 Суретте май – канифоль компаундымен сіңдірілген қағаздың tgδ – ның температураға тәуелділігі келтірілген. Қисық екі максималды көрсетеді: бірінші максимум (төмен температураларда) қағаздың өзінің дипольды – радикалды шығынын сипаттайды, екінші максимум (жоғарырақ температурада) сіңдірілетін компаундтың дипольды –релаксациялық шығынымен бейімделеді.

 

 

 

 

 

 

 

3.9 Сурет -  Компаундпен сіңдірілген конденсатор қағазының (80% канифоль, 20% трансформаторлық май) tgδ – ның температураға қатынасы

 

       Жаңарған электр оқшауланған техникада біртекті емес диэлектриктердің көп саны қолданылады. Бір кездерде бұл механикалық беріктік талаптарымен, екінші жағдайларда бағаның арзандатуымен және қажетті қасиеттердің пайда болуымен, үшінші жағдайларда бағалы қалдықтарды қолданумен анықталады. 

 

         4  Өткізгіш материалдар

 

         4.1 Өткізгіш материалдардың негізгі қасиеттері

 

Жіктелуі. Өткізгіш материалдар ретінде қатты денелер, сұйықтар және газдар (иондаған жағдайда) қолданылады. Әдетте электротехникада қолданылатын қатты өткізгіш материалдар – металдар мен олардың қорытпалары. Металл өткізгіш материалдар мынандай топтарға бөлінеді:

         а) өткізгіштегі жоғары металдар (қалыпты температура кезінде меншікті кедергілерді );

         б) кедергілері жоғары қорытпалар ();

         в) өте төмен (криогендік) температура кезінде меншікті кедергілері тым болатын материалдар – асқын өткізгіштер және криогендік өткізгіштер.

         Сұйық өткізгіштерге балқыған күйіндегі металдар және әртүрлі электройттер жатады. Көпшілік металдардың балқу температурасы жоғары болады, тек сынаптың температурасы – 30⁰ С – қа тең, сол себептен сынап қалыпты температура кезінде сұйық металл өткізгіш ретінде қолданылады.

         Қатты және сұйық металдар арқылы электр тоғының өтуін электр өрісінің әсерінен еркін электрондардың қозғалуы себеп болады, сондықтан металдар электрондық электр өткізгіштігі бар өткізгіштер немесе бірінші текті өткізгіштер деп аталады. Екінші текті өткізгіштерге қышқылдардың, сілтілердің және тұздардың ерітінділері жатады. Еріген күйдегі иондық кристалдар да осы өткізгіштер түріне жатады.

         Егер де электр өрісінің кернеулігі соққылық иондау мен фотоиондануды қамтамасыз ететін белгілі аумалы мәннен артық болса, онда газ электрондық және иондық электр өткізгіштігі бар өткізгішке айналуы мүмкін.

         Материалдардың қасиеттері. Өткізгіш материалдардың қасиеттерін сипаттайтын маңызды пааметрлеріне мыналар жатады:

1) өткізгіштердің меншікті өткізгіштігі және меншікті кедергісі.

Тоқтың тығыздығы J мен электр өрісінің кернеулігі Е арасындағы өзара байланыс былай анықталады.

 

                                                                                                                     (4.1)

 

мұндағы g - өткізгіш материалдардың өткізгіштігі, См/м.

Меншікті өткізгішке кері шама - өткізгіш материалдардың кедергісі деп аталады, Ом. м. Меншікті кедергімен өткізгіш кедергісі арасындағы қатынас

 

                                                                                                             (4.2) 

         мұндағы I өткізгіштің ұзындығы, м; S - өткізгіштің көлденең қимасы, мм.

         Меншікті кедергінің әртүрлі өлшем бірлігінің арасындағы байланыстар:

 

                                                                     (4.3)

 

Металдардың классикалық теориясы бойынша металл өткізгіштердің меншікті өткізгіштігі

 

                                                                                                (4.4)

 

         мұндағы е – электрон заряды;

          n₀ – металл көлемінің бірлігіндегі еркін электрондардың саны;                                  

          l - электронның еркін өту жолының орташа ұзындығы,

         m – электронның массасы;

         v_t – металл ішіндегі электрондардың жылулық қозғалысының орташа жылдамдығы.

2) металдардың меншікті кедергілерінің температуралық коэффициенті.

         Металл өткізгіштің ішіндегі еркін электрондардың шоғырлығы температураға тәуелді болмайды. Бірақ, температурасы өсу арқасында еркін өту жолының орташа ұзындығы l және электрондардың құндылықтары азаяды, сол себептен металдардың меншікті өткізгіштері де азаяды және меншікті кедергілері өседі, яғни металдардың меншікті кедергілерінің температуралық коэффициенті температураға тәуелділігі былай өрнектеледі

 

                                                                                                    (4.5)

 

         Температураға өз ауқымда өзгерген жағдайда меншікті кедергіні былай анықтайды

                                                                                            (4.6)

 

мұндағы p₁ және  p₂ - өткізгіш материалдардың Т₁ және Т₂ температуралары кезіндегі сәйкес меншікті өткізгіштері (Т₁ > Т₂ деп алынады); a_р – материалдардың Т₁ – ден Т₂- ге дейінгі температуралық ауқымдағы меншікті өткізгіштігінің орташа температуралық коэффициенті.

         3) қорытпалардың меншікті кедергісі. Қоспалар және металдардың дұрыс құрылысы олардың меншікті кедергісін арттырады. Екі металл ерітіліп, қорытылса және бір – бірімен қатты ерітінді түзсе, онда меншікті р едәуір өседі. 4.1 – суретте бір – бірімен қатты ерітінді құрған екі металдан құралған ( мыс – никель) қоспаның меншікті кедергісінің, температуралық коэффициентінің, жылулық ЭҚК – сін және жылу өткізгіштік коэффициентінің қоспаның құрамына тәуелділіктері (масса бойынша пайыз есебінде) көрсетілген.

         Егер де екі металдың қорытпасы жеке – жеке бөлек кристалданса және қатып қалған қорытпаның әрбір сыңарының кристалл қоспасы болса (металдар қатты ерітіндіні құрамаса), онда қорытпаның меншікті өткізгіштігінің (g) қорытпаның құрамына тәуелділігі сызықты өзгереді (4.2 – суретте).

                   

 

4.1 Сурет -  Мыс – никель қорытпаларының параметрлерінің олардың құрамына (масса бойынша пайыз есебінде) тәуелділіктері:

         а – меншікті кедергі р; б – температуралық коэффициент l; в – жылулық ЭҚК; 2 – жылу өткізгіштік коэффициенті g_т.

 

 

 

 

 

  

4.2 Сурет - Мыс – вольфрам қорытпасының меншікті өткізгіштігінің оның құрамына тәуелділігі

 

         4) металдардың жылу өткізгіштігі. Металл арқылы жылудың берілуіне де еркін электрондар себеп болады. Олардың металл көлемінің бірлігіндегі саны өте үлкен, сол себептен металдардың электр өткізгіштігі жоғары болып келеді. Металдардың жылу өткізгіштік коэффициенті диэлектриктің жылу өткізгіштік коэффициентінен едәуір үлкен болады. Температура өскен кезде металл ішіндегі электрондардың құндылығы және оған сәйкес меншікті өткізгіштігі төмендейді, ал металдың жылу өткізгіштік коэффициентінің оның меншікті өткізгіштігіне қатынасы өседі. Бұл қатынастың шамасы Видеман – Франц – Лоренц заңымен анықталады

 

                                                                                                          (4.7)

 

         мұндағы Т – термодинамикалық температура, К; L₀ – Лоренц заңы

 

                                                                                                      (4.8)

 

(4.7) теңдеуін Больцман тұрақтысының мәнін және электрон зарядының мәнін қойып,  екендігін анықтауға болады.

         5) жылулық электр қозғаушы күш. Екі әртүрлі металл өткізгіш бір – бірімен түйіскенде олардың арасында потенциалдардың айырымы пайда болады. Бұл потенциалдар айырымы болу себебі әр түрлі металдардан электрондар  шығу жұмысының әртүрлі болуында және электрондар шоғырлығының әртүрлі металдарда және қорытпаларда бірдей еместігінде. Металдардың электрондық теориясының негізінде А және В металдары арасындағы потенциалдардың түйіспелік айырымы мынаған тең

 

                                                                     (7.9)

 

мұндағы U_A  және U_B – түйіскен металдардың потенциалдары; n₀A n₀B металдарындағы электрондардың шоғырлығы.

 

 

 

 

  

Екі түрлі металдың бір – бірімен қосылған (әдетте балқытып біріктірілген ) ұштарындағы температура Т_1, ал екінші ашық ұштарындағы Т₂ болса (7.3 сурет) (Термопара сұлбасы), онда бұл тізбек мынаған тең, жылулық ЭҚК пайда болады.

 

                                                                                 (4.10)

 

немесе оны мына түрде жазуға болады

 

                                                                                                     (4.11)

 

         мұндағы Y - берілген жұп өткізгіштердің жылулық ЭҚК – тің коэффициенті.

         Бір – бірімен оқшауланған әр металдардан немесе қоспалардан бір ұшы біріктіріліп құрастырылған екі сымды өткізгіштен құралған құрылғыны (термопараны) температураны өлшеуде қолданылады.

 

         4.2 Металл материалдар

 

         Электр өткізгіштері жоғары ең көп тараған материалдарға мыс пен алюминий жатады.

Мыс - Өткізгіш зат ретінде кең қолданылуын қамтамасыз ететін мыстың артықшылықтары мыналар:

1)      меншікті кедергісінің беріктігі;

2)      жеткілікті жоғары механикалық беріктігінің;

3)      тотығуға төзімділігі (тотығу жоғары температура кезінде ғана

басталады);

         4)  өзгеруге икемділігі (мыс жұқа таспаға жайылады және өте жіңішке

сымға тартылады);

5) салыстырмалы алғанда балқытылып біріктіріледі және дәнекерленеді.

Мыстың маркалары. Өткізгіш материалдар ретінде М₁ және М₂  мыс қолданылады. М₁ маркалы мыста 99,9 %  Cu, ал 0,1% қоспалардың ішіндегі оттегі 0,08% - ден аспауы тиіс. Оттегі мыстың механикалық сипаттамалары жоғарылау болады ( қоспалардың мөлшері 0,05 %, ал оттегі 0,02 % - тен жоғары болмайды). Сұйықтай тарап жағу кезінде қатты мыс (МҚ) алынады, ал егер де мысты алдымен бірнеше жүз градусқа дейін қыздырып, содан кейін суытса, онда жұмсақ мыс (МЖ) шығады.

Үлгілік мыстың меншікті өткізгіштігі 58 мСм/м, яғни меншікті кедергісі Жұмсақ және қатты мыстың (олармен салыстыру үшін алюминий сымдардың) сипаты 4.1 – кестеде берілген.

Қатты мысты жоғары механикалық беріктілік, қаттылық және үйкелістен мұжылуға төтеп беру қажет болған жағдайларда (түйіспелік сымдар, тарату құрылғыларының шиналары, электр машиналарының коллекторлық жалпақ тіліктері) қолданылады.

Жұмсақ мысты негізінде көлденең қимасы дөңгелек немесе төртбұрыш түрінде кабельдің тоқ өткізгіш талсымдары және орамалық сымдар ретінде қолданылады (мұнда мыстың иілгіштік және созымдылық қасиеттерінің маңызы зор). 

 

4.1  К е с т е - Мыс және алюминий сымдарының сипаттамалары

Параметр   Созу кезіндегі беріктік шегі, МПа Үзілу алдындағы салыстырмалы ұзару D1/1,% Меншікті кедергісі r, Мк Омм	Мыс		Алюминий
	МҚ	МЖ	АҚ	АЖ
	360 - 390     0,5 – 2,5   0,0179 – 0,0182	260 – 290     18 - 35     0,01754	160 - 170     1,5 – 2,0     0,0295	80     10 – 18     0,029

 

         Мыс салыстырмалы алғанда қымбат тұрады және тапшы материал болып табылады, сол себептен оны үнемді пайдалану қажет. Қазіргі уақытта оны өткізгіш зат ретінде басқа металдармен, әсіресе алюминиймен алмастырады.

         Алюминий - электр техникасындағы маңызы бойынша екінші (мыстан кейін) өткізгіш зат ретінде қаралады. Бұл металдар тобына жатады, құйылған алюминийдің тығыздығы 2,6 ал тартып жайғанда – 2,7 Мг/м³, яғни ол салмағы бойынша мыстан 3,5 есе жеңіл.

         Электроникада қоспалары 0.5 % - аспайтын маркасы Al алюминий қолданылады. Одан да таза маркасы АВОО (қоспалары 0,03% - тен аспайды) алюминий фольгасын, оксидті конденсаторлардың электрондарын және тұрақтарын жасауға қолданады.

         Алюминий өте белсене тотығады, сол себептен оның сыртқы электрлік кедергісі өте жоғары оксидті жұқа қабықпен жабылады. Бұл жұқа қабық алюминий сымды ары қарай тотығудан қорғайды, бірақ бұл жағдайда әдеттегі әдістер арқылы алюминий балқытып біріктіруге болмайды, яғни арнайы әдістерді (мысалы ультродыбыспен біріктіру) қолдану керек.

Кейде, кабельдердің қорғаныстық қабықтары ретінде қорғаныстың орнына қоспалар мөлшері 0,01% - дан аспайтын өте аз альминийді қолданады.

         Темір (болат) - механикалық беріктігі жоғары және арзан металл болғандықтан, темірді өткізгіш материал ретінде қолдануға болады, бірақ, темірдің әсіресе болаттың (көміртегінің қоспасы бар темір) электрлік кедергісі мыс пен алюминийге қарағанда жоғары болады (0,1 мк Омм шамасында).

Өткізгіш зат ретінде әдетте көміртегі қосындысы 0,1 – 0,15% мөлшерінде жұмсақ болатта қолданылады; оның созу кезіндегі беріктік шегі

үзілу аралығындағы салыстырмалы ұзаруы мен -

шікті кедергісі Мұндай болатты шамалы қуатты жеткізуін беру үшін әуе желілерінің сымдарының материалы ретінде пайдаланылады. Осы жағдайда болатты пайдалану жеткілікті дәрежеде тиімді болады, өйткені ток күші аз болған кезде сымның қимасы электрлік кедергімен емес, механикалық беріктігімен анықталады.

Өткізгіш зат ретінде болат қималары, трамвай, метро рельстері ретінде қолданылады. Әуелік электр жеткізу жүйелерінің болат – алюминий сымдарының өткізгіштері ретінде сипаттамалары және аса берік болат сымы қолданылады. Кәдімгі болаттың тотығуға төзімділігі шамалы: әдеттегі температура кезінде; әсіресе ылғалдылық болу жағдайында оны тез тот басады; температура жоғарыласа, тотығу жылдамдығы өседі. Сол себептен болат сымдардың бетін тотығуға төзімділігі жоғары материалдармен қаптау қажет, әдетте ол үшін мырыш қолданылады.

Вольфрам - өте ауыр, қатты, түсі қоңыр металл. Вольфрамның жеке кристалдарының арасындағы байланысы шамалы, сондықтан салыстырмалы алғанда қалың вольфрам бұйымдары осал болады да жеңіл сынады. Соғып созу жолымен механикалық өңдеу кезінде вольфрам талшықты құрылымға ие болады: сол ерекшелік вольфрам жіптерінің иілгіштігін түсіндіреді. Вольфрам сымдарының сипаттамалары: Балқуы қиын және механикалық беріктігі жоғары болғандықтан вольфрам жоғары температура кезінде (2000⁰ С және одан жоғары) жұмыс істей алады. Бірақ, ол үшін вольфрам дене терең вакуум немесе инертті газдың (азот, аргон және т.б.) ішінде орналасуы қажет, өйткені бірнеше жүз ⁰С кезінде оттегінің қатысуында вольфрам күшті тотығады.

Вольфрамның және молибденнің меншікті кедергілерінің температураға тәуелділіктері 4.4 – суретте көрсетілген.

Вольфрам электровакуумдық техникада қолданылатын ең маңызды металл болып табылады. Одан электр шамдарының қыздыру қыл сымдарын, электрлік түйіспелерді жасайды. Вольфрам түйіспелердің артықшылықтары: жұмыстағы орнықтылығы, қаттылығының жоғары болуы себепті, механикалық тозуының төмендігі, доғаның әрекетіне қарсы тұра алу қасиеті, қиын балқуы себепті бірігіп қалмауы жатады. Кемшіліктеріне: өңдеу қиындығы, атмосфералық жағдайда оксидті жұқа қабықпен жабылуы жатады.

 

 

 

 

 

 

 

 

4.4 Сурет - Вольфрам мен молибденнің меншікті кедергілерінің температураға тәуелділіктері

 

         Молибден – электровакуумдық техникада вольфрамның жұмыстық температурасына қарағанда төмендеу температура кезінде қолданылады.

Молибденнің механикалық беріктігі оны механикалық өңдеу тәсіліне, бұйымның түріне, оқтаманың немесе сымның диаметріне және жылулық өңдеуге тәуелді болады.

         Молибденнің механикалық беріктігі оны механикалық өңдеу тәсіліне, бұйымның түріне, оқтаманың немесе сымның диаметріне және жылулық өңдеуге тәуелді болады.

         Молибденнің сипаттамалары:  ал тығыздығы вольфрамның тығыздығынан екі есе аз. Ең кең қолданылатын молибденнің маркалары МТ (таза молибден) және МК (кремнилік молибден). Молибденнен көбінесе электрлік түйіспелер жасалады.

Күміс – ақ, жылтырауы қалыпты температурада тотығуға төзімді металл. Басқа металдарға қарағанда күміс меншікті кедергісі ең төмені;  Күмісті шамалы тоқтарға арналған түйіспелерді жасауға қолданылады.

Платина – оттегімен қосылмайтын, қышқылдардың ерекше түйіспелерін және химиялық әрекеттесулерге өте төзімді металл. Платина механикалық өңдеуге жеңіл көнеді, өте жіңшке қыл сымдарға және таспаға созылады;   Платинаны - қа дейінгі жоғары температураны өлшеуге арналған термопараларды жасауға жұмсайды. Электр өлшеуіш және басқа сезгіштегі жоғары аспаптардың жылжымалы жүйелерін іліп қою үшін платинадан арнайы жіңішке қыл сымдар жасалынады (диаметрі 1 мкм шамасында).

Никель – электровакуумдық техникада көп қолданылатын күмісті ақ металл. Никельдің (тазалығына қарай) бірнеше маркалары таспа, тілкем, жалпақ тілгі, тетік, оқтама және сым түрлерінде шығарылады. Никель артық қасиеттеріне жеткілікті механикалық беріктігі  жатады.

Никель механикалық өңдеуге (созуға, штамптауға, қысуға және т.б.) жеңіл көнеді, сол себептен одан көлемі әртүрлі, кескін үйлесімді күрделі бұйымдарды жасауға болады. Никель тотығуға төзімді келеді, сондықтан оны бірқатар магниттік және өткізгіштік қорытпалардың қоспалары ретінде қолданады.

Қорғасын – көкшілдеу сұр түсті металл; жұмсақ созылымдылығы жоғары, беріктігі төмен металл:    . Қорғасынның артылықшылықтарына тотығуға төзімділігі, судың, кейбір қышқылдардың әсерлеріне тұрақтылығы жатады. Қорғасынды кабельдердің оқшауламаларына ылғалдану әсерлеріне қорғайтын қабықтары және балқыма сақтандырғыштардың, қорғасын аккумляторлардың табақтарын жасауға қолданылады. Қорғасын рентген сәулелерін күшті сіңіретін материал ретінде радияциядан қорғану үшін де қолданылады. Қорғасын және оның қосындылары өте улы.

Қалайы – кристалдық құрылысы анық көрінетін күміс ақ түсті металл: жұмсақ, созылғыш металл, сол себептен тартып жаю арқылы жұқа фольуа алуға мүмкіндік береді:

Қалыпты температура кезінде қалайы ауада тотықпайды су оған әсер етпейді.

         Сынап  - қалыпты температура кезінде сұйық күйінде болатын жалғыз металл. Сынап жеңіл буланады және бөлмелік температура кезінде будың едәуір қысымы болады. Инертті және дағдылы газдарға қарағанда сынап буланудың иондану потенциалы төмен, ал бұл жағдай газ разрядтық аспаптарда сынапты кеңінен қолдануға мүмкіндік береді.

         Сілтілік металдар: магний, алюминий, қалайы, қорғасын, платина, алтын, күміс, сынап ішінде ерігенде амальгама түзеді. Сондықтан ішінде сынабы бар аспаптардың сынапта ерімейтін вольфрамнан, терийден немесе танталдан жасалған арматурасы болуы керек. Сынап сұйық катод ретінде түзеткіштерде, күндізгі жарық шамдарында, сынап шамдарында қолданылады. Сынап және оның қосындылары өте улы; сынаптың булары өте зиянды.

        

         4.3 Әртүрлі қорытпалар

 

Алюминийлік қорытпалар жоғары механикалық беріктікпен сипатталады. Мұндай қорытпаға құрамында  және  (қалағны ) бар альдрей деп аталатын қорытпа жатады. Альдрейдің механикалық қасиеттері жоғары болып келеді. Сым түріндегі альдрейдің тығыздығы        Сонымен, альдрей альюминийдің жеңілдігін сақтап және меншікті өткізгіштігі бойынша оған жақын бола отырып, механикалық беріктігі бойынша қатты түрінде созылып дайындалатын мысқа жақындайды.

Темір негізіндегі қорытпалар.  Мұндай қорытпаларды көбінесе электрмен қыздыру элементтерін жасау үшін қолданылады. Қызуға жоғары төзімділікті арттыру үшін қорытпа құрамына тотығу дәрежесі жоғары металдарды (никель, хром және алюминий) қосады, олар ауада қызған кезде оксидті тұтас жұқа қабат түзеді. Қорытпа  Fe– Ni – Cr түрде болса, оны нихром деп атайды; Fe– Ni – Al түрінде болса, фехраль деп атайды. Нихромның механикалық пааметрлері:   Нихромды жіңішке сымға немесе таспаға жеңіл созуға болады, олардың жұмыс температурасы жоғары болады, бірақ құрамына қымбат және тапшы никель кіреді.

         Фехраль нихромға қарағанда едәуір арзан, өйткені хром және альминий никельге қарағанда арзан және тапшы емес. Бірақ фехраль осал және қаттылау, сондықтан одан жасалған сымдардың және таспалардың көлденең қималары үлкен болады. Қолданылатын саласы – жоғары қуатты электр қыздыру құрылғылары мен өнеркәсіптік электр пештерінің қыздыру элементтері.

Манганин – үлгілік дәлдігі жоғары кедергі резисторларды дайындауға кеңінен қолданылатын қорытпа. Оның құрамы  Параметрлері:      Манганиннен өте жіңішке (диаметрі 0,02) сымдар жасауға болады. Меншікті температуралық коэффициентінің  аз мәнін алу үшін және уақыт бойынша меншікті кедергісінің тұрақты болуы үшін манганин сымды арнайы жылулық өңдеуден өткізеді (температурасы 600⁰ С кезіндегі вакуумда күйдіреді, содан кейін жайлап салқындатады.) Рұқсат етілетін жұмыстың температурасы 200⁰С. Механикалық қасиеттері:   тығыздығы -

 

         4.4 Асқын өткізгіштер және криогенді өткізгіштер

 

Асқын өткізгіштер. Температураны төмендеткен кезде металл өткізгіштің меншікті кедергісі  азаяды, әсіресе бұл құбылыс төмен (абсолют нөлге, яғни 0⁰ К – ге жақын) температура кезінде байқалады.

Мұндай құбылысты, яғни материалдың шексіз жоғары меншікті өткізгішті болуын – асқын өткізгіштік, салқындатқан кезде материалдың асқын өткізгіштік күйге өтетін температурасын Т_с – асқын өткізгіштікке өту температурасы, ал асқын өткізгіш күйге өтетін материалды асқын өткізгіш деп атайды.

         Қазіргі уақытта 35 – тен аса асқын өткізгіш металдар және мыңнан аса асқын өткізгіш қорытпалар анықталған, сонымен бірге алтын, күміс, плавтина, мыс сияқты металдардың асқын өткізгіш күйге өтпейтіндігі белгілі болып отыр.

Асқын өткізгіш (температура Т_с – тен асқан жағдаймен бірге) асқын өткізгішке әсер етуші магнит өрісінің магниттік индукциясы сындық деп аталатын асып кеткен жағдайда бұзылады. Бұл жағдайда 4.5 – суретте көрсетілген күй диаграммасына сындық индукция В_с – тың мәні сәйкес келеді.

 

 

4.5 Сурет - Бірінші текті асқын өткізгіштің күй диаграммасы

Асқын өткізгіштікке өту температурасы Т_со – тыңмен үлкен мәніне ең аз мәнді магниттік индукция сәйкес келеді, ал ең үлкен сындық магниттік индукциясына (В_со) нөлге жақын температура сәйкес келеді.

Егер де зат күй диаграммадағы Х нүктеге сәйкес температура және индукциямен жұмыс істеп тұрса, онда асқын өткізгіштік қызулықпен (PQ қиысқан У нүктеден өту), магнит индукциясының, өскенімен (PQ қиысқан У нүктеден өту), немесе бір уақытта өту Т және В өзгеруімен ((PQ қисықтық қандай болса да қиып өтеді).

         1933 жылы неміс физиктері В. Майснер және Р. Оксефелоф күрделі жаңалық ашқан: асқын өткізгіштер әдеттік күйден асқын күйге өткенде өте оңды диамагнеттік болып қалады, яғни олардың салыстырмалы магниттік өтімдіктері шекті міндетінен (асқын өткізгіштің 1 жақын) секіріп   құлайды. Сондықтан сыртқы магнит өріс асқын өткізгіш денеге өте майда, ал егер де бұл дененің асқын өткізгіш күйге өтуі магнит өрісінің ішінде өтсе, онда магнит өріс сыртқа «итеріліп шығады».

Біздің ғасырда 50 жылдары (таза металдар емес) қорытпа немесе химиялық қосындылар түріндегі жаңа асқын өткізгіштер деп аталатын асқын өткізгіштердің бірқатар ерекшеліктері бар. Салқындатқан кезде олар әдеттегі күйінен асқын өткізгіш күйге секіріп біртіндеп өтеді; олардың төменгі В_С1 және жоғарғы В_С2 сындық индукциялары мәндерінің арасында аралық күйлері болады (Т<Т_то температура мәндері үшін). Аралық күйде асқын өткізгіштік тұрақты кернеу кезінде сақталады, яғни р = 0, бірақ салыстырмалы магниттік өтімділік mt>0 (4.6 – сурет)

 

 

 

 

 

 

 

4.6 Сурет - Екінші текті өткізгіштің (N_b3 Sn) күй диаграммасы (1 және 2 – қисық) және біртекті бірінші текті асқын (Pb) күй диаграммасы (3 – қисық)

 

         Асқын өткізгіш электр магниттер қазіргі уақытта өте көп болып шығарылады және олар әртүрлі мақсатпен қолданылады. Асқын өткізгіштерді мына салаларда қолдануға болады: салмағы және сыртқы қабілеті аз электр машиналарды және трансформаторларды, үлкен қуатты ұзын электр жеткізу желілерді, асқын жылдамдығы бар темір жол тасымалдаудың магнит ілмекшелері бар вагондарды құрауға.

         Криогендік өткізгіштер. Қазіргі уақытта электротехникада асқын өткізгіштік құрылыстан басқа криогендік өткізгіштік кең пайдаланылады, яғни металдардың меншікті кедергілерін өте аз мәніне криогенді температура кезде (бірақ асқын өткізгіш күйге өткізбей) жеткізу. Мұндай қасиеттері бар металдар криогендік өткізгіштер деп аталады.

Криогендік өткізгіштің физикалық мәні асқын өткізгіштік құбылыстың  физикалық мәніне ұқсас емес. Криогенді өткізгіштік криогенді температуралар кезде металдардың жеке оқиғадағы электр өткізгіштігі. Криогендік өткізгіштердің өте кіші бірақ та шекті меншікті кедергілері r секірмей байсалды өзгереді және асқын өткізгіштік құбылысы болғандағы күшті әсерлер байқалмайды.

         Электр машиналарда, аппараттарда және басқа электротехникалық құрылғыларда криогендік өткізгіштерді қолданудың артықшылықтары болады. Салқындатқыш ретінде сұйық сутегі немесе сұйық азотты пайдалану (сұйық гелий олардан едәуір қымбат) құрылғының жылдық оқшауламасын орындауын жеңілдетеді және арзандатады, сонымен бірге салқындатуға кететін энергия шығындарын төмендетеді. Бұдан басқа, үлкен тогы баро асқын өткізгіштік контурда LI² /2 (L – индуктивтік, Гн; I – ток, А) тең үлкен мөлшерлі энергия жиналады. Криогенді тізбекке мұнда қауіп жоқ, себебі температураның өсуі кедергіні тек байсалды баптап өсіреді. 4.7 – суретте меншікті кедергінің температурадан тәуелділіктері екі маңызды металдар Мыс және алюминий – көрсетілген.

 

 

4.7 Сурет – Меншікті кедергінің температурадан тәуелділіктері

 

          5 Жартылай өткізгіш заттар

 

          5.1  Жартылай өткізгіштер туралы жалпы мәліметтер

 

          Қалыпты температура кезінде меншікті кедергілері өткізгіштерден жоғары, бірақ диэлектриктерден төмен электрондық электр өткізгіштігі бар заттардың үлкен тобын жартылай өткізгіштерге жатқызады (5.1 кесте).

          Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі сыртқы энергетикалық әсерлерге және негізгі жартылай өткізгіштің денесіне ендірілген шамасы мардымсыз әртүрлі қоспаларға тәуелді болады.

          Жылулық фото және сызықты емес резисторлардың әрекет ету принципі температура, жарық, электр өрісі, механикалық қысым және т.б. әсерлерінен жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігін басқару мүмкіндігіне негізделген.

 

5.1 К е с т е - Тұрақты кернеу және 20² С кезіндегі электротехникада әртүрлі кластарға жататын заттардың меншікті кедергілері

Заттардың класы	r,Ом·м	r - ның мәні бойынша дәреже саны	Кең диапозон температурада ar таңбасы	Электр өткізгіштіктің түрі
Өткізгіштер	10-8 -10-5	3	Болымды	Электрондық
Жартылай өткізгіштер	10-6 -108	14	Теріс	Электрондық
Диэлектриктер	107 -106	9	Теріс	Иондық және электрондық

 

          Жартылай өткізгіштердің электрондық (n) және кемтіктік (p) түрлері болғандықтан олардан p – n ауысуы бар бұйымдарды жасауға жағдай туады. Ондай бұйымдарға үлкен және шамалы қуатты түзеткіштер, күшейткіштер және генераторлар жатады. Жартылай өткізгіштік жүйелерді әртүрлі энергия түрлерін электр энергиясына түрлендіру үшін пайдаланылады. Мысал ретінде күн батареялары мен жылу – электрлік генераторларды алуға болады. Жартылай өткізгіштер арқылы температураны бірнеше ондыққа төмендетуге болады. Қазіргі уақытта жартылай өткізгіштер жарықтың дабыл көздерін құруға және электронды есептеу машиналардан ақпаратты шығаратын құрылғыларда пайдаланылады.

          Жартылай өткізгіштер қыздыру элемент (силит оқтамалар), радиоактиктік сәулеленудің индикаторлары, магнит кернеуліктің өлшегіші (Холлдың түрлендіргіштері) болып жұмыс істейді.

          Әдетте пайдаланатын жартылай өткізгіштер екі түрге бөлінеді: жай жартылай өткізгіштер (бір химиялық элементтің атомдарынан құралады) және күрделі жартылай өткізгіштер (екі немесе одан да көп химиялық элементтің атомдарынан құралған). Қазіргі уақытта әйнекті және сұйық жартылай өткізгіштер қолданылатын болды. Жай жартылай өткізгіштердің саны онға жақындады, техникада маңызды ерекше – кремний және германий (5.2 – кесте).

          Күрделі жартылай өткізгіш ретінде Менделеев кестесінің әртүрлі топтардың элементтерінің қосындылары болады, мысалы SiC. Жартылай өткізгіш құралдарда тирит, силит және т.б. жатады.

 

5.2 К е с т е - Жай электронды жартылай өткізгіштер

Элемент   Бор Кремний Германий Фосфор Мышьяк Күкірт Селен Теллур Иод	Менделеев кестесіндегі тобы	Тыю салынған зонаның кеңдігі
		эВ	*10-19 Дж
	III IV IV V V VI VI VI VII	1,1 1,12 0,72 0,5 1,2 2,5 1,7 0,36 1,25	1,76 1,79 1,15 2,4 1,92 4 2,72 0,58 2,00

 

          Жартылай өткізгіштерден жасалған аспаптардың мынадай артылықшылықтары бар: 1) үлкен уақыт жұмыс істеу; 2) салмағы мен мөлшерінің азғантайлығы; 3) құрылысының жайлылығы және беріктігі; 4) қызу жіптің жоқтығы, аз қуатты тұтынуы, инерцияның аздығы; 5) жалпы өндіріс кездегі үнемділігі.

          Қатты дененің электроникасының дамуына байланысты қазіргі уақытта электронды құрылғылардың және аспаптардың бүтіндей тұтас шығару өндірісі меңгерілді. Бұл техниканың бағыты микроэлектроника деп аталады. Микроэлектрониканың көмегімен күрделі кибернита жүйелерді құру мәселелерді шешіп космосты меңгерудің, биология және медицина салаларында зерттеулерді өткізудің мүмкіншілігі туды. Жартылай өткізгіш элементтерден құралған электронды сұлбаларда қуат шығындарын кенет қысқарту арқылы бұл жағдайда жүзеге асыруға болады.

 

          5.2 Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі. Меншікті жартылай өткізгіштер

 

          Меншікті жартылай өткізгіш – оның электр өткізгіштігіне әсер ететін қосындылары жоқ жартылай өткізгіш. Жартылай өткізгіштердің тиым салынған зонасы диэлектриктерге қарағанда енсіздеу болады, ал сондықтан сыртқы энергетикалық әсерлік арқылы оны өтіп шығуға шама бар (5.1 - сурет). Егер де жартылай өткізгіште ерікті электрондар жоқ болса (0⁰ К кезде) оған ынта салынған электр потенциалдардың айырмашылығы токты тудырмайды. Егер де тию зонадан электрондарды асырып жіберуге жеткілікті сырттан энергия келтірсе, онда ерікті болған электрондар электр әсерімен қозғалып жартылай өткізгіштің электронды электр өткізгіштігін құрады.

 

 

5.1  Сурет -  Жартылай өткізгіштің энергетикалық диаграммасы 0⁰ К кезде а) – электрондармен толтырылған зона; б) – тыйым салынған зона; в) – ерікті энергетикалық шектердің зонасы

 

          Толтырылған зонада электрон кеткеннен кейін «тесік» құрылады, ал сол себептен жартылай өткізгіште пайда болған тесіктерді толтыратын электрондардың жылжуы пайда болады және электр өрістің әрекетімен тесіктің өріске қарай бағыты болымды бөлшек сияқты. Электрондардың ерікті күйге өтуі процесі электрондардың әдетті қалпына қайтумен бірге өтеді. Нәтижесінде заттың ішінде тепе – теңдік орнатылады, яғни ерікті зонаға өтетін электрондардың саны толтырған зонаға қайтатын электрондар санына тең болады.

          Температура өскенде ерікті электрондардың саны үлкейеді, ал температура абсолюттік нөлге дейін төмендегенде нөлге дейін азаяды. Сонымен, температура өзгергенде заттардың электр өткізгіштіктері әртүрлі болады.

Ерікті күйге өтуге керекті энергияны жылылық қозғалыстан басқа энергия көздерінен, мысалы, жарықтан, электрондар және магнит өрістерінен және т.б. алуға болады.

          Заттың атомдарының электр қасиеттері өзара әрекеттестік жағдайымен белгіленеді, ал сол себептен тап осы атомның міндетті ерекшелігі болмайды. Мысалы, алмас түрде көміртегі – диэлектрик, ал графит түрде - өткізгіш.

Қосындылар және кристалды тордың ақаулары қатты денелердің электр қасиеттеріне үлкен әсер етеді.

Жартылай өткізгіштердің тыйым салынған зонаның кемдіктері 5.2 кестеде көрсетілген. Ең кең пайдаланылатын жартылай өткізгіштер үшін ол тең

( 0,8 – 4) 10^-19 Дж (0,5 – 2,5)эВ.

5.1 б суретте жартылай өткізгіштің энергетикалық диаграммасы келтірілген, яғни мұндай зонаға жартылай өткізгіштің ерікті энергетикалық шектер (өткізгіштік зонаға) электрондар тек толтырылған зонадан (валенттік зонадан) жеткізіп береді.

5.1 в суретте жартылай өткізгіштердің энергетикалық диаграммасына қосындылардың әсерлігі: а - өздік ЭӨ; б – донорлық қосындысы бар ЖӨ (n - түрлі); в – акцепторлық қосындысы бар ЖӨ (р – түрлі).

          Энергия шектері бойынша электронды таралуы кейбір Т температураға сәйкес өткізгіштік зонаға, валенттік зонаға сәйкесті тесіктерді құрып, бірнеше электрондар өтіп кетті. Жартылай өткізгіште бір мезгілде екі қарама – қарсы заряд құрылғандықтан, заряд тасушылардың жалпы саны өткізгіш зонадағы электрондар санынан екі есе көп болады, яғни

 

                                                                                         (5.1)

 

          Қалып жатқан жағдайда меншікті өткізгіштікке тең

 

                                                                                               (5.2)

 

          Қоздыру және зарядтардың қайта қосылу процестерінің нәтижесінде дененің қандай да температура болған кезде қоздырылған тасушыларын шоғырлануының тепе – теңдігі орнатылады.

          электрондардың

 

                                                                                           (5.3)

 

          тесіктердің

 

                                                                                                  (5.4)

 

          мұнда W - тыйю зонаның кеңдігі; N_c – ерікті зонадағы жартылай өткізгіштің көлем бірлігіндегі энергетикалық шектердің саны; N_в – валенттік зонадағы сол жағдай. Екіге тең коэффициент әрбір энергетикалық шекте екі электрон болудың мүмкіншілігін көрсетеді. (5.2) теңдіктегі электрондардың жылжымалығы және тесіктердің жылжымалығы бірдей емес.

 

          5.3 Қоспалы жартылай өткізгіштер

 

          Жартылай өткізгіш аспаптарда көбінесе қоспалы жартылай өткізгіштерге бөтен түрлі атомдар алынады. Олар температураның жұмыстық аралығында ерікті зарядтың ерікті тасушылары болады. Бұдан басқа қоспа ретінде кристалды тордың түйіндер арасындағы атомдар және иондар және т.б. Егер де қоспалы атомдар кристалды тордың түйіспесінде орнатылса, онда оларды алмастырма қоспа деп атайды, егер де түйіспелердің арасында  орнатылса, онда оларды енгізу қоспа деп атайды. Қоспалардың шоғырлануы шамалы кезде олардың атомдары жартылай өткізгіш торында бір – бірінен үлкен аралықта орнатылады да, өзара әрекеттестікке түспейді, ал сол себептен олардың энергетикалық шектері бөлек ерікті атомдікі сияқты. Бірінші қоспалы атомнан екінші қоспалы атомға тікелей электронның өтуі өте шамалы. Бірақ та қоспалар жартылай өткізгіштің өткізгіштік зонасын немесе электрондармен қамтамасыздандырады немесе валенттік зонадан қабылдайды.

          Донорлар. Сыртқы энергетикалық әсерлік жоқта (жылулық, жарықтық) толтырған қоспа шектер тыйым салынған зонаның «түбі» қасында орнатылған (5.1 б суретті қараңыз). Сонымен, қоспалы атомдардың активтеу энергиясы негізгі жартылай өткізгіштің тыйым салынған зонаның кеңдігінен аз,  сондықтан денені қыздырған кезде қоспаның атомдарын жөнелту тор электрондарын қоздырудан озып кетеді. Бір – бірінен алыстаған қоспалы атомдардың болымды зарядтары кристалл бойынша емін – еркін жылжи алмайды, сол үшін электр өткізгіштікке қатынаспайды. Мұндай қоспасы бар жартылай өткізгіштіктік электрондардың шоғырлануы валенттік зонадан өткізгіштік зонаға өткен электрондар арқылы пайда болған тесіктердің шоғырлануынан жоғары болады да, n – түрлі жартылай өткізгіш, ал өткізгіш зонаға электрондарды жөнелтетін қоспа – донор деп аталады.

          Акцепторлар. Басқа қоспалар валенттік зонаның «төбесі» қасында негізгі жартылай өткізгіштің тыйю салынған зонада жататын толтырылмаған шектерді кіргізеді. Бірінші кезекте жылулық қоздыру валенттік зонадан осы бос қоспалы шектерде электрондарды жеткізеді. Қоспа атомдардың бір – бірінен бөлектеніп кеткендіктен қоспалы шектерге жеткізілген электрондар электр өткізгіштікке қатыспайды. Мұндай жартылай өткізгіштің тесіктерінің шоғырлануы валенттік зонадан өткізгіштік зонаға өткен электрондардың  шоғырлануынан жоғары болады да, оны r - түрлі жартылай өткізгіш, ал жартылай өткізгіштің валенттік зонасынан электрондарды алып қалатын қоспалар – акцепторлар деп аталады.  

          Тап осы жартылай өткізгіштерге шоғырланулар көп заряд тасушылар - негізгі, ал шоғырланулары аз – негізгі емес деп аталады. Мысалы, n – түрлі жартылай өткізгіште электрондар негізгі тасушылар – тесіктер – негізгі емес;  p – түрлі жартылай өткізгіште негізгі тасушылар – тесіктер, негізгі емес – электрондар. Қоспалы электр өткізгіштік өзінің пайда болуына қарағанда аздау энергетикалық әсерлікті талап етеді (электрон – вольттың ондық немесе жүздік бөлігін), сол себептен ол төменгі температуралар (өздік электр өткізгіштікке қарағанда) кезде пайда болады.

 

          5.4  Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштеріне сыртқы себептердің әсерлігі

 

          Жылулық энергияның әсерлігі: а) заряд тасушылардың шоғырлануының температуралық тәуелділігі. Жартылай өткізгіштің ішіндегі тасушылардың шоғырлануы температураға және қоспалардың шоғырлануына тәуелді. Төменгі тасушылар саласында а және б нүктелер арасындағы төменгі сынықтың ауданы қоспалар себепші болған тек тасушылардың шоғырлануын мінездейді. Тік сызықтың еңкеюуі қоспалардың W_Д1 энергиясымен анықталады. Температура өскенде қоспалы атомдардың электронды қорлары таусылғанша қоспалармен қамсыздандыратын тасушылардың саны үлкейеді (б нүктесі). б–в ауданында қоспалар таусылады, ал электрондар тыйю зонадан әлі өтпейді. Қисықтың тұрақты шоғырлануы бар участікті қоспалардың таусылу саласы деп атайды. Температураның одан арғы өскені электрондардың тыйю зона арқылы өту әрекеті ретінде тасушылардың кенет өсуіне келтіреді (в–и участкесі). Бұл ауданның еңкеюуі жартылай өткізгіштің  W тыйю зонаның кеңдігін мінездейді.

 

 

 

5.2 Сурет - Әртүрлі донорлық қоспалар кездегі (N_Д3 > N_Д2 >N_Д1 >W_Д1>W_Д2) жартылай өткізгіштің ішіндегі заряд тасушылардың шоғырлануының температурадан тәуелділігі

 

5.2 суреттен жартылай өткізгіштің ішіндегі қоспалар шоғырлау өскен кезде а–б ( немесе 2-д) ауданнан (мұнда шоғырлау қоспалармен қамтамасыз етіледі) б–в ауданға өтуі (қоспалардың таусылуына сәйкесті) жоғары температура жағына ығысқаны көрініп тұр. Қоспалардың жеткілікті үлкен шоғырлау болған кезде (W_Д3»0) қисық ж-з және з–и екі ауданнан құралады: бірінші ауданда тасушылар тыйю зонадан өте бастайтын кездегі температураға дейін зарядтың шоғырлануы тұрақты.

б) Тасушылардың жылжымалылықтарының температуралық тәуелділігі.

Зарядтың тасушыларының жылжымалылықтары

 

                                                                                                   (5.5)

 

          Үлкен жылжымалық зарядтың тасушыларының m массасының аздығымен τ ерікті аралық қашықтық уақыт үлкендігімен немесе реаксация уақытымен қамтамасыз етіледі. Жартылай өткізгіштіктерде зарядтың тасушыларының массасы ерікті электронның массасынан не үлкен, не аз болуы мүмкін. Өрісті түсіргеннен кейін тоқтың азаюын мінездейтін релаксация уақыты соққыласу жиілігі және неғұрлым олар қарқынды болса, соғұрлым релаксация уақыты, сол себептен жылжымалылық азаяды. Бөлмелік температура кезде ерікті электрондардың V_ж жылулық қозғалысының орташа жылдамдығы  10⁵ м/с маңайында. Сондықтан электронның толқын ұзындығы 7 нм маңайында, ал металдарда ол, 5 нм маңайында. Кейбір таза жартылай өткізгіштердің жылжымалылығы өте жоғары (10 м² В/с және оданда үлкен), басқалардікі өте төмен (10^-4 м²/В с). Кіші мәні бар жартылай өткізгіштің ерікті аралық қашықтықтың ұзындығы торлардағы атомдар арасындағы аралықтың үлесіне тең. Керекті ерікті аралық қашықтықтың ұзындығы көршілес атомдардың аралықтарынан кем болмауы керек. Жылжымалылықтың температурадан тәуелділігіне әртүрлі әсер ететін жартылай өткізгіштің ішіндегі заряд тасушыларының шашырап тарауына себепші болатындар: 1) кристалды тордың атомдарының жылулық тербелуі; 2) қоспалар; 3) тордың ақаулары (бос түйіндер, жарықтар және т.б.).

          Заряд тасушылардың шашылып таралуы тордың жылулық тербелуінде және ионизацияланған қоспаларда өтеді. Бұл екі шашылып таралудың жағдайы жылжымалықтың температурадан тәуелділігінде екі ауданның пайда болуына келтіреді. Тасушылардың шашырап таралуы тордың жылулық тербелуіндегі l_орт ерікті аралық қашықтықтың ұзындығы әртүрлі жылдамдықтары бар заряд тасушыларға бірдей болады және жартылай өткізгіштерге, абсолюттік температурасына кері пропорционалды. Сондықтан, (5.5) теңдеуден шығады l_орт~1/Т, ал U_ж~Т болғандықтан

 

                                                          ~                                                       (5.6)

 

          Төмен температуралар кезде жылулық шашырап тарау (5.6) сәйкес шамалы болады да, атомдық торлары бар заттарды ионизацияланған қоспалардағы тасушылардың шашырап тарауы басымды болады. Сондықтан еркінді аралық қашықтықтың ұзындығы температура өскенде (5.6) сәйкес

l_орт ~Т², ал жылжымалылықтың әртүрлі қоспалары кездегі температурадан тәуелділігі.

 

5.3 Сурет - Жылжымалықтың нәтижелі температуралық тәуелділігінің максимумы (а), (б) жартылай өткізгіштердің меншікті өткізгіштерінің температуралық тәуелділігі

 

 

 

Егер де заряд тасушылардың шашырап тарауында екі жағдай қатынасатын болса, онда жылжымалықтың нәтижелі температуралық тәуелділігінің максимумы болады. (5.3 а - суретті қараңыз).

          Максимумдардың орындары қоспалардың шоғырлануына тәуелді. Шоңырлану үлкейгенде максимумдар жоғары температуралар саласында ығысады.

          б) жартылай өткізгіштердің меншікті өткізгіштерінің температуралық тәуелділігі

          жартылай өткізгіштің меншікті өткізгіштік температуралық тәуелділігі заряд тасушылардың шоғырлау және жылжымалылық өзгерулерінің нәтижесі болады. Төмен температуралар саласында жартылай өткізгіш қоспалы электр өткізгішпен мінезделеді, жоғары температуралар саласында - өздік электр өткізгішпен (5.4 – суретті қараңыз).

 

 

 

 

         

 

5.4 Сурет - Жартылай өткізгіштердің әртүрлі қоспалар шоғырлау кездегі (N_Д1<N_Д2<N_Д3) меншікті өткізгіштің температурадан қисықтары

 

5.4 суреттегі қисықтар арқылы жартылай өткізгіштердің тыйю зонасының W кеңдігімен бірге қосып, W_Д активтендірушілік энергиясын табуға болады. 5.5 және 5.4 суреттер негізінде қоспалы электр өткізгіштік саладағы қисықтардың еңкейген сызықты аудандар үшін жазуға болады.

 

                        немесе                                            (5.8)

бұдан шығады

 

                                                                                                       (5.9)

 

а және в тап осы жартылай өткізгішті мінездейтін тұрақтылар (b=W/ 2K, мұнда W – активтендірушілік энергия; k – Больцман тұрақтысы).

(8.9) теңдеуді меншікті кедергі үшін түрлендіріп табамыз

 

                                                                                                       (5.10)

 

          Германийдің тыйю зонасының кеңдігі W=0,72эВ болғанда бөлмелік температура кезде заряд өздік тасушылардың саны 10¹⁹ м^-3 маңында, ал қосындылар, проценттің мыңдаған үлесі мөлшерде кіріп, оған заряд санын ондаған мың есе көп кіргізеді. Сондықтан электр өткізгіштікті басқару үшін жартылай өткізгіш кездейсоқ қоспалардан ұқыпты тазалану керек.

          Жартылай өткізгіштер үшін меншікті кедергінің температуралық коэффициенті

 

                                                                 (5.11)

 

          г) деформацияның жартылай өткізгіштіктердің электр өткізгіштігіне әсер етуі.

          Деформация кезінде қатты кристалды денелердің электр өткізгіштігі шоғырлануын және жылжымалықтарын өзгертуге келтірілетін атомдар арасындағы аралықтарының үлкейюі немесе азайюы себебімен өзгереді.

          Заряд тасушылардың шоғырлануы кристалдардың энергетикалық зоналардың кеңдігі және қоспалы шектердің ығысуы себебімен азайюы немесе үлкейюі мүмкін, ал бұл жағдай тасушылардың активтендірушілік энергиясын және заряд тасушы теңдеуіне кіретін олардың массаларын өзгертеді.

          Жартылай өткізгіштің меншікті кедергісінің өзгеруін санды мінездейтін мөлшер ретінде белгілі деформация кезінде меншікті кедергінің салыстырмалы өзгеруінің тап осы бағыттағы салыстырмалы деформациясына қатынасын, яғни

 

 

                                                                                                           (5.12)

 

тензо әсерлегіш деп атайды.

          д) жарықтың жартылай өткізгіштердің электр өткізгішіне тәуелділігіне әсер етуі. Жартылай өткізгішпен сіңірген жарық энергия электр өткізгіштікті үлкейтеді, оның ішінде заряд тасушыларды мол мөлшерде қоздырады.

          Фотоөткізгіштік – электромагниттік сәулеленудің әсерлігімен электр өткізгіштің өсуі. Фотоөткізгіштікте жарықтың кванттық табиғаты білінеді.

 

                                                                                                         (5.13)

 

мұнда l - толқынның ұзындығы, мкм; h – Планктың тұрақтысы; u - толқынның жиілігі.

          Бұл энергия валенттік зонадан өткізгіштік зонаға асырып тастау арқылы өздік жартылай өткізгіште электрон – тесікті жұпты құруға жұмсалады.

          Фотоөткізгіште пайда болуды қамтамасыз ететін кванттардың энергиясы кезде фотоөткізгіштің қарама – қарсы әсері бар екі процесс өтеді: бір жағынан, тасушылардың саны үлкейеді, ал екінші жағынан, қайта қосылу өседі. Мұның нәтижесінде 5.5 – суретте көрсетілген тәуелділік пайда болады.

 

 

5.5 сурет - Жартылай өткізгіштердің фотоөткізгіштіктерінің сәулеге түсу өнімділігі; 0< Х< 1 жағдайға бағынатын мөлшер температура төмендеген кезде фотоөткізгіштік өседі

 

          Жартылай өткізгіштердің қасиеттерінің электромагниттік сәулеленудің әсерімен өзгеруі уақыттан (релаксациядан) тәуелді. Сәулеге түсу қойылған кезде өткізгіштік уақыт өткеннен кейін бұрынғы мәніне қайтады. Кейбір жартылай өткізгіштерге бұл уақыт микросекундаларға, ал басқа жартылай өткізгіштер үшін – минуттармен немесе сағатпен өлшенеді. Әртүрлі жартылай өткізгіштер заттардың фотоөткізгіштіктің инерциялығын білу өте қажетті, мысалы фоторезисторларды құрған кезде, себебі олардың әсерлік жылдамдығына өте жоғары талаптар қойылады.

          е) электр өрістердің жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігіне әсер етуі.

          Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі электр өрістің кернеулігіне тәуелді.   

                           

 

 

 

 

 

 

 

5.6  сурет - Әртүрлі айналадағы температура кезде (Т₁<Т₂) жартылай өткізгіштің меншікті өткізгіштігінің электр өрістің кернеулігінен тәуелділігі.

 

          5.6 суреттен көрініп тұр: өрістің кернеулігі кейбір Е_к мәніне жеткенше Ом заңы сақталады, ал кернеуліктер одан жоғары болса, онда экспонента заңы бойынша меншікті өткізгіштің өнімділігі өсуі басталады да, жартылай өткізгіштің құрылысы бұзылады. Температура өскен кезде меншікті өткізгіштіктің қисығы жоғары көтеріледі, ал өсетін бөліктің еңкейюі азаяды. Кейбір жартылай өткізгіштер үшін меншікті өткізгіштіктің өрістің кернеулігінен тәуелділігі былай анықталады

 

                                                                                                     (5.15)

 

          мұнда γ -E<E_К кездегі меншікті өткізгіштік;

          b - жартылай өткізгішті мінездейтін коэффициент.

          Өткізгіштіліктің өсуі заряд тасушылардың саны дамуымен қамтамасыз етілген.

 

5.5  Жартылай өткізгіштер қасиеттерімен ие болатын элементтер

 

          Германий. Жердің қабығында германийдің мөлшері өте шамалы

- 7 10^-4 % маңында. Бастапқы шикізатты химиялық қайта өңдеу арқылы қоңыр порошок түрде бастауыш германийді шығарады. Германийдің порошогын қышқылдардың қосындысында өңдеп, кесекке ерітіп қорытады.

         Германий кесектерінен зоналық еріту әдіспен немесе тікелей қорытудан созу әдіспен таза германийді шығарады. Германий ішінде шамалы қоспалар түрінде Ni,Cu, Mn, Si әдетте болады. Сол себептен кесекті қоспалардан ұқыпты тазалау керек. Жартылай өткізгіштік аспаптарды әзірлеу үшін кесектерді жалпақ тілектерге кеседі. Германийдің физикалық қасиеттері 5.3 кестеде келтірілген.

Германийді әртүрлі қуаты бар айнымалы ток түзеткіштерді, әртүрлі транзисторларды, магнит өрісінің кернеулігін, тоқтарды және қуаттарды өлшеу, аспаптарды, радио және телевизия техника құрылғыларды әзірлеу үшін қолданылады. Германийдің оптикалық қасиеттері болғандықтан, оны фототанзистор және фоторизистор, үлкен жарықтық күші бар оптикалық линзалар, оптикалық сүргіштер, жарықтық және қысқа радиотолқындардың модуляторлар және ядерлік бөлшектерді санау аспаптарды әзірлеуде қолданады. Германийлік аспаптарды ылғалды ауадан қорғау керек.

          Кремний. Германий сияқты кремний Менделеевтің кестесіндегі төртінші топқа жатады және текші торлы болады. Техникалық кремнийді (1%шамадағы қоспалары бар) оның оксидтерін электр пештерде өңдеу арқылы алады. Содан кейін ұқыпты тазалаудан кейін таза кремний өндіріледі.

          Кремний көлемді монокристалдардың өсіруі қорытудан созу және зоналық еріту әдістермен таза кремнийді шығарады.

          Қазіргі уақытта кремний жартылай өткізгіштік аспаптарды әзірлеу үшін қолданылатын зат. Мұндай аспаптарға: диодтар, транзисторлар, фотоэлементтер, микроэлектрониканың қатты сұлбалары жатады. Кремнийді қолданғанда аспаптардың жұмыс температураларының жоғарғы шегі (20 – 200⁰) С, яғни германийге қарағанда жоғары). Кремнийдің электр өткізгіштігі қоспалардың шоғырлануына өте тәуелді.

 

5.3 К е с т е  - Германийдің және кремнийдің қасиеттері

№	Қасиеттер	Германий	Кремний
1 2 3 4   5   6   7 8 9 10 11 12 13 14	Атомдық массасы Атомдық көлемі 200С кездегі тығыздығы, Мг/м3 Сызықты кеңейтудің температуралық коэффициенті,К-1 Орташа меншікті жылылық сыйымы, Дж/(кг К) Жылылық өткізгіштің коэффициенті Вт/(мК) Еру температурасы, 0С 200 С кездегі кедергісі, Ом м Тыю салынған зонаның кеңдігі, эВ Электрондардың жылжымалылығы,м2/(В с) Тесіктердің жылжымалылығы, м2/(В с) Электрондардың шығу жұмысы, эВ Диэлектрик тиімділігі кездегі платинаға салыстырмалы жылу - ЭҚК	72,6 13,5 5,3   6 10-6 333   55   936 0,47 0,72 0,39 0,19 4,8 16   33	28,06 11,7 2,3   4,2 10-6 710   80   1414 2000 1,12 1,14 0,05 4,3 12,5   41,6

 

          5.6 Жартылай өткізгіштіктердің химиялық қосылулары

 

          Кремний карбиді. Бұл Менделеевтің кестесінің SiC формуласына сәйкес төртінші тобының элементтері кремний және көміртегінің қосылуы. Масса бойынша кремний карбидінің құрамында  Si = 70% ал, С=30%.

          Техникалық кремний құрамында кварцтық құмды көміртегімен электр пеште қалпына келтіру арқылы дайындалады. Процесс бітіп және пеш салқындағаннан кейін оның ішінен SiC кристалдардан құралған друз деп аталатын пакеттерін шығарады. Пакеттерді үгітіп, әртүрлі ірі дәндері бар порошок түрге келтіреді. SiC кристалдардың негізгі физикалық қасиеттері:

·        тығыздық

·        жылылық өткізгіштік

·        меншікті жылылық сыйымы

·        сызықты кеңейтудің температуралық коэффициенті

·        тыйю салған зонаның кеңдігі

·        электрондардың жылжымалылығы

·        тесіктердің жылжымалылығы

·        диэлектрик өтімділігі

·        мысқа салыстырмалы жылу – ЭҚК

Порошок түрдегі кремний карбидінің электр өткізгіштігі бастапқы заттың

дәнекерінің электр өткізгіштігіне, бөлшектердің қысым дәрежесіне, электр өрістің кернеулігіне және температураға тәуелді. 5.7, а суретте кремний карбидінің дәнекерінен құралған варистор деп аталатын сызықсыз резистор көрсетілген.

5.7 Сурет – Кремний карбидінен жасалған варистордың әрекет принципін анықтау

 

          Варистордың электр өткізгіштігі түйіспеленген дәнекердің параллельді тізбектерімен белгіленеді және де түйіспелердің тесілу кернеулері әртүрлі тізбектерде үлкен бытырықта болады (5.7,б сурет).

          Солай, U₁ – ге ынта салынған кернеуге дейін ток R кедергі арқылы ғана өтеді (5.7, б – сурет), ал содан кейін U₁, U₂, U₃ кернеулер кезде бір –бірінен кейін дәлелдердің басқа параллельді тізбектері қосылады, сонымен вольт – амперлік мінездемесі сынған сызық болады (5.7, в – сурет). Нақтылы варистарде мұндай тізбектер өте көп болады, сондықтан вольтамперлік мінездеме (5.7, г–сурет) байсалды қисық болады. Бір –бірімен байланыспаған кремний карбидтер дәндерден құралған варистор тұрақсыз болады, соққыдан және селкілдеуден қорқады, мінездемелерін жеңіл өзгертеді. Сондықтан SiC дәндерін байланыстыру керек. Байланыстыру заттар ретінде сары балшық, сұйық әйнек, лактар және т.б. қолданады. 5.7 – сурет. а – варистордың тілігі (1 – кремнийдің карбидінен жасалған дөңгелек, 2 – электрондар); б – варистордың балама сұлбасы; в – балама сұлбаға сәйкесті вольтамперлі мінездемесі.

          Электротехникада кремнийдің карбиді жоғары кернеулі желілері және аппаратураны қорғайтын винтельді разрядсыздандырғыштрдың резисторларын жасауға қолданылады; автоматикада, есептеу техникада, жоғары температуралық техникада және т.б. құрылғыларда қолданатын әртүрлі төмен кернеулі варисторлардың өндірісінде қолданады. Мысал ретінде жоғары кернеулі желілердің винтельді зарядсыздандырғыштардағы және силит оқтамаларда пайдаланатын кремнийлік карбидтерді қарап шығайық.

          Вентильді зарядсыздандырғыш деп варистормен бірге бір дүркін немесе дүркін – дүркін ұшқын аралықтары бар зарядсыздандырғышты айтады.

          Жоғары кернеулі желіде асқын кернеу болған кезде ұшқынды аралық тесіледі, варистор үлкен кернеудің астында қалады, оның кедергісі кенет азаяды да, желі жермен қосылады. Зарядсыздандырғыш арқылы ұзақтығы бірнеше жүз микросекундаға тең серпінді ток ағады. Сонымен бірге желінің жұмыс кернеуінің әсерімен разрядник арқылы өнеркәсіпті жиілігі бар айнымалы тоқ ағады (ере жүретін тоқ деп аталады).

           

 

5.8 Сурет - Зарядсыздандырғыштың принципиалды сұлбасы

1- ұшқынды аралық; 2 – варистор (вилит дөңгелек)

 

          Варистордың кедергісі кенет өскеннен бұл тоқ бірінші жартылай периодта нөлден өткенде өшеді де, разряд аралықтар ионизациясыздандырылады. Желінің қорғанысы автоматты орнына қайтады. Силит оқтамалар кремнийдің карбиді, кристаллды кремний және көміртегі негізінде әзірленеді. Силит қыздырғыштар әртүрлі қуаты бар электр пештерде қолданады (пештердің максималды температурасы 1500⁰ С). Қазіргі уақытта ең көп қолданатын химиялық қосуларға фосфидтер, арсенидтер және антимонидтер жатады.

          Галлийдің арсениді – ең келешегі бар жартылай өткізгіш заттың бірі. Оның тыйю қойылған зонаның кеңдігі германийдің және кремнийдің тыйю қойылған зоналарының кеңдігінен және жылжымалылықтарынан үлкен.

          Акцепторлар ретінде – циек, мыс, кадмий, ал донор ретінде – күкірт, селен, теллур қолданады. Галлийдің арсенидінен ПӘК 7%-ға тең фотоэлементтер, рентген сәулеленудің өлшегіштері, жартылай өткізгіш лазерлер және туннельдік диодтар жасалады.

          Индийдің актимониді жоғары тазалығы бар индиймен сурьманың еріткен қорытуларынан жасайды. Зат зоналық тазалаудан өтеді, ал монокристаллдар заттан созу әдісімен табылады. Тыйю қойылған зонаның кеңдігі аз болғандықтан (0,18 эВ), бөлмелік температура кезінде оның электр өткізгіштігі өздік болады. Индийдің актимониділерді жоғары әсерленгішті фотоэлементтерді және оптикалық сүзгіштерді дайындауға қолданады. Бұдан басқа оларды жылылық электр генераторлар және мұзжапқыштарда қолданады.

 

         6 Магниттік заттар

6.1 Заттардың магниттік қасиеттері туралы жалпы мәліметтер

 

         Магниттік зат ретінде техникалық маңызы бар ферромагниттік заттар және ферромагниттік химиялық қоспалар (фериттер).

         Ферромагниттезм құрылысы кейбір заттардың ішінде белгілі температурадан (Кюри нүктелерден) төмен кезде магниттік домендерде электронды спиндер бір – біріне паралельді бағытталған болып құрылуымен байланысты.

         Сыртқы магнитті өрістің әсерімен ферромагниттік затты магниттеу процесі арқылы күштері өрістің бағытымен ең кіші бұрышы бар домендер өседі, ал басқа домендердің мөлшері азаяды. Домендердің өсуі қойылғанда және барлық магниттелген монокристалдар өрістің бағытымен бейімделгенде магниттік қанығу басталады.

 

 

6.1 Сурет - Магниттік индукцияның және салыстырмалы магниттік өтімділіктің өрістен тәуелділік қисықтары

 

1 -  өте таза темір

2 – таза темір (99,98 Fе, %);

3 – техникалық таза темір (99,92 Fе, %);

4 – пермоллой (78 Ni, %);

5 – никель;

6 – темір – никель қоспалары (26 Ni, %);

        

         Ферромагниттік монокристалдарды магниттеген кезде олардың сызықты мөлшерінің өзгеруі байқалады; бұл құбылыс магнитострикция деп аталады. Магнитострикциялық заттың магниттеу процестің өтуі әдетте В (Н) магниттеу қисықтарымен мінезделеді (6.1 сурет). Салыстырмалы магниттік өтімділік – негізгі магниттеу қисық бойынша В индукциясының сәйкестігі Н магнит өрісіне қатынасы

 

                                                                                                           (6.1)

 

                Күшті өрістерде магниттік қағыну саласында магниттік өтімділік бірге ұмтылады. Айнымалы магниттік өрістерде ферромагниттердің мінездемесі ретінде ең үлкен кернеулігінің мәніне қатынасын алады. Оны -  деп белгілейді де, динамикалық магниттік өтімділік деп атайды.

Айнымалы өрістің жиілігі өскенде магниттік процестердің инерциялығына байланысты азаяды.

         Ферромагниттік заттардың магниттік өтімділік температураға тәуелді, ол максимумнан  Кюри нүктесіне жақын температура кезінде өтеді. Таза темір үшін Кюри нүктесі 168⁰ С, никель үшін 1130⁰ С. Температура өзгерген кезде магниттік өтімділіктің өзгеруін мінездеу үшін магниттік өтімділіктің температуралық коэффицент пайдаланады

 

                                                                                            (6.2)

 

         Егер де сызықты магнит ферромагнитті бәсең магниттеуін өткізсек, ал кейбір негізгі магниттеу қисықтың нүктесінен бастап өрістің кернеулігін азайтуын бастасақ, онда магнит индукциясы да азаяды, бірақ негізгі қисық бойынша емес, себебі гистерезис құбылыстың салдарынан кешігеді. Кері бағытталған өрістің мәні өскенде өрнектің магниттік қасиеттерін жоюға болады, ал содан кейін қайта магниттеліп және магнит өрістің бағыты қайтадан өзгергенде өрнектің магниттелуін мінездейтін бастапқы мінездемесіне қайтып келеді, яғни гистерезистің ілмегі пайда болады (6.2 - сурет).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.2 Сурет - Гистерезис тұзағы, яғни В магнит индукциясының сыртқы магнит өрісінің Н кернеулігінің тәуелділігі

 

         Қаныққанға дейін магниттеліп,  содан кейін магниттенсіздендірілген өрнектің Н =0 кездегі мәні Вr қалдық индукция деп аталады. Индукция Вr мәнінен нөлге дейін азайту үшін коэрцитивті күш (Н_с)) деп аталатын кері бағытталған Н_с кернеулікке ынта салу керек. Үлкен магниттік  өтімділігі бар және Н_с шамалы мәндері бар заттар деп, ал магниттік өтімділігі шамалы және Н_с үлкен мәндері бар заттар қатты магниттік заттар деп аталады. Ферромагниттерді айнымалы магнит өрістерде  қайта -  қайта магниттеу кезінде энергияның жылулық шағымдары әрдайым байқалады. Олар гистерезиске және құйынды тоқтар себеп болатын шағымдармен қамтамасыз етіледі. Құйынды тоқтарға кететін шығындар ферромагниттің электр кедергісіне тәуелді, яғни неғұрлым ферромагниттің меншікті кедергісі үлкен болса, соғұрлым құйынды тоқтарға кіретін шығындар аз болады. Гистерезиске заттың көлем бірлігінде бір цикл кедергі шығындар мынаған тең.

 

                                                                                                         (6.3)

 

         мұнда - заттан тәуелді коэффицент; - цикл ішінде максималды индукция;  тең дәреже көрсеткіші.

         Гистерезиске жұмсалатын қуат мынаған тең

 

                                                 ¦                                                  (6.4)

 

         мұнда ¦– тоқтың жилігі; V – ферромагниттің көлемі.

         Құйынды тоқтарға жұмсалатын қуат мынаған тең

 

                                       _¦ ¦                                                                                                   (6.5)

 

         мұнда – ферромагниттің түріне тәуелді коэффициент.  – жиіліктің екінші дәрежесінен, ал  – бірінші дәрежесінен тәуелді болғандықтан, бірінші кезде жоғары жиілік кезде , яғни құйынды тоқтардың шығындарын есепке алу керек. Айнымалы ток тізбектерде кейбір кезде индуктивті орауыштарда қуаттың шашырап тарауын магнит шығындардың тангенс бұрышымен бағалайды. Магнит заттан өзекшесі бар индуктивтік орауышты тізбектеп қосылған L  индуктивтен және r кедергіден құралған сұлба ретінде көрсетуге болады (өздік сыйымдылықты және ораманың кедергісін есепке алмағанда), ал бұл жағдайда векторлық диаграммадан табамыз (6.3 сурет).

 

                                                                                                             (6.6)

 

         Молибден және хром пермаллойдың меншікті кедергісін басты магниттік өтімділігін үлкейтеді және деформацияға әсерлігіштігін азайтады. Бірақ та, сонымен бірге қанығу индукция да төмендейді. Мыс  - дың тұрақтылығын үлкейтеді, температуралық тұрақтылықты және меншікті кедергіні көтеріңкі етеді және қорытпаларды механикалық өңдеуге жеңіл етеді. Кремний және маргнец меншікті  кедергіні үлкейтеді. Пермаллойдың маркаларында Н әрпі никельді көрсетеді, К – кобальтті, М – марганецті, Х – хромды, С – кремнийді, Д – мысты.

 

6.3 Сурет - Индуктивтік орауыштың балама сұлбасы және векторлық диаграммасы

 

         Марканың сындық белгісі никельдің қорытпа ішіндегі пайызын көрсетеді. Пермаллойды қолдану. 45Н және 50Н және 50Н қорытпалар жоғары индукция кезде жұмыс істейтін көлемі шамалы күшті трансформаторлардың өзекшелерін, дыбысты және жоғары жилікті байланыс аппаратураны жасайды. 79НМ, 80НХС, 76НХД қорытпаларды шамалы және серпінді трансформаторлардың өзекшелерін, магнит экранды, магнит күшейткіштерді жасауға қолданылады. Пермаллойдан жасалған жіңішке таспалар есептеу техника құралдардың есте сақтау қуыстарының заты ретінде пайдаланылады.

        

         6.2 Қатты магниттік заттар. Жалпы мәліметтер

 

         Құрамы, күйі және шығару әдісі бойынша қатты магниттік заттар мынаған бөлінеді: 1) қоспалы мартенситті болаттар; 2) құйылған болаттар; 3) порошоктардан жасалған магниттер; 4) қатты магниттік ферриттер; 5) магниттік таспалар.Тұрақты магниттер үшін қолданылатын заттардың мінездемелері  - коэрцивтік күш, қалдық индукция және сыртқы кеңістікке магниттің беспетін максималды энергиясы. Тұрақты магниттердің магниттік өтімділігі жұмсақ магниттік заттардың өтімділігінен төмен болады.

Сақина тәрізді өзекшесі бар магниттің магнит ағыны, сондықтан магниттің энергиясы оның ішінде болады. Полюстер арасында ауа саңылауы болса, онда энергияның бір бөлігі магнит заттың көлемінің сыртындағы өріспен байланысты болады. Оның мөлшері саңылаудың ұзындығына тәуелді.

         Ауа саңылауындағы меншікті магниттік энергия мынаған тең

 

                                                                                                         (6.7)

 

         мұнда В_d H_d индукцияға сәйкесті өрнектің кернеулігі, А/м

 

 

 

 

 

 

 

6.4 Сурет - Магнитсіздендіру (1) және ауа саңылауында магниттік энергияның (2) қисықтары

 

         Кремний қосылған қорытпа альниси, кобальт қосылған альнико, ал егер де кобальт 24% -ға тең болса – магнико деп аталады.

Қорытпалардың магниттік қасиеттерінің кенет өсуі тек құрамымен ғана емес,  оған қосымша арнайы өндіру күшті магнит өрісте құйылғаннан кейін магнитті салқындату  себепші болады.

         Бұл қорытпалардың кемшіліктеріне олардан жасалған бұйымдар дәл өлшемдерін ұстап тұру жатады, ал оған себепші болатын жағдай – қорытпалардың беріктігі және осалдығы.

         Ең арзан қорытпа – кобальт және қорытпа (ЮНД), ал кобальт бар қорытпалардың (ЮНДК( - көтеріңкі магниттік қасиеті бар және изотропты заттар болады.

         Порошоктардан жасалған магниттер. Мөлшері қатал ұстамды бұйымдарды құйылған қорытпалардан жасау қиын болғандықтан, тұрақты магниттерді өңдеу үшін порошокты металлургияның әдістерін қолдануға мәжбүр етілді. Бұл кезде металл керамикалық және металл пластикалық магниттерді ажырату керек. Металл керамикалық магниттерді дайындау үшін майдаланған қатты магниттік қорытпалар құрылған порошокты престеу (қысу) керек, ал одан кейін қосымша өңдеудің қажеттігі жоқ. Металл пластикалық магниттерді дайындау пластмассаның престенуіне ұқсайды, бірақ порошок ішінде қатты магниттік қорытпаның майдаланған дәндері сияқты толтырғыш болады. Толтырғыш берікті болғандықтан, затқа 500МПа – ға жететін меншікті қысым керек. Порошокты магниттер көпшілік автоматталған өндірісте магниттердің мөлшері шамалы және күрделі кескін үйлесімі болған кезде дайындау үнемді болады.

         Металл керамикалық магниттер әдетте уақ тесікті болады, қорытылған электр энергия және қалдық индукция 10 – 20 % - ға сәйкес құйылған магниттерге қарағанда төмен, ал беріктігі 5 – 6 есе жоғары. Металл пластикалық  магниттердің құйылған магниттерге қарағанда коэрцивтік күші 10 – 20% - ға, қалдық индукция  35 – 50% - ға, ал қорытылған энергиясы 35 - 50% - ға төмен. Металл пластикалық магниттердің меншікті кедергісі өте жоғары, сондықтан оларды жоғары жиілікті айнымалы магнит өрісі бар аппараттарда қолданады.

         Дыбыс жазу үшін қолданатын металды және металды емес заттар. Дыбысты жазу және елестету үшін атты магниттік қорытпалар және болаттар қолданады. Олардан үстіне дыбыс түсіруші қорытпасы бар бейметалды таспалар және темірдің немесе кобальттің порошокты фериті бар пластмассалық таспалар жасалады.

         Таспаны немесе сымды жасауға қолданатын 25 кА-м тең коэрцивтік күші және l Тл тең қалдық индукциясы бар (34% Fe; 52% Co және 14% V) қорытпаны викаллой деп атайды. Қатты магниттік темір – никельді қорытпалар мыс таспаның бетіне қондырылады. Жоғары жиіліктердің кең диапозонның ең жақсы жазуына себепші болатын коэрцивтік күштердің қалдық индукцияға оптималды қатынасы болады (бұл қатынас Hc/Br ³8 кА/мТл болуы керек). Мұндай жағдайларға арзан және қолайлы темір оксидтер Fe₂O₃ қанағаттандырады. Әдетте екі қабатты және бір        қабатты пленкалар қолданылады. Екі қабатты пленка – магниті бар лакты үстіне қондырған, кеңдігі 6,5 мм, қалыңдығы 35мкм тең таспа. Сұйық лактың ішіндегі магниттің көлемі 40% - ға жақын. Пленканың магниттік параметрлері:Нс=6 – 20 кА/м, Br =0,8 – 0,4 Тл, яғни қатынас Нс/ Br » 40 тең.

         Бұл таспаларда жеткілікті жақсы елестеу кең хабар тарату аппаратурада 19,05 См/с, ал құрылысты магнитофондарда 9,53 және 4,75 См/м жетуге болады.

         Таспаны ажыратуға күш салу 20 – 40 Н, пленканың созылуы 1% - дан аспайды. Пленканың бөліктерін клей арқылы қосады. Пленка 15 – 20⁰ С температура және ауаның ылғалдылығы 50 – 60% кезде ең жақсы сақталады.

         Бір қабатты пленкалар магниттік толтырғышы бар пливинихлоридтен жасалады. Олардың даңғыры екі қабатты пленкаға қарағанда төмен болады және магниттік қасиеттері төмендеу.

         Кейбір кристалды заттардың жүйесінің потенциалды энергияның минимумына спиндердің қарсы паралельді орналасуы сәйкес келеді. Олардың доменді құрылысы, Кюри нүктелері бар және оларға ферромагнит заттарға кіргізілген барлық мінездемелерді қолдануға болады. Әдетте оларды ферриттер деп атайды. Ферримагнетиктің, ферромагнетиктерге қарағанда қанығу индукциясы аз және меншікті кедергісі өте жоғары болады.

 

         6.3 Жұмсақ магниттік заттар

 

         Жұмсақ магниттік заттардың жоғары магниттік өтімділіктері, шамалы коэрцивтік күштері және гистерезиске шығындары аз болады, олар трансформаторлардың өзекшелері ретінде және электр өлшегіш аспаптарда қолданылады.

         Көміртегі төмен электротехникалық табақты болат – қалыңдығы 0,2 – 4 мм табақтар түрде шығарылады, көміртегі 0,04% және басқа қоспалар 0,6 % - дан аспайды. Магниттік өтімділінің максмалды мәні  - 3500 – 4500, коэрцивтік күші 60 – 100 А/м.

         Кремнийлік электротехникалық болат – жалпы тұтынатын негізгі магниттік жұмсақ зат. Бұл болат ішіне кремнийді кіргізгенде меншікті кедергісі өседі, ал сондықтан құйынды тоқтардың шығындарының төмендеуі қамтамасыз етілді. Болат ішіндегі кремний көміртегінің графит түрде шығуы және болаттың толық ашылуына себепші болады, ал бұл жағдай m улкейюіне, Нс азайюына және гистерезиске кететін шығындарының төмендеуі қамтамасыз етілді. Болаттың ішінде кремнийдің мөлшері 5% - дан асатын болса, онда болат морт болады.

         Электротехникалық болатты ұсақтап бөледі және маркалайды: а) құрылыс күйі және жаю түрі бойынша кластарға (маркасының бірінші сандық белгісі): 1 – ыстық жайылған; 2 – сұйық жайылған изотопты; 3 – сұйық жайылған анизотропты:

         б) кремнийдің мөлшері бойынша (маркасының екінші сандық белгісі): 0 – кремнийдің мөлшері 0,4% дейін; 1 – 0,8%;  2 – 1,8% дейін; 3 - 2,8% дейін; 4 – 3,8% дейін; 5 – 4,8% дейін:

         в) негізгі мөлшерленген мінездеме бойынша топтарға (маркасының үшінші сандық белгісі): 0 – магниттік индукциясы 1,7 Тл және жиілігі 50Гц (Р_1,5/50) кезде, 2 – 1 Тл және 400 Гц (Р_1/400) кезде.

         Болат төрт сандық белгімен маркаланады. Бірінші үш сандық белгі бірге болаттың түрін көрсетеді; төртінші – болаттың түрінің реттік нөмірін. Болат рулондар, табақтар және кесілген таспалар түрде шығарылады.Табақтардың қалыңдығы 0,1 1 мм. әртүрлі кластары бар болаттар аппараттардың, трансформаторлардың, аспаптардың, электр машиналардың магнит тізбектерін дайындауға тағайындалған. Бұл болаттар күштік трансформаторларда қолданғанда олардың салмағын және габариттерін 20 – 25% азайтады, ал радио трансформаторларда  - 40% -ға дейін.

 

          6.1 К е с т е - 2 класы бар болаттың меншікті шығындардың және индукцияларының шекті мәндері

Маркасы	Қалыңдығы мм	Меншікті шығындар Вт/кг		Магнит өрісінің кернеулігі А/м кездегі магнит индукция, Тл
		(Р1/50)	(Р1,5/50)	1000	2500	5000	10000	3000
2013   2112   2212   2312   2412	0,65 0,55 0,65 0,5 0,65 0,5 0,65 0,5 0,5 0,35	3,1 2,5 3,5 2,6 2,6 2,2 2,4 1,75 1,3 1,15	7 5,6 8 6 6,3 5 5,6 4 3,1 2,5	1,53 1,54 1,46 1,46 1,42 1,42 1,38 1,4 1,35 1,35	1,64 1,65 1,59 1,6 1,58 1,6 1,54 1,56 1,5 1,5	1,74 1,75 1,67 1,68 1,67 1,68 1,64 1,66 1,6 1,6	1,85 1,85 1,77 1,77 1,77 1,77 1,72 1,74 1,7 1,7	2,05 2,05 2,02 2,02 2 2 1,96 1,96 1,95 1,95

 

6.1 кестеде 2 класы бар болаттың меншікті шығындардың және индукцияларының шекті мәндері келтірілген.

         Пермаллойлар. Бұл анизотропиясы және магнитострикациясы жоқ өте үлкен h басты магниттік өтімділігі бар темір – никельді қорытпа. Жоғары никельді (70 – 85 %Ni) және төмен никельді (40 – 50%Ni) пермаллойларды ажыратады.

         Пермаллойлардың мінездемелері. Негізгі магнит қасиеттер және меншікті кедергі никельдің мөлшеріне тәуелді.

         Перрамойлардың магниттік қасиеттері сыртқы механикалық күштерге, қорытпа ішіндегі жат қоспаларға және химиялық құрамына тәуелді.

 

 

6.5 Сурет -  Магнит қасиеттерінің және меншікті кедергінің никельдің мөлшерінен тәуелділіктері

 

         Қоспалы қосындылардың әсері. Қорытпаларға керекті қасиеттер беру үшін пермаллойдтың құрамына қосындыларды кіргізеді.

 

         6.4 Арнайы тағайындалған заттар

 

         Құрылысымен және құрамымен өзгешелік магниттік қасиеттері бар заттарды екі топқа бөлуге болады. Мұндай заттарға жатады: 1) өрістің кернеулігі өзгергенде магниттік өтімділігі шамалы өзгеретін қорытпалар; 2) температурадан магниттік өтімділігі өте тәуелді қорытпалар; 3) магнитистикасы бар қорытпалар; 4) ерекше жоғары қанығу индукциясы бар қорытпалар.

         Біріншілерге перминвар деп аталатын, ішінде 29,4%Fe, 45%Ni, 25% Co, 0,6%Mn бар қорытпа жатады. Қорытпаны 1000⁰ С кезде өңдейді, ал содан кейін бәсеңдеп салқындатады. Перминвардың шамалы коэрцивтік күші бар, басты магниттік өтімділігі 300 тең, индукция 0,1 Тл кезде тұрақты мәнін кернеулік 250 А/м – ге дейін өскенде сақтайды, бірақ температурадан механикалық күштерден тәуелді.

         Екіншілерге Ni – Cu, Fe – Ni немесе Fe – Ni - Cr негізінде құралған магниттік қорытпалар жатады. Бұл қорытпалар тұрақты магниттердің индукциясы өзгеру кезде қондырғылардың температуралық терістіктерін компенсациялауға қолданады. Ni – Cu қорытпа (30% Cu ішінде болғанда) температуралық терістіктерді температура 20⁰ С – ден 80⁰ С - ге дейін өзгергенде компенсациялайды. (6.6 – сурет). Техникада ең кең Fe – Ni – Cо (компенсаторлар) қорытпа қолданады.

         Үшіншілерге жоғары магнитострикциялар бар (жүйелер) қорытпалар жатады. Заттардың сызықты мөлшерінің өзгеруі болымды, олар (40 – 120)

10^-6 шектерде жатады. (6.7 – сурет). Таза никельдің және ферридтердің үлкен теріс магнитострикциясы болады. Магнитострикция құбылысы дыбысты және ультро дыбысты генераторларды, механикалық тербелісті электр тербеліске түрлендіретін құрылғыларда қолданылады.

 

 

 

 

 

 

 

6.6 Сурет - Магниттік қорытпа –                  6.7 Сурет - Магнит өрістің кер -

лардың индукциясының темпе -                  неулігінің магнитострикциялық

ратуралық тәуелділігі                                    деформацияның тәуелділігі

 

           Төртіншілерге өте жоғары қанығу индукциясы бар (2,4 Тл – ға дейін) темір – кобальттік қорытпалар жатады. 50 – 70 % Со бар қорытпалар пермендюр деп аталады; олар бағасы жоғары болғандықтан, осциллографтарда, телефондарда және т.б. аппараттарда қолданылады.

 

9.5 Ферриттер. Жалпы мәліметтер

 

Ферриттер – шамалы электронды электр өткізгіштігі бар магниттік керамика. Ферриттердің меншікті кедергісі темірдің кедергісінен 10^-6 – 10¹¹ есе асады, ал сондықтан жоғары жиілік салада энергия шығындары шамалы, ал магниттік қасиеттері жоғары болғандықтан, ферриттер жоғарыланған және жоғары жиіліктер кезде өте кең қолданылады.

Кең тараған цинк – никельді ферромагниттердің формуласы

 

 

          мұнда  m, n, p сыңарлардың сандық қатынастарын белгілейтін коэффициенттер.

Ферриттер – қатты және осал зат, ал сол себептен олар кесу өңдеуге жарамайды, оларды тегістеп ажарлауға және жалтыратуға болады. Дайын бұйымдардың қасиеттеріне өте маңызды әсерлігін ферриттердің дайындау технологиясы білдіреді.

          Жұмсақ магниттік ферриттер. Жоғары магниттік өтімділігі бар фериттердің максималды индукциясы 0,3 Тл, ал коэрцивтік күші 16 А/м тең (6.8 – сурет).

Ферриттердің негізгі физикалық мінездемелері: тығыздығы 4 – 5 Мг/м³, меншікті жылулық сыйымдылығы 0,7 кДж (кг К), жылулық өткізгіштіктің коэффициенті 5 Вт /(м К), меншікті кедергісі 10^-3 К^-1. Ферриттердің жиілігінен және құрамынан тәуелді салыстырмалы үлкен диэлектрлік өтімділігі бар. Ферриттердің шығындарының тангенсі 0,005 – тен 0,1 – ге дейін. Ферриттерде магнитострикция құбылысы көрінеді.

 

 

 

 

 

 

      6.8 Сурет - Цинк – никельді ферриттің гистерезис ілмегі

        

         Гистерезистің тура бұрыштық ілмегі бар ферриттер.

         Мұндай ферриттер есептеу техниканың есте сақтайтын құрылғыларында қолданылады. Бұл түрге жататын заттарға және бұйымдарға арнайы талаптар қойылады, ал оларды мінездеу үшін қосымша параметрлерді пайдаланылады. Мұндай параметрлердің негізгілері: қалдық индукциясының максималды индукцияға қатынасын көрсететін гистерезистің ілмегінің тура бұрыштылық коэффициенті Кп.

В_макс. Кернеулік Н_макс=5Нс тең кезде өлшейді. Көп мәні бірге жақын болуы қажетті. ТБI бар ферриттер металды жіңішке таспаларға қарағанда кең тарау себебі олардың дайындау технологиясының жеңілдігі.

            Асқын жоғары жиіліктер үшін ферриттер. АЖЖ үшін қолданылатын ферриттердің арнайы маркаларының ерекше маңызы болады. Бұл жиіліктер саласында бірінші кезекте ферриттердің арнайы маркаларының ерекше маңызы болады. Бұл жиіліктер саласында бірінші кезекте ферриттердің электр және магнит параметрлерімен басқару мүмкіншілігі пайдаланылады. АЖЖ никельді және магнийлік ферриттер, никельді және магнийлік феррохромиттер қолданылады. АЖЖ – ферриттердің маркаларының саны 60 – тан асады.

                                                                      

 6.6 Құрастырылған материалдар – шойындар мен болаттар

 

Бұл материалдар, электро машиналар жасауда, аспап жасауда қолданылатын, жоғары механикалық қасиетімен және кең технологиялық мүмкіндіктерімен ерекшеленуі керек. Магнитті қасиетіне қарай олар магнитті материалдар және магнитті материалдар емес болып бөлінеді. Біріншісіне сұр шойын, көмірқышқылданған және легирленген болаттар, екіншісіне – магнитті емес шойын және магнитті болат жатады. 

 

 Әдебиеттер тізімі 

1. Богородицкий Л.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электро­технические   материалы. 2-е изд. - Л.: Энергоатомиздат, 1985. -304 б.

2. Корицкий Ю.В. Электротехнические материалы. 3-е изд.-М.: Энергия, 1985.-319 б.

3. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники.- М.:  Высшая школа, 1990.-306 б.

4. Антипов Б.Л., Сорокин В.С., Терехов В.А. Материалы электронной техники. Задачи и вопросы. -М. : Высшая школа, 1990. -208 б.

5. Справочник по электротехническим материалам. Под ред. Ю.В. Корицкого. - т.1-3. - М.: Энергия, 1987.

6. Бекмагамбетова К.Х. Электротехническое материаловедение.- Алматы: «Ѓылым», 2000.-256 б.

7. Алиев И.И., Калганов С.Т. Электротехнические материалы и изделия. - М.: Academia, 2005. - 280б.

  

Мазмұны 

Кіріспе .....................................................................................................................3

1 Диэлектриктердің өрістенуі..............................................................................10

2 Диэлектриктердің электрлік өткізгіштігі.........................................................23

3 Диэлектрлік шығындар......................................................................................35

4 Өткізгіш материалдар........................................................................................48

5 Жартылай өткізгіш заттар………………………………………………….....60

6 Магниттік заттар................................................................................................74

Әдебиеттер тізімі……………………………………………………………..….85

Мазмұны.................................................................................................................85