Химия радиоматериалов, лекции Кораблевой А.А. (ГУАП)
Другие рефераты
Вступление
Для создания электронных приборов необходим целый арсенал материалов и
уникальных и тонких технологических процессов. Современная радиотехника и
особенно высокочастотная техника (радиосвязь), приборы и аппаратура
радиоэлектроники требуют большого количества конструкционных и специальных
радиотехнических материалов, свойства которых должны удовлетворять самым
разнообразным условиям их применения. Под радиотехническими материалами
принято понимать материалы, которые обладают особыми свойствами по
отношению к электрическому, магнитному и электромагнитному полям. Они
разделяются на 4 группы:
1) проводники
2) диэлектрики
3) полупроводники
4) магнитные материалы
Требования, которым должны удовлетворять радиоматериалы:
1) обладать высокими электрическими (магнитными) характеристиками.
2) нормально работать при повышенных, а иногда при низких температурах.
3) иметь достаточную механическую прочность при различных видах нагрузки,
устойчивостью к тряске, вибрации, ударам…
4) обладать достаточной влагостойкостью, химической стойкостью,
стойкостью к облучениям.
5) не иметь заметно выраженного старения.
6) удовлетворять технологичности, т.е. сравнительно легко обрабатываться.
7) быть недорогими и не дефицитными.
Глава 1
Классификация и основные сведения о проводниковых материалах
1.1 Виды проводников
Проводниками электрического тока могут служить твёрдые тела,
жидкости, а при соответствующих условиях и газы
Твёрдыми проводниками являются металлы, металлические сплавы и
некоторые модификации углерода. За последнее время получены также
органические полимеры. Среди металлических проводников различают:
а) материалы, обладающие высокой проводимостью, которые используют
для изготовления проводов, кабелей, проводящих соединений в микросхемах,
обмоток трансформаторов, волноводов, анодов мощных генераторных ламп и т.д.
б) металлы и сплавы, обладающие высоким сопротивлением, которые
применяются в электронагревательных приборах, лампах накаливания,
резисторах, реостатах.
К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные
электролиты. Как правило температура плавления металлов высока за
исключением ртути (-39°C), галлия (29,8°C) и цезия (26°C). Механизм
протекания тока обусловлен движением свободных электронов. Поэтому металлы
называются проводниками первого рода. Электролитами или проводниками
второго рода являются растворы солей, кислот и щелочей. Все газы и пары, в
том числе пары металлов при низкой напряженности не являются проводниками.
При высоких напряженностях может произойти ионизация газа, и ионизированный
газ, при равенстве числа электронов и положительных ионов в единице объёма,
представляет собой особую равновесную проводящую среду, которая называется
плазмой.
1.2 Кристаллическая структура металлов
Металлы имеют кристаллическое строение, но есть и аморфные. В
сплошном куске металла кристаллы его расположены случайным образом. Их
очертания имеют неправильную форму, но путём медленного выращивания из
расплавленного металла можно получить крупный кристалл, который называется
монокристаллом.
Метод Чохральского: получение монокристалла и очистка металла.
Медленно вытягивают из расплава монокристалл, примеси остаются в расплаве.
Монокристалл отличается мягкостью, но для его разрыва требуется большее
усилие чем для разрыва металла.
Возможны 6 вариантов кристаллических решеток металлов:
1) простая кубическая Kr = 6.
2) объёмно центрированная кубическая Kr = 8; Li, Na, K, Rb, Cs, Fe.
3) кубическая гранецентрированная, Kr = 12; Cu, Ag, Au, Cr, Mo, W,
Ca, Ni, Pt, Pd, Co, Ro, Ir, Rh, Fe.
4) октаэдрическая структура Kr = 6.
5) тетраэдрическая Ge, Pb, ?-Sn
6) гексагональная Mg, Be, Cd, Ru, Os.
Решетки металлов, принадлежащих одной подгруппе периодической системы,
обычно являются одинаковыми. Железо может кристаллизоваться в
гранецентрированную и в объёмно центрированную.
1.3 Металлическая связь
Как особый вид связи осуществляется в жидком и твёрдом
(кристаллическом) состояниях (имеется также и аморфное состояние металлов).
В парообразном состоянии металлические атомы имеют ковалентную связь (т.е.
общую электронную пару) и, следовательно, являются диэлектриками.
Элементарная решетка лития – кубическая объёмно центрированная,
следовательно, надо осуществить связь по крайней мере в элементарной
решетке Li9, а валентный электрон всего один и он должен находиться между
всеми восемью «соседями», поэтому он должен быть делокализован. МВС (метод
валентных связей) не описывает металлическую связь в кристаллах, она может
быть описана только методом молекулярных орбиталей (ММО) т.е. зонной
теорией твёрдого тела. Согласно зонной теории для всех металлов ширина
запрещённой зоны = 0, например: Na…3s1, Mg…3s2, Al…3s23p1.
Na
В зоне столько уровней, сколько атомов объединилось в кристалле, на каждом
уровне максимум 2 электрона. 100 атомов – 100 уровней, на которых может
быть 200 электронов, а есть только 100 электронов, следовательно, для Na и
других его аналогов, у которых содержится 1 электрон на валентном уровне,
валентная зона на половину заполнена, а следовательно, внутри валентной
зоны электрон может менять энергию, а значит участвовать в проводимости.
Значит валентная зона одновременно является зоной проводимости и ширина
запрещённой зоны для таких металлов = 0.
Mg
Содержит 100 атомов, следовательно, 100 уровней, может быть 200 электронов,
есть 200, следовательно, 3s зона (ВЗ) полностью заполнена, 3p – зона
проводимости ЗП получается из 3p подуровней. В случае с Mg ЗП накладывается
на ВЗ, и поэтому электрону не требуется большой энергии для перехода в эту
зону (?E = 0);
Al
ВЗ полностью заполнена и ?E = 0.
1.4 Электропроводность и теплопроводность металлов
? – электропроводность
? = enu [Ом-1 см-1] 106 – 104
Электроны в металле благодаря ничтожной массе и размерам обладают
значительной подвижностью. Обозначим эту подвижность через u [см2/(В с)].
Поэтому если к металлу приложить некоторую разность потенциалов, электроны
начнут перемещаться от отрицательного полюса к положительному, тем самым
создавая электрический ток. Удельная проводимость ? зависит от заряда
электрона и концентрации носителей, которая у большинства металлов
практически одинакова.
? = 1/ ? = RS/l; [Ом м]
? = h/(ke2n2/3)
где:
lср – длина свободного пробега электрона
k – постоянная Больцмана
n – концентрация
h – постоянная Планка
lср зависит от структуры металла. При одной и той же структуре она зависит
от радиуса атомов
Чистые металлы, имеющие совершенную кристаллическую решетку, обладают
наименьшим значением ?. Дефекты кристаллической решетки увеличивают
сопротивление вызывая рассеяние электронов.
? = ?чист+?примесей
При повышении температуры сопротивление увеличивается и причиной этого
является интенсификация колебаний кристаллической решетки. Теплопроводность
изменяется параллельно электропроводности.
1.5 Влияние различных факторов на удельную электропроводность.
(1) Зависимость удельного сопротивления проводников от температуры.
?Т = ?о(1+??Т)
?Т - ?о = ?о ??Т
?? = ??/(?Т) = d?/(?dT)
Для большинства металлов ?? = 1/273 = 0.004 К-1. Исключение составляют
металлы, относящиеся к магнетикам: Fe, Ni, Co и для них ?? отличается в 1.5
– 2 раза.
В настоящее время известно 23 металла, которые в интервале от 0.3 до
9.22 К обладают сверхпроводимостью
Таблица 1. Положение металлов, обладающих сверхпроводимостью.
|Подуровни |
| | |плавления |кипения | | |
|лёгкие цветные металлы |
|Al |2699 |660 |2060 |211.0 |0.0265 |
|Mg |1740 |650 |1107 |157.4 |0.047 |
|Ti |4540 |1800 |3400 |14.9 |0.47 |
|тяжелые цветные металлы |
|Ni |8900 |1455 |2730 |58.6 |0.068 |
|Zn |7140 |419 |907 |111.1 |0.059 |
|Sn |7300 |232 |2270 |63.1 |0.115 |
|Cu |8960 |1083 |260 |385.2 |0.0167 |
|Pb |11340 |327 |1740 |34.6 |0.2065 |
|малые цветные металлы |
|Mo |10200 |2625 |4800 |140 |0.0517 |
|W |19350 |3377 |6000 |160 |5.03 |
|благородные цветные металлы |
|Au |19320 |1063 |2600 |311 |0.0225 |
|Ag |10490 |960 |2210
| |  скачать работу |
Другие рефераты
|
