Водородная болезнь меди

Образование несплошностей в меди при ее нагреве в среде, содержащей водород (например, в продуктах неполного сгорания жидкого топлива). Водородная болезнь наблюдается только при нагреве такой меди, в которой находится закись меди (Cu2O), при этом происходит диффузия водорода в медь, и протекает реакция восстановления меди Cu2O + H2 → 2Cu + H2O. Образующиеся при этом пары влаги создают высокое давление внутри детали, вызывая ее коробление и растрескивание.

21) Физические свойства

* Металл серебристо-белого цвета, лёгкий

* плотность — 2,7 г/см³

* температура плавления у технического алюминия — 658 °C, у алюминия высокой чистоты — 660 °C

* удельная теплота плавления — 390 кДж/кг

* температура кипения — 2500 °C

* удельная теплота испарения — 10,53 МДж/кг

* временное сопротивление литого алюминия — 10-12 кг/мм², деформируемого — 18-25 кг/мм², сплавов — 38-42 кг/мм²

* Твёрдость по Бринеллю — 24…32 кгс/мм²

* высокая пластичность: у технического — 35 %, у чистого — 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу

* Модуль Юнга — 70 ГПа

* Алюминий обладает высокой электропроводностью (0,0265 мкОм·м) и теплопроводностью (203,5 Вт/(м·К)), 65 % от электропроводности меди, обладает высокой светоотражательной способностью.

* Слабый парамагнетик.

* Температурный коэффициент линейного расширения 24,58·10−6 К−1 (20…200 °C).

* Температурный коэффициент электрического сопротивления 2,7·10−8K−1.

Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием (силумин).

Основной недостаток алюминия как конструкционного материала — малая прочность, поэтому для упрочнения его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий).

Электропроводность алюминия всего в 1,7 раза меньше, чем у меди, при этом алюминий приблизительно в 4 раза дешевле за килограмм, но, за счёт в 3,3 раза меньшей плотности, для получения равного сопротивления его нужно приблизительно в 2 раза меньше по весу. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Меньшую электропроводность алюминия (37 1/ом) по сравнению с медью (63 1/ом) компенсируют увеличением сечения алюминиевых проводников. Недостатком алюминия как электротехнического материала является наличие прочной оксидной плёнки, затрудняющей пайку.

22) Сверхпроводи́мость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура). Известны несколько десятков чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние. свинец, олово, ртуть, таллий и уран и др.

Даже более важным свойством сверхпроводника, чем нулевое электрическое сопротивление, является так называемый эффект Мейснера, заключающийся в выталкивании сверхпроводником магнитного потока rotB=0. Из этого экспериментального наблюдения делается вывод о существовании незатухающих токов внутри сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его.

Достаточно сильное магнитное поле при данной температуре разрушает сверхпроводящее состояние вещества. Магнитное поле с напряжённостью Нc, которое при данной температуре вызывает переход вещества из сверхпроводящего состояния в нормальное, называется критическим полем. При уменьшении температуры сверхпроводника величина Нc возрастает. Зависимость величины критического поля от температуры с хорошей точностью описывается выражением: Нс(Т)=Нс0(1-T^2/T^2c), где Нс0-— критическое поле при нулевой температуре. Сверхпроводимость исчезает и при пропускании через сверхпроводник электрического тока с плотностью, большей, чем критическая jc, поскольку он создаёт магнитное поле, большее критического.

Т.е. переход возможен только при не слишком сильных магнитных полей и тока, последнего плотность которого не будет больше критического.

Ку́перовская па́ра — связанное состояние двух взаимодействующих через фонон электронов. Обладает нулевым спином и зарядом, равным удвоенному заряду электрона. Впервые подобное состояние было описано Леоном Купером в 1956 году.

Под действием этого импульса ионы смещаются так, как показано на рис. 1.

При этом кинетическая энергия, которую приобретает ион за время взаимодействия, переходит в потенциальную. Таким образом, за движущимся электроном следует область избыточного положительного заряда, который создаёт отрицательный (притягивающий) потенциал для другого электрона (рис. 2а).

Когда в образовавшуюся потенциальную яму попадает другой электрон, то его потенциальная энергия понижается и между парой электронов возникают силы притяжения. При этом притяжение возникает только тогда, когда электроны движутся в разные стороны (рис. 2б). Кроме того, для образования куперовской пары спины электронов должны быть противоположными (антипараллельными). Рассмотренное взаимодействие носит одномерный характер. Из квантовой механики известно, что в одномерном (а также в двухмерном) случае в потенциальной яме всегда образуется связанное состояние (в трехмерном случае для образования связанного состояния потенциальная яма должна быть достаточно глубокой). Поэтому взаимодействие электрон-ионы (электрон-фононное взаимодействие) всегда приводит к образованию коррелированного состояния пары электронов, получившего название куперовской пары.

23) Достаточно сильное магнитное поле при данной температуре разрушает сверхпроводящее состояние вещества. Магнитное поле с напряжённостью Нc, которое при данной температуре вызывает переход вещества из сверхпроводящего состояния в нормальное, называется критическим полем. При уменьшении температуры сверхпроводника величина Нc возрастает. Зависимость величины критического поля от температуры с хорошей точностью описывается выражением: Нс(Т)=Нс0(1-T^2/T^2c), где Нс0-— критическое поле при нулевой температуре. Сверхпроводимость исчезает и при пропускании через сверхпроводник электрического тока с плотностью, большей, чем критическая jc, поскольку он создаёт магнитное поле, большее критического.

По магнитным свойствам различают сверхпроводники 1-го и 2-го рода.

Сверхпроводники I рода

Для сверхпроводников I рода характерны скачкообразный переход в сверхпроводящее состояние и наличие одной критической напряженности магнитного поля, при которой наблюдается этот переход. Значения критической температуры Тк и критической напряженности магнитного поля Нк у них малы что затрудняет их практическое применение. Для сверхпроводников I рода характерным является проявление эффекта Мейснера. Сверхпроводникам I рода являются все чистые металлы, кроме переходных. Низкие значения Нк у сверхпроводников I рода существенно ограничивают плотность тока, что препятствует их практическому использованию. Большинство металлов — сверхпроводники I рода с критическими температурами перехода ниже 4,2 К.

Сверхпроводники II рода

Сверхпроводники II рода переходят в сверхпроводящее состояние не скачкообразно, как сверхпроводники I рода, а в некотором интервале температур. Значения Тк и Нк у них больше, чем у сверхпроводников I рода. Соответственно для сверхпроводников II рода различают нижнее критическое поле Нк1, верхнее критическое значение поля Нк2. в таких сверхпроводниках токи не вытесняются на поверхность образца, а образуют цилиндрические каналы, пронизывающие весь объем. В центре канала куперовских пар нет, и сверхпроводимость отсутствует. При возрастании магнитного поля и достижении более высоких значений Нк2 нити, расширяясь, сближаются и сверхпроводящее состояние разрушается. При достижении критического значения поля Нк2 магнитное поле полностью проникает в объём сверхпроводника. Значения Нк2 для таких сверхпроводников, как Nb3Sn и PbMo6S составляют величину порядка105Э. Достаточно сильные магнитные поля, которые способны выдерживать эти сверхпроводники, позволяют использовать их в различного типа устройствах для создания сильного магнитного поля — системах магнитной подвески транспортных средств, устройствах удержания плазмы в термоядерных реакторах и т. д.

24) Сплавы высокого сопротивления имеют при нормальной температуре удельное сопротивление ρ ≥ 0,3 [мкОм • м]

При использовании сплавов высокого сопротивления в измерительных приборах и в качестве образцовых резисторов, они должны иметь:

высокое удельное сопротивление;

высокую стабильность удельного сопротивления во времени;

малый температурный коэффициент удельного сопротивления αρ;

малый коэффициент термо - э.д.с. в паре с медью.

В электронагревательных элементах:

должны быть способны работать длительное время в воздушной среде при температурах до 1000 0С.

Желательно, чтобы сплавы, используемые для приборов, изготавливаемых в больших количествах были дешевыми и не содержали дефицитных компонентов.

Манганин - наиболее широко используется для изготовления образцовых резисторов. Состав: медь (Cu) - 85%; марганец (Mn) - 12%; никель (Ni) - 3%.

Название происходит от латинского названия марганца - «manganum». Сплав имеет желтоватый цвет благодаря содержанию большого количества меди.

Константан - сплав в состав которого входят: медь (Cu) - 60%; никель (Ni) - 40%. Название «константан» объясняется значительной стабильностью его удельного сопротивления при изменении температуры. Устойчивость к нагреванию в константана есть выше чем в манганин, поэтому первый может применяться для изготовления реостатов, электронагревательных элементов и термопар для измерения температуры в пределах нескольких сотен градусов. Сплавы на основе железа - применяются в основном для электронагревательных элементов.

Большое влияние на срок эксплуатации нагревательного элемента, работающего в воздушной среде, имеют свойства оксида, образующегося на поверхности сплава. Чем меньше оксид улетучиться с поверхности металла, тем он лучше защищает металл от дальнейшего окисления в условиях высоких температур.

Специальные сплавы Сплавы для термопар

Для изготовления термопар используют следующие сплавы:

копель: 56% Cu + 44% Ni;

алюмель: 95% Ni + Al, Si, Mg;

хромель: 90% Ni + 10% Cr;

платинородий: 90 Pt + 10 Rh (радий).

Термопары могут использоваться для измерения следующих температур:

платинородий - платина - до 1600 0С;

хромель - алюмель - до 900 ÷ 1000 0С

хромель - копель, железо - копель, железо - константан - 600 0С;

медь - константан, медь - копель - до 350 0С.

25) Из числа твердых неметаллических проводниковых материалов наибольшее значение имеют материалы на основе углерода. Из угля изготавливают щетки электрических машин, электроды для прожекторов, электроды для дуговых электрических печей и электролитических ванн, аноды гальванических элементов. Угольные порошки используют в микрофонах, из угля делают высокоомные резисторы, разрядники для телефонных сетей.

В качестве сырья для производства электроугольных изделий можно использовать сажу, графит и антрацит. Природный графит – одна из модификаций чистого углерода слоистой структуры с большой анизотропией как электрических, так и механических свойств. Сажи представляют собой мелкодисперсный углерод с примесями слоистых веществ. Лаки, в состав которых в качестве пигмента добавлена сажа, обладают малым удельным сопротивлением и могут быть использованы для выравнивания электрического поля в электрических машинах высокого напряжения. Непроволочные резисторы, которые отличаются от проводных меньшими габаритами и высокой верхней границей номинального сопротивления изготовляют из природного графита, сажи, пиролитического углерода. Пиролитический углерод получают путем пиролиза (термического разложения без доступа кислорода) газообразных углеводородов (металла, бензина, гептана) в камере где находятся керамические или стеклянные основания заготовок резисторов.

Боровуглецеви пленки - могут быть получены пиролизом борорганичних соединений. Эти пленки характеризуются малым температурным коэффициентом удельного сопротивления. Используются для изготовления резисторов МЛТ.

26)Полупроводники́ — материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с ростом температуры. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.

При создании электронных приборов на основе кремния задействуется преимущественно приповерхностный слой материала (до десятков микрон), поэтому качество поверхности кристалла может оказывать существенное влияние на электрофизические свойства кремния и, соответственно, на свойства готового прибора. При создании некоторых приборов используются приёмы, связанные с модификацией поверхности, например, обработка поверхности кремния различными химическими агентами.

германий # Статическая диэлектрическая проницаемость ε = 16,0

# Ширина запрещённой зоны (300 К) Eg = 0,67 эВ

# Собственная концентрация ni=2,33·1013 см−3[5]

# Благодаря прозрачности в инфракрасной области спектра металлический германий сверхвысокой чистоты имеет стратегическое значение в производстве оптических элементов инфракрасной оптики: линз, призм, оптических окон датчиков. Наиболее важная область применения — оптика тепловизионных камер, работающих в диапазоне длин волн от 8 до 14 микрон. Такие устройства используются в системах пассивного тепловидения, военных системах инфракрасного наведения, приборах ночного видения, противопожарных системах. Германий также используется в ИК-спектроскопии в оптических приборах, использующих высокочувствительные ИК-датчики[. Материал обладает очень высоким показателем преломления (4,0) и требует использования антибликового покрытия. В частности, используется покрытие из очень твердого алмазоподобного углерода, с показателем преломления 2,0.

# Наиболее заметные физические характеристики оксида германия (GeO2) — его высокий показатель преломления и низкая оптическая дисперсия. Эти свойства находят применение в изготовлении широкоугольных объективов камер, микроскопии, и производстве оптического волокна.

27) Собственный полупроводник или полупроводник i-типа или нелегированный полупроводник (англ. intrinsic — собственный) — это чистый полупроводник, содержание посторонних примесей в котором не превышает 10−8 … 10−9%. Концентрация дырок в нём всегда равна концентрации свободных электронов, так как она определяется не легированием, а собственными свойствами материала, а именно термически возбуждёнными носителями, излучением и собственными дефектами. Полупроводник без примесей обладает собственной электропроводностью, которая имеет два вклада: электронный и дырочный. Если к полупроводнику не приложено напряжение, то электроны и дырки совершают тепловое движение и суммарный ток равен нулю. При приложении напряжения в полупроводнике возникает электрическое поле, которое приводит к возникновению тока, называемого дрейфовым током iдр. Полный дрейфовый ток является суммой двух вкладов из электронного и дырочного токов:

iдр= in+ ip,

где индекс n соответствует электронному вкладу, а p - дырочному. Удельное сопротивление полупроводника зависит от концентрации носителей и от их подвижности. В полупроводниках при повышении температуры вследствие генерации электрон-дырочных пар концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне увеличивается значительно быстрее, нежели уменьшается их подвижность, поэтому с повышением температуры проводимость растет. Процесс гибели электрон-дырочных пар называется рекомбинацией. Фактически проводимость собственного полупроводника сопровождается процессами рекомбинации и генерации и если скорости их равны, то говорят что полупроводник находится в равновесном состоянии.

28) Примесный полупроводник - это полупроводник, электрофизические свойства которого определяются, в основном, примесями других химических элементов. Процесс введения примесей в полупроводник называется легированием полупроводника, а сами примеси называют легирующими. Для равномерного распределения легирующей примеси в объеме полупроводника легирование осуществляется в процессе выращивания монокристалла полупроводника из жидкой или газообразной фазы. Роль примесей могут играть и всевозможные дефекты структуры кристаллической решетки полупроводника, такие как вакан­сии, междоузельные атомы, дислокации.

При малой концентрации примесей (1021...1023 м-3) примесные атомы создают дополнительные дискретные энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника. Такой полупроводник называется невырожденным. Повышение концентрации примесных атомов в полупроводнике до 1024...1025 м-3 сопровождается появлением в за­прещенной зоне полупроводника вместо дискретных уровней зон примесных уровней. Такие полупроводники называют вырожденными.

Различают два основных вида примесей, которые используются для преднамеренного легирования полупроводников и создающих преимущественно электронный или дырочный тип проводимости. Примеси, введение которых в полупроводник создает электронный тип проводимости, называются донорными. Примесь, создающая дырочную проводимость, называется акцепторной.

Электронные полупроводники. Полупроводник, легированный донорной примесью, называют полупроводником электронного типа (n-типа) проводимости или электронным полупроводником.

Электронный полупроводник: Электронная проводимость появляется в результате легирования полупроводника элементами, име­ющими большую валентность, чем валентность атомов из которых состоит полупроводник. Например, для Si и Ge, являющимися элементами 4 группы таблицы Менделеева, в качестве донорных примесей применяют элементы 5 группы, как правило это 15P, 35As, 51Sb.

Замещая узлы кристаллической решетки полупроводника, атомы донорной примеси отдают часть своих валентных электронов для создания ковалентных связей с атомами основного вещества и участвуют в создании дополнительных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника, как показано на рис. 1.25.

При образовании химической связи с атомом кремния один из пяти валентных электронов атома примеси оказывается "лишним" и переходит на стационарную орбиту вблизи атома примеси (рис. 1.25, а). У этого электрона существует слабая электростатическая связь с примесным атомом за счет кулоновского взаимодействия. Энергия кулоновской связи ΔWd составляет всего 0,03...0,05 эВ. Поэтому для перехода "лишнего" электрона в свободное состояние достаточно небольшой энергии, которую электрон может получить за счет тепловых колебаний кристаллической решетки. В результате атом донорной примеси становится положительно заряженным ионом.

Рассмотрим энергетическую зонную диаграмму полупроводника с электронным типом проводимости, изображенную на рис. 1.25, б. Как уже отмечалось, для того, чтобы пятый валентный электрон стал свободным, необходимо затратить энергию значительно меньшую, чем для разрыва ковалентной связи. В соответствии с этим энергетический уровень пятого валентного электрона на зонной диаграмме должен располагаться в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости, образуя дополнительный энергетический уровень донорной примеси с энергией Wd.

Дырочные полупроводники: Полупроводник, легированный акцепторной примесью, называют полупроводником дырочного типа (р-типа) проводимости или дырочным полупроводником.

Дырочная проводимость создается в результате легирования полупроводника элементами, имеющими меньшую валентность, чем валентность атомов, из кот­рых состоит полупроводник. Например, для Si и Ge, являющимися элементами четвертой группы таблицы Мен­делеева, в качестве акцепторных примесей применяют элементы третьей группы, как правило это 5B, 13Al, 31Ga, 49In.

Замещая узлы кристаллической решетки полупроводника, атомы акцепторной примеси захватывают валентный электрон от соседнего атома кремния для создания ковалентных связей с атомами основного вещества, превращаясь при этом в отрицательно заряженные ионы, и участвуют в создании дополнительных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника, как показано на рис. 1.26.

Механизм появления дырочной проводимости иллюстрируется на рис. 1.26, а. При образовании химической ковалентной связи с атомами Si или Ge все три валентных электрона атома акцепторной примеси участвуют в образовании ковалентных связей. Для создания четвертой (незавершенной) химической связи может быть захвачен электрон из ковалентных связей одного из ближайших соседних атомов кремния. У этого атома, в свою очередь, появляется незавершенная связь с соседним атомом кремния, которая называется дыркой.

У дырки существует слабая электростатическая связь с атомом кремния. Энергия этой кулоновской связи ΔWa, как и в случае электронных полупроводников, невелика и составляет всего 0,01...0,07 эВ. Поэтому для захвата дыркой электрона из ковалентной связи соседнего атома достаточно небольшой энергии, которую электрон может получить за счет тепловых колебаний кристаллической решетки. В результате обмена электронами между соседними атомами дырка может перемещаться по кристаллу полупроводника, осуществляя при приложении внешнего электрического поля дырочную проводимость.