Материалы радиоэлектронных средств. А.С. Тусов

Рассматриваются основные виды материалов радиоэлектронных средств: конструкционные проводниковые контактные магнитные диэлектрические их свойства и области применения. Рецензенты: ВВЕДЕНИЕ Прогресс в любой области техники определяется достижениями в создании и изучении новых материалов. В то же время эффективное использование этих приборов трудно представить без таких материалов как например поликор и брокерит новые легкие сплавы диэлектрики для диапазона СВЧ ферриты и аморфные магнитные сплавы и т. Задача настоящего конспекта...

2014-06-17

3.86 MB

80 чел.


Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск


84

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ

РЫБИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АВИАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ им. П. А. СОЛОВЬЕВА

А. С. Тусов

Материалы радиоэлектронных средств

Конспект лекций

Рыбинск


УДК   621.315

Тусов А. С. Материалы радиоэлектронных средств: Конспекты лекций / РГАТА.Рыбинск, 2002..

Рассматриваются основные виды материалов радиоэлектронных средств: конструкционные, проводниковые, контактные, магнитные, диэлектрические, их свойства и области применения.

Конспект лекций предназначен для студентов специальности 200800, выполнен на кафедре радиоэлектронных и телекоммуникационных систем РГАТА. 

Рецензенты:
ВВЕДЕНИЕ

Прогресс в любой области техники определяется достижениями в создании и изучении новых материалов. Основные этапы развития радиоэлектроники связаны с новыми материалами для активных приборов РЭС. В то же время эффективное использование этих приборов трудно представить без таких материалов, как, например, поликор и брокерит, новые легкие сплавы, диэлектрики для диапазона СВЧ, ферриты и аморфные магнитные сплавы и т. п. В недалеком будущем ожидается прорыв в области высокотемпературной сверхпроводимости, в результате которого радикально изменятся многие привычные компоненты и узлы РЭС.

Основное отличие радиоэлектроники от других областей техники заключается в том, что материалы РЭС испытывают практически все известные внешние воздействия: электромагнитное поле, как в виде отдельных составляющих, так и в совокупности, а также механические, тепловые, химические, биологические, акустические, потоки частиц высоких энергий. Второе важное отличие: в одном изделии, узле и даже компоненте совместно используются (и, естественно, влияют друг на друга) весьма различные материалы. Наконец, материалы в РЭС, особенно в микроэлектронных структурах, используются в столь малых сечениях, что даже незначительная неоднородность строения делает все изделие неработоспособным.

Задача настоящего конспекта лекций состоит в сообщении студенту основных сведений о многообразии материалов РЭС, их классификации, свойствах и особенностях применения.

1 Классификация и свойства материалов

1.1 Определение понятия "материал"

ВЕЩЕСТВО есть совокупность взаимосвязанных атомов, ионов, молекул. Оно характеризуется исключительно химическим составом.

МАТЕРИАЛэто промежуточный продукт переработки вещества в изделия, отвечающий потребностям конкретного технологического процесса, имеющий обычно сложный химический состав, определенные внутреннюю структуру и внешнюю форму, несущий в себе, помимо основного вещества (веществ), примеси и следы предшествовавшей обработки.

Примеры веществ: железо, медь, кремний, полиэтилен, оксид алюминия.

Примеры материалов на основе тех же веществ: сталь электротехническая холоднокатаная изотропная марки 2421; круглая проволока (катанка) марки ММ из меди электротехнической марки М1; КДБкремний дырочный, легированный бором; полиэтилен высокого давления (ПЭВД) кабельный марки 102-02К; высокоглиноземная керамика ВК98-1.

Из примеров видно, как отражаются в наименовании материала его основные особенности. Более полные сведения о свойствах каждого материала содержатся в официальных источниках (ГОСТ, ТУ), а также в специальной справочной литературе.

ДЕТАЛЬэто изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марки материала без применения сборочных операций.

Как следует из определения, не являются деталями радиокомпоненты: резисторы, конденсаторы, полупроводниковые приборы и прочие. С другой стороны, нанесение тонкого покрытия из другого материала на поверхность детали не выводит ее из класса деталей.

Получением и изучением свойств материалов занимается прикладная наукаМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Содержание материаловедения можно кратко отразить формулой "составструктурасвойства". Здесь под структурой понимается характеристика взаиморасположения элементарных частиц, образующих твердое тело. Совокупность свойства и структуры называют СТРОЕНИЕМ.

1.2 Свойство, параметр, характеристика

Под СВОЙСТВОМ будем понимать словесное, в том числе сравнительное, описание особенностей материала. Например, медьхороший проводник, стеклотекстолит прочнее гетинакса, керамика отличается высокой теплостойкостью. Для точной оценки свойства нужно его количественное выражение, то есть, ПАРАМЕТР. Так, электропроводность характеризуется удельным электрическим сопротивлением, прочностьвременным пределом прочности на разрыв, теплостойкостьнагревостойкостью и так далее.

Параметры, характеризующие свойства материалов, определяют экспериментально по результатам испытаний. Для проведения испытаний используют специально подготовленные образцы материалов и испытательные установки. Проводят испытания по методикам, изложенным в соответствующих государственных или отраслевых стандартах.

Параметры материалов не являются неизменными величинами, они подвержены воздействию множества внешних факторов. Изменение параметра под действием внешнего фактора может быть отражено в виде ХАРАКТЕРИСТИКИ, которая представляет собой функциональную зависимость параметра от внешнего фактора.

Для получения характеристики проводят ряд экспериментов по определению параметра при различных значениях внешнего фактора. Полученные таким образом табличные данные можно преобразовать в график, а также аппроксимировать аналитической функцией.

Универсальными внешними факторами, от которых зависят все параметры всех материалов, являются температура и время. Из этого можно сделать вывод о том, что все параметры всех материалов абсолютно нестабильны, однако степень нестабильности различна и в ряде случаев может быть уменьшена. Так, для уменьшения температурной нестабильности материала изменяют его состав   (примерсплав суперинвар, имеющий минимальный температурный коэффициент линейного расширения); для уменьшения временной нестабильности, которая и сама по себе с течением времени уменьшается, пластины кварцевых резонаторов подвергают обработке, называемой "искусственным остариванием". Если нет возможности уменьшить температурную нестабильность, сужают диапазон изменения внешнего фактора, например, помещают чувствительные элементы в термостат.

1.3 Классификация материалов РЭС

В составе РЭС находит применение множество разнообразных материалов. Большинство их относятся к подмножеству электротехнических материалов. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМИ называют материалы, характеризуемые определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике с учетом этих свойств. В отличие от электротехники материалы радиоэлектронных средств обычно находятся под воздействием не только отдельных составляющих (магнитной и электрической) электромагнитного поля, но и их совокупности, кроме того, частотный диапазон воздействий на РЭС значительно шире, чем тот, что имеет место в электротехнических установках, и простирается до инфракрасного диапазона электромагнитных волн.

По поведению в магнитном поле материалы подразделяют на сильномагнитные (магнитные) и слабомагнитные (немагнитные).

По поведению в электрическом поле материалы подразделяют на ПРОВОДНИКОВЫЕ, ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ и ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ. Проводниковыми называют материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропроводность. Основными электрическими свойствами диэлектрических материалов являются низкая электропроводность, способность к поляризации и возможность существования в них электрического поля. Полупроводниковые материалы характеризуются промежуточными значениями электропроводности по отношению к проводникам и диэлектрикам. Особенностью их является исключительно сильная зависимость электропроводности от концентрации и вида примесей и других дефектов, от внешних факторов (температуры, освещенности и прочих).

Другой принцип классификации материалов основан на том, какую функцию в радиоаппаратуре выполняет тот или иной материал. По функциональным признакам различают следующие классы материалов: конструкционные металлы и сплавы; проводниковые материалы; диэлектрические материалы; полупроводниковые материалы; магнитные материалы; контактные материалы.

Вследствие многообразия свойств между классами материалов нет четких границ. Один и тот же материал в разных деталях может выполнять разные функции, а также совмещать в одной детали несколько функций. Например, медь широко используется как проводниковый материал, но из нее изготавливают корпуса полупроводниковых приборов, а иногда применяют как контактный материал. Стальной кожух прибора ограждает его внутренности от внешних механических воздействий, в то же время защищает прибор от внешних электромагнитных полей, или наоборот, защищает другие приборы от электромагнитных полей, создаваемых данным прибором.

1.4 Классификация свойств материалов

При выборе материала для изделия конструктору приходится иметь в ввиду не одно-два, а иногда десятки различных свойств материала. Для облегчения задачи выбора необходима, прежде всего, четкая классификация свойств материалов.

В соответствии с такой классификацией все свойства материалов подразделяют на физико-химические и потребительские. В свою очередь, физико-химические свойства включают функциональные (служебные) и технологические (обрабатываемость).

ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ называют свойства, определяющие  пригодность материала для создания изделий. Основными для деталей РЭС функциональными свойствами являются: электрические, магнитные, механические, теплофизические, химические, оптические, радиационные.

Свойства, характеризующие поведение материала при обработке, называются ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ. В зависимости от применяемых методов обработки (литье, холодная штамповка, резание, прессование, электрохимическая и такое прочее) наибольшее значение в конкретных случаях приобретают такие технологические свойства, как тепловые, прочность, твердость, пластичность, растворимость и так далее.

Деление физико-химических свойств на функциональные и технологические достаточно условно. Одни и те же свойства (например, твердость, химическая стойкость) могут быть для данного материала и функциональными, и технологическими.

ПОТРЕБИТЕЛЬСКИЕ свойства и характеристики материалов, как правило, вытекают из физико-химических и являются их следствием. К потребительским относятся экономические, экологические и эстетические свойства.

2 Механические свойства материалов

Механические свойства материала существенны и при его обработке (большинство методов формообразования деталей основано на деформировании материала под действием механических сил), и при эксплуатации изделия (на всякую деталь действуют механические силы, как минимумсилы тяжести самой детали). Они проявляются в виде ответной реакции на нагружение и формоизменение, когда в материале возникают внутренние механические напряжения.

К основным механическим свойствам материалов относятся:

- прочностьспособность материала противостоять действию сил без разрушения;

- жесткостьспособность материала в изделии сохранять форму под действием внешних сил;

- упругостьспособность материала восстанавливать форму и объем после прекращения действия внешних сил;

- пластичностьспособность материала необратимо деформироваться (изменять форму) под действием внешних сил;

- твердостьспособность материала противостоять проникновению в него тела из другого, более твердого материала;

- ударная вязкостьспособность материала не разрушаться под действием ударных нагрузок. 

Источниками внутренних напряжений в материале, вызывающими пластическую деформацию или разрушение, могут быть не только внешние силы, но и ряд других причин: физико-химические процессы в самом материале (сушка, полимеризация, фазовые превращения); температурные градиенты, возникающие при кристаллизации (рекристаллизации) или термообработке; изменение температуры многослойных структур, состоящих из материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения.

Под действием внутренних напряжений атомы (ионы, молекулы) смещаются со своих равновесных позиций, относительно которых они совершают тепловые колебания при отсутствии нагрузок. Это отражается на внутренней структуре материала и многих его свойствах.

По мере роста внутренних механических напряжений выявляются три стадии реакции на них материала:

- упругая деформацияобратимое изменение размеров и формы из-за изменения расстояния между атомами (ионами, молекулами);

- пластическая деформациянеобратимое скольжение, смещение отдельных частей твердого тела относительно друг друга, причем происходит это в результате зарождения и движения так называемых дислокациймикродефектов структуры;

- разрушениезарождение и распространение трещин, и образование новых поверхностей.

Вследствие не идеальности строения материалов и решающего влияния на их механические свойства разного рода дефектов (примесей, дислокаций, микротрещин) расчеты прочности материала по прочности химических связей его атомов (ионов, молекул) дают сильно завышенные результаты. Поэтому все параметры, характеризующие механические свойства материалов, определяют экспериментально на специальных установках.

2.1 Испытание материалов на растяжение

Испытания материала на растяжение проводят на разрывных машинах. Испытанию подвергают образцы материалов удлиненной гантелевидной формы (рис. 2.1) или отрезки проволоки.

В средней части образца выделяют контрольный отрезок длиной l0; его границы отмечают таким образом, чтобы, по возможности, не нарушать структуру материала. Концы образца делают более широкими для закрепления в зажимах разрывной машины.  Сечение  образца  на контрольном отрезке должно быть одинаковым по всей его длине. Переходы к концам выполняют плавно. В пределах контрольной длины на образце не должно быть видимых повреждений (трещин, вмятин, раковин) и посторонних загрязнений.

Рисунок 2.1Образцы для испытания на растяжение:

а) изготовленный на токарном станке; б) вырезанный из листа; в) отрезок проволоки.

l0начальная длина контрольного отрезка;

S0начальное сечение на контрольном отрезке.

Подготовленный образец устанавливают в разрывную машину, закрепляя концы в зажимах, и прикладывают к нему медленно нарастающее растягивающее усилие. В процессе испытания непрерывно измеряют расстояние между отметками контрольной длины. Ход эксперимента отражают в системе нормированных координат: по оси Х откладывают относительное удлинение 

s = (ll0)100 /l0 , %, где lтекущее расстояние между отметками контрольной длины; по оси Y откладывают механическое напряжение s = F/s0, где Fтекущее усилие в ньютонах. Размерность напряжения Н/м2 = Па, то есть размерность давления. Здесь следует отметить: поскольку образец удлиняется, его сечение должно уменьшаться, тогда истинное напряжение sn = F/S > s = F/S0, однако из-за сложности непрерывного измерения истинного сечения образца в ходе испытания его заменяют кажущимся:    s = F/S0.

Диаграмма (график) растяжения образца изображена на рис. 2.2, а. 

Рисунок 2.2

а) диаграмма растяжения; б) вид на участок контрольной длины с образующейся шейкой.

Начальное состояние образца характеризует рабочая точка О на диаграмме с координатами (0,0). Начальный участок диаграммы представляет собой отрезок прямой, выходящей из начала координат под углом . На этом участке материал подчиняется ЗАКОНУ ГУКА: "каково напряжение, такова и деформация", то есть

= E,

где Е ~ tg  –МОДУЛЬ УПРУГОСТИ (МОДУЛЬ ЮНГА), Па.

Особенность начального участка в том, что деформация на нем преимущественно упругая, то есть после нагружения в пределах отрезка ОА и снятия нагрузки длина образца возвращается к первоначальному значению. На самом же деле есть и остаточная деформация, но она очень мала. Однако с ростом нагрузки растет доля остаточной деформации, и когда остаточное удлинение достигает малой нормированной величины из ряда (0,001; 0,005; 0,02; 0,05 %), считают, что достигнут ПРЕДЕЛ УПРУГОСТИ при соответствующем напряжении 0,001; 0,005; 0,02; 0,05.

При дальнейшем росте напряжения отклонение от пропорциональности все более заметно, и вблизи точки В достигается такое состояние материала, при котором малому приращению напряжения соответствует значительный рост деформации: материал "течет". Напряжение 02 в точке В,  при котором остаточное удлинение составляет 0,2 %, называют  ПРЕДЕЛОМ ТЕКУЧЕСТИ,  а почти горизонтальный участок ВСПЛОЩАДКОЙ ТЕКУЧЕСТИ.

По истечении ресурса текучести от точки С к точке D происходит умеренная деформация с ростом напряжения. При подходе к точке D напряжение столь велико, что начинают сказываться неоднородности сечения и качества материала. В пределах контрольной длины всегда найдется одно наиболее слабое место, где либо сечение несколько меньше, либо материал менее прочен. В этом месте образуется и быстро развивается локальное сужение образца –"шейка" (см. рис. 2.2, б). Поскольку сечение в области "шейки" меньше, чем в остальных частях образца, истинное напряжение в ней наибольшее, а кажущееся F/S0 может быть и меньше, чем достигнутое наибольшее в точке D, равное в, поэтому график понижается к точке Е, где в области "шейки" происходит разрыв.

Величина в есть наибольшее кажущееся напряжение в точке D и называется ВРЕМЕННЫМ ПРЕДЕЛОМ ПРОЧНОСТИ НА РАЗРЫВ в.

Наибольшее удлинение образца в точке Е называется ОТНОСИТЕЛЬНЫМ УДЛИНЕНИЕМ ПРИ РАЗРЫВЕ и обозначается .

Кроме параметров, определяемых по диаграмме, измеряют площадь сечения образца в месте разрыва S и вычисляют ОТНОСИТЕЛЬНОЕ СУЖЕНИЕ ПРИ РАЗРЫВЕ

J = (S0S)100 /S0, %.

Таким образом, по результатам испытания на растяжение можно определить шесть параметров, характеризующих различные механические свойства материала. Величина Е характеризует жесткость, величина впрочность, величина 0,02упругость, величины 0,2, d , Jпластичность.

Вид диаграммы на рис. 2.2, а типичен для большинства металлов и сплавов. Другие материалы могут иметь иную форму диаграммы, без выраженной площадки текучести. Таковы, в частности, керамика, стекло, резина, хрупкие металлы.

Как известно, растягивающие усилияне единственные, действующие на элементы конструкции. Широко встречаются нагрузки сжатия, изгиба, сдвига и так далее. Параметры материалов, обнаруживаемые при этих видах нагрузок, также могут быть измерены в результате соответствующих испытаний.

2.2 Измерения твердости материалов

Как упоминалось выше, твердость есть свойство материала сопротивляться проникновению в него тела, изготовленного из другого, более твердого материала. На основании этого определения строится большинство методов измерения твердости как параметра.

Установка для измерения твердости включает испытательное достаточно твердое тело специальной формы и размеров, называемое ИНДЕНТОРОМ, механизм для внедрения индентора в образец исследуемого материала определенным усилием, и устройство для считывания результата испытания.

В качестве индентора используют стальной шарик (метод Бринелля), алмазную пирамиду (метод Виккерса), алмазный конус (метод Роквелла). По методам Бринелля и Виккерса индентор вдавливают известным усилием F в плоскую поверхность образца, затем индентор снимают и с помощью измерительного микроскопа измеряют размеры отпечатка. Далее рассчитывают площадь S поверхности отпечатка и относят к ней приложенное к индикатору усилие:

твердость = F/S.

Поскольку методы были разработаны до введения системы единиц СИ, размерность твердости получается в кг/мм2; поэтому в настоящее время размерности не указывают.

Измерение твердости по Роквеллу происходит иначе. Вначале алмазный конус внедряют в образец усилием F1 на глубину h1. Затем усилие снимают, индентор поднимают над образцом на некоторое время. Затем вновь погружают индентор в ту же лунку, но уже большим усилием F2 > F1, следовательно, он погружается на большую глубину h2 > h1. Твердость по Роквеллу отсчитывают по разности глубин (h2h1) с учетом усилий F1 и F2.

Твердость как параметр обозначают в зависимости от метода измерения:

твердость по Бринеллю;

НVтвердость по Виккерсу;

НRA, HRC, HRCэтвердость по Роквеллу в разных вариантах.

Рассмотренные методы широко применяют в машиностроении,  но для приборостроения и радиотехники они мало пригодны, так как требуют образцов толщиной порядка 10 мм. Для измерения твердости тонких материалов и покрытий пригоден метод определения микротвердости по Кнупу. Как и при методе Виккерса, индентором по Кнупу служит алмазная пирамида, но в основании ееромб с большим отношением диагоналей, поэтому размер отпечатка большей диагонали многократно превосходит глубину погружения индентора, что повышает точность отсчета.

Для оценки твердости сверхтвердых материалов (минералов, керамики и пр.) применяется минералогическая шкала (шкала Мооса). На этой шкале алмазу условно присвоено 10 баллов, мягкому талькубаллов; остальные материалы располагают следующим образом: берут пару образцов материалов и острым ребром одного пытаются поцарапать другой. Если царапина получается, значит, первый материал более твердый, чем второй. Перебирая попарно множество материалов, все их можно расставить по такой шкале.

2.3 Определение удельной ударной вязкости

Удельную ударную вязкость материалов определяют на установке, называемой маятниковым копром. Копер (рис. 2.3) содержит тяжелый маятник массой m, длина его подвеса l. Под точкой подвеса маятника находятся две уголковые опоры, на которые укладывают образец в виде прямоугольного бруса. В месте предстоящего удара со стороны, противоположной точке его приложения, в образце имеется U-образный вырез. 

При выполнении эксперимента образец укладывают на уголковые опоры, маятник отводят от положения равновесия на угол  и отпускают. Потенциальная энергия маятника к моменту удара его по образцу полностью превращается в кинетическую; часть этой энергии расходуется на разрушение образца, остальной энергией маятник отклоняется в противоположную сторону на угол .

Мерой удельной ударной вязкости служит удельная (на единицу сечения в месте удара) энергия, израсходованная на разрушение образца:

a = mgl(coscos)/S0,

где аудельная ударная вязкость, Дж/м2; S0площадь сечения образца в месте выреза, м2; g  9,81м/с2.

а)        б)

Рисунок 2.3К определению удельной ударной вязкости:

а) схема маятникового копра; б) вид на образец.

Хрупкие материалы имеют относительно небольшие значения удельной ударной вязкости (у стекол а = 13 кДж/м2), пластичные материалы характеризуются величиной а > 1000 кДж/м2, некоторые полимерные материалы (полиэтилен, полисульфон) вообще не разрушаются при испытании.

3 Теплофизические свойства

Наиболее общими для всех материалов РЭС теплофизическими свойствами являются теплопередача и тепловое расширение.

3.1 Теплопередача

Известны три способа теплопередачи: контактная через твердое тело вследствие теплопроводности; контактная через жидкости и газы за счет теплопроводности и конвекции; бесконтактная через газы и вакуум за счет теплового излучения.

Теплопроводность материала оценивают коэффициентом теплопроводности

= Pl/(TS),

где  –коэффициент теплопроводности, Вт/мК;

Ртепловая мощность, Вт, передаваемая через стенку площадью S, м2, и толщиной l, м, при разности температур на границах стенки T, К (или оС).

На рис. 3.1 изображена логарифмическая шкала коэффициентов теплопроводности ряда материалов, причем, слева от оси указаны диэлектрики и кремний, справаметаллы и сплавы.

Рисунок 3.1Шкала теплопроводности

Теплопроводность диэлектриков в целом, за исключением дефицитной и дорогой керамики ВеО (оксид бериллия), значительно ниже, чем у металлов и сплавов, теплопроводность пластмасс ниже, чем теплопроводность керамики и стекол. Поэтому, в частности, полупроводниковые приборы и микросхемы в пластмассовых корпусах имеют меньшие значения максимальных допустимых температур корпуса и окружающей среды, чем аналогичные приборы в металлических и металлокерамических корпусах.

Вследствие очень низкой теплопроводности воздуха соединения деталей, через которые должна происходить теплопередача, следует выполнять возможно более плотными, избегая воздушных промежутков. Повышает теплопроводность смачивание соприкасающихся поверхностей, например, мощного транзистора и радиатора, специальной теплопроводящей пастой КПТ-8, представляющей собой смесь мелкопорошковой бериллиевой керамики с невысыхающей кремнийорганической жидкостью.

При теплопередаче через жидкости и газы конвективная составляющая может быть резко усилена принудительным движением среды, например, электровентилятором, вмонтированным в корпус прибора. Еще большую плотность теплового потока можно получить при охлаждении нагретой зоны за счет испарения жидкого теплоносителя с последующей его конденсацией и возвратом к нагретой зоне. Такой принцип реализован в так называемых тепловых трубах.

Доля излучения при теплопередаче, подчиняющегося, как известно, закону Стефана-Больцмана, зависит от излучательной способности (степени черноты) нагретой поверхности. В таблице 1 представлены данные о величине  для некоторых материалов и покрытий.

Таблица 1Излучательная способность

Наименование материала и покрытия,

состояние поверхности

Алюминий: отливка в песчаную форму

 полированный

 прокатанный

 окисленная поверхность

 фольга

0,3

,051

,081

,20,3

,03

Медь: шлифованная

 окисленная

0,03

,57

Сталь: шлифованная

 окисленная

 оцинкованная 

0,50,6

,82

,28

Краски: матовые

 серые, черные

 защитно-зеленые

 алюминиевые

0,960,98

,870,90

,90

,280,70

3.2 Тепловое расширение

Для твердых тел параметром, характеризующим тепловое расширение, является температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) л:

л = dl/ldT, К.

Обычно для практики эту зависимость линеаризуют: л = l/, тогда линейный размер тела l при произвольной температуре Т

l = l0[1 + л(TT0)],

где l0тот же размер при температуре Т0.

Разные материалы имеют различные значения ТКЛР. Наименьшие они у суперинвара (сплав железо–никель–кобальт):

л = 0,510 К,

и у кварцевого стекла:

л = 0,6 10 К.

Наибольшие значения ТКЛР имеют пластмассы: л = (50200)10 К. Большое значение  имеет величина ТКЛР для хрупких материалов с большим модулем упругости, таких, как стекла и керамика. В изделиях радиоэлектроники есть множество соединений разнородных материалов: проводников и диэлектриков, проводников и полупроводников, полупроводников и диэлектриков. Каждое такое соединение, находясь под действием переменных температур (для кремниевых полупроводниковых приборов от 60 до +200 оС), должно оставаться прочным и в ряде случаев вакуум-плотным. Поэтому ТКЛР соединяемых между собой материалов должны быть согласованы между собой, то есть должно соблюдаться в диапазоне рабочих температур примерное равенство  л1л2. Достигается это, например, для электровакуумных стекол подразделением их на группы по ТКЛР, и каждая группа обозначается наименованием того металла или сплава, с которым имеет наиболее близкое значение ТКЛР: вольфрамовая, молибденовая, титановая, платинитовая (платинитбиметаллическая проволока, имеющая сердечник из никелевой стали Н-42 и медную оболочку; ТКЛР близок к ТКЛР платины), железная. Очевидно, для соединения со стеклом молибденовой группы нужно применять молибден, платинитовойплатинит и т. п.

При соединении металлов с пластмассами из-за низкого модуля упругости последних проблема обеспечения качества соединений трансформируется в необходимость хорошей адгезии (сцепления) материалов.

4 Конструкционные металлы и сплавы

Металлы и сплавы широко применяются для изготовления деталей конструкций РЭС. Сочетание качеств их таково, что позволяет при формообразовании применять широкий ряд технологических операций и достигать при этом высокой точности размеров, а при эксплуатации изделий обеспечивать их высокую надежность.

Применение металлов и сплавов в РЭС, в отличие от других областей техники, имеет особенности: 

- требование высокой прочности часто не является главным;

- малые размеры деталей требуют высокой однородности материалов, повышенной их чистоты, выпуска полуфабрикатов в малых и микросечениях;

- к металлам и сплавам в РЭС часто предъявляют специальные требования: немагнитность, коррозионная стойкость, определенные электрические и особые физико-механические свойства, высокая стабильность свойств и размеров деталей в различных эксплуатационных условиях.

4.1 Стали

Сталь относится к группе черных металлов. Представляет собой деформируемый сплав железа с углеродом плотностью примерно 7600 кг/м3. Углеродобязательный компонент стали, он обусловливает ее механические свойства и способность изменять их при термообработке.  Содержание углерода в стали находится в пределах от 0,05 %  до 1,6 %. При меньшем, чем 0,05 %, содержании углерода, материал называют техническим железом. При содержании углерода более 1,6 % получается чугун, который для деталей РЭС не применяют.

Кроме железа и углерода, сталь, как и всякий материал, содержит примеси. В их число входят примеси постоянные (обычные, неизбежные), примеси случайные (местные, отражающие, в частности, особенности состава исходного сырья) и примеси специальные (легирующие), введенные в состав стали при ее варке. Постоянные и случайные примеси, как правило, ухудшают качество стали. Специальные примеси вводятся в определенных количествах с целью изменения свойств стали.

Сталь, не содержащая специальных примесей, называется УГЛЕРОДИСТОЙ. Сталь, содержащая специальные примеси, называется ЛЕГИРОВАННОЙ.

В зависимости от качества различают сталь ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА, КАЧЕСТВЕННУЮ и ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННУЮ.

По назначению различают стали КОНСТРУКЦИОННЫЕ и ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ.

Примеры обозначения марок конструкционной углеродистой стали обыкновенного качества: Ст3кп, ВСт0сп, БСт5пс, где Стсталь, буквы В, Б (плюс не указываемая буква А) –группа качества стали, 3, 0, 5цифры, кодирующие содержание углерода (цифре 3 соответствует 0,140,22 % С), буквы сп (спокойная), пс (полуспокойная), кп (кипящая) обозначают стадию раскисления стали при окончании ее варки. Примеры обозначения марок конструкционной углеродистой качественной и высококачественной:

сталь 40, сталь А20, сталь 50А, сталь 110Л,  сталь 08,

где число соответствует среднему содержанию углерода в сотых долях процента; буква А перед числом указывает на то, что эта сталь, так называемая "автоматная", выпускается в виде прутковых профилей для переработки  в  детали на токарных автоматах;  буква А после числа обозначает высококачественную сталь;  буква Л  –сталь  литейная, предназначена для изготовления деталей литьем.

Примеры обозначения марок углеродистой инструментальной стали: У7, У10А, У14, где буква У обозначает тип стали (углеродистая инструментальная), число обозначает содержание углерода в десятых долях процента, буква А обозначает высококачественную сталь.

Система обозначения марок легированных сталей включает обозначение так называемого "базиса" стали как углеродистой качественной, дополненное перечнем легирующих элементов, обозначаемых буквами согласно таблице 2.

Таблица 2Обозначение легирующих элементов в стали

Наименование элемента

Обозначение

Хром

Никель

Марганец

Кремний

Бор

Молибден

Ванадий

Вольфрам

Медь

Алюминий

Титан

Кобальт

Х

Н

Г

С

Р

М

Ф

В

Д

Ю

Т

К

Примеры марок легированных сталей: 

Г, 30ХГСА, 51ХФА, 40Х13,

где число перед первой буквойто же, что и в обозначении марок конструкционных углеродистых сталей ("базис"); буквысогласно таблице 2, число после буквысодержание соответствующего легирующего элемента в процентах, Авысококачественная сталь.

Механические свойства стали определяются ее составом и предшествовавшей обработкой.

Зависимость механических свойств углеродистой стали от содержания углерода иллюстрирует рис. 4.1, сталь 85 в сравнении со сталью 10 имеет втрое большую прочность, вдвое большую твердость, но и в 5 раз меньшую пластичность.

Рисунок 4.1Зависимость механических свойств стали от содержания углерода

НВтвердость по Бринеллю; в, МПапредел прочности на разрыв; , %относительное удлинение при разрыве.

При механических воздействиях, вызывающих пластическое деформирование, что имеет место как при изготовлении проката на металлургических предприятиях, так и при изготовлении деталей, сталь упрочняется (нагартовывается), одновременно теряя пластичность. Повышение предела прочности на разрыв в зависимости от величины деформации может составлять до 1,5раз. Иногда это полезно, так как позволяет получить деталь более прочной, чем исходный материал, с другой стороны, менее прочный материал легче обрабатывать.

Мощным средством управления механическими свойствами стали является термообработка. Ее можно проводить по нескольким режимам, отличающимся максимальной температурой нагрева и скоростью охлаждения. При достаточно высокой температуре нагрева и быстром охлаждении кристаллическая структура стали, установившаяся в нагретом состоянии, не успевает перестроиться; сплав приобретает высокую твердость, но теряет пластичность и даже может становиться хрупким. Такой режим обработки называется закалкой. Если от высокой температуры материал охлаждать медленно, кристаллическая структура полностью перестраивается, сталь становится пластичной, но теряет прочность и твердость. Этот режим обработки называют отжигом. Если температура нагрева невысока, а скорость охлаждения мала, получается отпуск материала, при котором снимаются внутренние напряжения, механические свойства изменяются незначительно.

Для деталей РЭС возможности термообработки снижены из-за малости их размеров, вследствие чего теплообмен с окружающей средой происходит быстро, а окисление нагретых деталей изменяет размеры и ухудшает качество поверхностей. Чаще термообработке подвергают полуфабрикаты (листы,  полосы, ленты, прутки и т. п.) с целью повышения пластичности перед формообразованием.

Все углеродистые и низколегированные стали нестойки по отношению к коррозии. Железо легко окисляется кислородом воздуха в присутствии паров и капель воды и следов химически активных атмосферных загрязнений (соединения серы, хлора и т. п.). Образующиеся на поверхности стальной детали пленки продуктов коррозии непрочные и пористые, поэтому защитный слой из них не образуется, и коррозия может протекать неограниченно, проникая все глубже в материал. Особенно опасна коррозия для деталей РЭС, имеющих малые сечения. Для защиты от коррозии применяют защитные покрытия:

- оксидные и фосфатныена очищенной поверхности детали химическим, термическим или электрохимическим способом выращивают плотную пленку оксидов или фосфатов железа;

- металлическиетермическим, химическим или электрохимическим (чаще всего) способом на поверхность стальной детали осаждают тонкий слой (единицыдесятки микрометров) коррозионно стойкого металла; по стали обычно используют цинк, олово, кадмий и многослойные покрытия: медь–никель, медь–никель–хром;

- лакокрасочные.

Для внутренних, особенно мелких, деталей РЭС предпочтение отдают металлическим покрытиям цинком или кадмием, так как они электропроводящие, хорошо паяются мягкими припоями и практически не изменяют размеры деталей.

Для крупных деталей ограждающих конструкций (кожухов, панелей) лучше подходят лакокрасочные покрытия из-за их высоких декоративных характеристик.

Если покрытие применить нельзя, некоторой защитой от коррозии служит высококачественная обработка поверхности детали, обеспечивающая малую шероховатость поверхности (тонкое шлифование, полирование).

В целом сталь отличается хорошими технологическими свойствами. Ее можно обрабатывать литьем, холодной штамповкой, резанием. Углеродистая сталь хорошо паяется мягкими и твердыми припоями, сваривается разными способами. В РЭС углеродистая сталь широко применяется при изготовлении деталей конструкций, главным образом, наземной аппаратуры из-за своей относительно невысокой стоимости, доступности, хороших механических и технологических свойств.

4.2 Алюминий и его сплавы

Алюминийлегкий металл (плотность 2700 кг/м3), имеет невысокую температуру плавления (650 оС), хороший проводник электрического тока (удельное сопротивление 0,027 мкОм.м), немагнитный, в сухой атмосфере коррозионно-стойкий вследствие образования на поверхности плотной и прочной защитной пленки оксида Al2O3. Механические параметры чистого мягкого алюминия невысоки: предел прочности на разрыв в  60 МПа, твердость по Бринеллю НВ  25, однако они резко возрастают в результате деформаций. Поэтому чистый алюминий применяют для изготовления деталей способами, при которых максимально используются его ресурсы пластичности и происходит упрочнение, например, выдавливанием.

Для изготовления деталей обработкой давлением выпускаются четыре марки технического алюминия, отличающиеся содержанием примесей: АД00, АД0, АД1, АД.

Для упрочнения алюминия и расширения технологических возможностей его легируют, образуя сплавы. В зависимости от свойств различают сплавы: ДЕФОРМИРУЕМЫЕ, обрабатываемые давлением, и ЛИТЕЙНЫЕ, обрабатываемые литьем. Кроме того, те и другие хорошо обрабатываются резанием.

Среди деформируемых сплавов различают: 1) двойные и тройные, то есть сплавы алюминия с одним или двумя легирующими элементами, и 2) многокомпонентные, или дуралюмины.

Примеры обозначения марок двойных и тройных сплавов: АМг, АМц, АМг6, где Мг обозначает магний, Мцмарганец, то есть основные легирующие элементы, число 6порядковый номер стандартизации сплава.

Многокомпонентные сплавы обозначаются по схеме: Д<число>, где <число> –порядковый номер стандартизации сплава, например, Д1, Д16, Д23. Есть марки, обозначаемые иначе, но также относящиеся к многокомпонентным. Основным легирующим элементом в них служит медь.

Двойные и тройные сплавы менее прочны, но более пластичны, чем дуралюмины. Например, у отожженного сплава АМц в = 130 МПа,  = 23 %, у дуралюмина ВАД23 в = 540 МПа (как у стали),  = 4 %. Те и другие при пластическом деформировании упрочняются. Термообработкой можно модифицировать механические свойства.

Литейные сплавы  алюминия  перерабатываются  в детали литьем, поэтому их главными технологическими свойствами  являются  высокая жидкотекучесть, то есть способность в расплавленном состоянии заполнять узкие полости литейной формы, малая усадка при кристаллизации (уменьшает вероятность образования трещин) и малое газопоглощение. Наибольшей жидкотекучестью обладают СИЛУМИНЫдвойные сплавы алюминия с кремнием, но они же имеют низкую пластичность и удельную ударную вязкость. Поэтому большинство литейных сплавов в дополнение к кремнию или вместо него имеют в составе другие легирующие элементы: медь, магний, марганец.

Примеры обозначения марок литейных алюминиевых сплавов: АЛ2, АЛ7В, АЛ11. Механические параметры:

В = 200360 МПа,  = 16 %.

4.3 Магниевые сплавы

Магнийлегкий металл (плотность 1800 кг/м3), легче алюминия; температура плавления такая же, как у алюминия (650 оС). Общая коррозионная стойкость магния ниже, чем алюминия, так как пленка оксида МgО рыхлая и непрочная. Чистый магний имеет низкие прочность и пластичность, поэтому для изготовления деталей конструкций применяют исключительно сплавы: деформируемые и литейные. Примеры обозначения марок: деформируемыеМА1, МА5, МА10; литейныеМЛ1, МЛ7, МЛ15. Основные компоненты сплавов: марганец, алюминий, цинк, кремний. Кроме них, в составах используются многочисленные и разнообразные добавки, вплоть до редких металлов и серебра. Механические свойства близки к свойствам алюминиевых сплавов. Все магниевые сплавы отлично обрабатываются резанием. Используются магниевые сплавы в РЭС летательных аппаратов, где проявляется их основное достоинство: низкая плотность.

4.4 Медные сплавы

Медьдовольно тяжелый металл (плотность 8900 кг/м3), отличается высокой электропроводностью (удельное сопротивление 0,0172 мкОмм) и теплопроводностью, умеренной прочностью: предел прочности на разрыв составляет 200 МПа в отожженном и 400 МПа в деформированном состоянии; пластичность изменяется в широких пределах в зависимости от состояния металла.

Как конструкционный материал применяется редко, лишь в тех случаях, когда нужны ее высокие электро- или теплопроводность (электромагнитные экраны, корпуса полупроводниковых приборов, некоторые типы радиаторов). Сплавы меди имеют лучшие механические параметры, поэтому их используют для изготовления токоведущих деталей конструкций РЭС.

Медь и ее сплавы хорошо паяются мягкими припоями (на основе сплавов олово–свинец) с применением неактивных флюсов.

Медь и большинство ее сплавов немагнитны, поэтому их высокая электропроводность сохраняется и на высоких частотах.

Сплавы меди подразделяются на бронзы и латуни, причем, первые отличаются повышенными механическими свойствами, а вторые более технологичны.

Раньше бронзой называли сплав меди с оловом, однако в настоящее время широко применяются бронзы либо вообще не содержащие олова (безоловянные), либо имеющие в составе и другие легирующие элементы.

Среди бронз выделяются группа литейных и группа бронз, обрабатываемых давлением. Примеры марок литейных бронз: БрОЦС3-12-5, БрОЦС5-5-5, БрОЦСН3-7-5-1, где Брбронза, О, Ц, С, Нбуквенное обозначение легирующих элементов: олова, цинка, свинца, никеля; числа указывают процентное содержание элементов в том же порядке, что и их буквенные обозначения.

Литейные бронзы в РЭС применяются редко, например, при изготовлении элементов волноводных устройств на сверхвысоких частотах.

Гораздо шире в РЭС встречаются бронзы, обрабатываемые давлением. Из них изготавливают разнообразные и многочисленные упругие токоведущие элементы. Примеры обозначений марок таких бронз: БрОЦ4-3, БрОФ6,5-0,15, где Фобозначает фосфор; бронзы, содержащие фосфор, называют фосфористыми, у них хорошие упругие свойства и невысокая стоимость.

Весьма широка номенклатура безоловянных бронз. Примеры обозначения марок: БрА7, БрАМц10-2, БрАЖН10-4-4, БрБ2, БрБНТ1.7, БрКд1, где Аалюминий, Мцмарганец, Жжелезо, Нникель, Ббериллий, Ттитан, Кдкадмий.

Бронзы, содержащие алюминий, отличаются очень высокой коррозионной стойкостью, но хуже паяются.

Бериллиевые бронзы БрБ2, БрБНТ1.7 имеют очень высокие твердость, модуль и предел упругости, являются одним из лучших материалов для контактных и токоведущих пружин.

Кадмиевая бронза БрКд1, называемая также кадмиевой медью, отличается высокой износостойкостью при сухом трении, из нее изготавливают пластины коллекторов электродвигателей и других электрических машин. Бронзы обладают высокой коррозионной стойкостью и обычно не требуют защитных покрытий.

Латуньэто сплав меди с цинком и, возможно, другими легирующими элементами, в отожженном состоянии пластичный, при деформировании нагартовывается, хорошо обрабатывается давлением и резанием, паяется мягкими припоями, но заметно уступает бронзе в прочности, в упругих свойствах и, особенно, в износостойкости.

В РЭС латунь широко используется для изготовления токоведущих и контактных элементов: монтажных лепестков, штырей, выводов электрорадиоэлементов, проводящих деталей разъемов. Для защиты от коррозии и улучшения контактных свойств детали из латуни покрывают тонкими слоями никеля или благородных металлов: серебра, золота, палладия. Детали под пайку покрывают сплавами олово–висмут, олово–свинец.

Примеры марок двойных латуней, содержащих лишь медь и цинк: Л96, Л70, Л63, где, в отличие от обозначений марок других сплавов, число соответствует содержанию в сплаве меди, а содержание цинка дополняет указанное число до 100 %; так, в латуни Л70 70 % меди и 30 % цинка.

Латуни, содержащие, кроме цинка, и другие легирующие элементы, называются специальными:

ЛА77-2, ЛН65-5, ЛЖМц59-1-1, ЛС74-3, ЛС59-1, ЛК80-3,

где С означает свинец,  Ккремний,  остальные буквы имеют тот же смысл, что и в марках бронз.

Из специальных латуней наибольшую ценность для РЭС представляет свинцовая латунь (марки ЛС74-3, ЛС59-1 и др.), так как она очень хорошо обрабатывается резанием.

5 Проводниковые материалы

С точки зрения физики проводниковые материалы отличаются от прочих (полупроводников и диэлектриков) наличием свободных носителей электрического заряда и, как следствие, высокой электропроводностью. В РЭС применяют преимущественно проводники первого рода (металлы и сплавы,  углерод и композиции на их основе), обладающие электронным характером электропроводности. Проводники второго рода (с ионным характером электропроводности) используются в некоторых компонентах (гальванические элементы, аккумуляторы, электролитические конденсаторы, ионисторы) и в электрохимических технологических процессах.

Различают также материалы высокой проводимости, служащие для соединения между собой элементов электрических цепей, и материалы высокого удельного сопротивления, предназначенные для создания резистивных элементов электрических цепей.

5.1 Общие свойства проводниковых материалов

Основным свойством проводникового материала является электропроводность, оцениваемая в технике параметром, называемым УДЕЛЬНОЕ (ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ) СОПРОТИВЛЕНИЕ , Омм. Для тела постоянного сечения S и длиной l, между концами которого измерено сопротивление R,  = RS/l. Величина g = 1/, называется УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ.

Среди металлов и сплавов наименьшим удельным сопротивлением при нормальных условиях, как известно, обладает серебро; у него  = 0,016 мкОмм. Наибольшее удельное сопротивление имеет сплав Fe–Cr–Co–Al: 10 мкОмм. Величина удельного сопротивления зависит от состава и строения материала и от ряда внешних факторов.

Наиболее важным внешним фактором, влияющим на величину удельного сопротивления, является температура проводника. Как известно, с понижением температуры удельное сопротивление уменьшается, и при температуре, близкой к абсолютному нулю (0 К), многие металлы и сплавы становятся сверхпроводниками, то есть их удельное сопротивление падает до нуля. С повышением температуры удельное сопротивление растет.

Зависимость удельного сопротивления от температурыфункция нелинейная, однако, в сравнительно узком температурном диапазоне, характерном для элементов РЭС, в большинстве практических случаев ее можно линеаризовать:

(Т) = (Т0) [1 + л (ТТ0)],

где (Т0), (Т) –удельные сопротивления при температурах Т0 и Т соответственно,  лтемпературный коэффициент (удельного) сопротивления, ТКС, Кили оС . 

Величина ТКС у разных проводников различна. У большинства чистых металлов л ~ 410 К; у сплавов ТКС изменяется в широких пределах: от 110 К (сплав ЗлМг) до 1,810 К(ПлН4,5).

У меди л = 4,310 К, у алюминия л = 4,110 К. Это означает, что сопротивление медного проводника возрастает на 10 % с ростом его температуры на 23 оС и удваивается при повышении температуры на 230 оС.

Удельное сопротивление материалов зависит от их состава. Для технических металлов определяющим фактором является чистота, то есть содержание примесей, причем разные примеси влияют на величину удельного сопротивления в разной степени. Например, 0,1 % фосфора или 0,2 % железа снижают электропроводность меди вдвое. Столь сильное влияние объясняется тем, что атомы примесей нарушают регулярность кристаллической решетки проводника.

В сплавах со структурой твердого раствора, то есть таких, где атомы разных компонентов равномерно перемешаны в объеме, зависимость удельного сопротивления от состава (см. рис. 5.1) имеет вид плавной кривой (для двойных сплавов) с максимумом, значительно превосходящим наибольшее из удельных сопротивлений компонентов. Поэтому все проводники высокого удельного сопротивленияэто сплавы. 

Поскольку деформирование изменяет структуру материала, на удельное сопротивление проводника оказывает влияние предшествовавшая обработка. Наименьшее удельное сопротивление имеет отожженный материал. Так, у отожженной медной проволоки марки ММ  = 0,01724 мкОмм, у твердой неотожженной проволоки марки МТ удельное сопротивление зависит от диаметра проволоки и составляет 0,0178 мкОмм при диаметре в пределах от 1 до 2,5 мм и 0,0180 мкОмм при диаметре менее 1 мм. Аналогичные зависимости наблюдаются и в случае упругих деформаций: при растягивающих нагрузках удельное сопротивление возрастает, при сжимающихуменьшается.

Как известно, проводимость материала тем больше, чем больше средняя длина свободного пробега носителей заряда l. Размеры обычно применяемых проводников в диапазоне рабочих температур РЭС столь велики, что влияние поперечных размеров на проводимость не обнаруживается, однако, в тонких пленках эффект заметен и усиливается в чистых металлах и при понижении температуры, приводя к росту сопротивления.

Рисунок 5.1Зависимость удельного сопротивления сплава Аu–Ag от состава.

Как известно, градиент температуры вдоль разомкнутого проводника приводит к появлению на его концах ТЕРМОЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ (ТЕРМО-ЭДС). Причина возникновения термо-ЭДС состоит в том, что вовлеченные в тепловой поток электроны переносят электрический заряд. Термо-ЭДС разных металлов и сплавов различны по величине и по знаку (нагретый конец может быть или положительным, или отрицательным полюсом). В цепи из соединенных между собой проводников, изготовленных из разнородных материалов, возникает ЭДС, называемая КОНТАКТНОЙ РАЗНОСТЬЮ ПОТЕНЦИАЛОВ, причина ее в различии работ выхода электронов из разных металлов. При замыкании цепи контактные разности потенциалов компенсируются, когда все контакты находятся при одинаковой температуре, в противном случае в цепи возникает результирующая термо-ЭДС.

Величину термо-ЭДС пары разнородных проводников А и Б при разности температуры контактов в один градус характеризуют значением ОТНОСИТЕЛЬНОЙ УДЕЛЬНОЙ ТЕРМО-ЭДС SА-Б, В/К. Практически измерить всегда можно только суммарную термо-ЭДС одного проводника относительно другого при некоторой разности температуры Т, обозначаемую А-Б, В (ИНТЕГРАЛЬНУЮ ТЕРМО-ЭДС). Эти величины связаны между собой:

При этом  SА–Б = SАSБ = SА–ВSБ-В, 

где SА,  SБабсолютные удельные термо-ЭДС металлов А и Б,  SА–В, SБ–Вотносительные удельные термо-ЭДС металла А относительно металла В, металла Б относительно металла В соответственно.

Следовательно, нет необходимости знать абсолютные удельные термо-ЭДС, достаточно иметь значения относительных удельных термо-ЭДС относительно некоторого третьего материала, чтобы рассчитать интегральную термо-ЭДС в цепи, содержащей последовательно соединенные разнородные проводники. В технике обычно определяют удельную термо-ЭДС относительно меди, как основного проводникового материала. Однако, сложность в том, что и сама удельная термо-ЭДС зависит от температуры, причем зависимость эта в широком диапазоне температур обычно нелинейная, а для магнитных металлови немонотонная.

Явление возникновения термо-ЭДС используется для преобразования разности температур в электрическое напряжение в термопарах (спаях двух разнородных проводников) для измерения температуры и для получения электрической энергии в термоэлектрических генераторах. Это же явление в низковольтных электрических сигнальных цепях постоянного тока порождает дополнительную помеху.

В проводниках на переменном токе, как известно, существует ПОВЕРХНОСТНЫЙ ЭФФЕКТ (скин-эффект), выражающийся в том, что под действием создаваемого переменным током магнитного поля ток вытесняется из толщи проводника к его поверхности. В бесконечно толстом проводнике плотность тока j=i/S экспоненциально уменьшается по мере удаления от поверхности (рис. 5.2, а):

 ,

где j0плотность тока у поверхности проводника, А/м2; xрасстояние от поверхности, м.

Параметр экспоненты

где  –удельное сопротивление материала проводника,  Омм; fчастота тока,  Гц; 0= 4 10 Гн/ммагнитная постоянная; –относительная магнитная проницаемость материала проводника.

Изменение плотности тока по толщине для проводника конечной толщины иллюстрирует рис. 5.2, б.

Рисунок 5.2Поверхностный эффект:

а) плотность тока в проводнике бесконечной толщины; б) то же в проводнике толщиной h.

Вследствие неравномерного распределения тока по толщине проводника в нем возрастают потери энергии по сравнению с потерями на постоянном токе. Для уменьшения потерь известен ряд приемов и рекомендаций:

- для проводников на переменном токе использовать только немагнитные материалы;

- увеличивать суммарную поверхность проводника в том же сечении металла, заменяя проводник круглого сечения лентой, скруткой нескольких изолированных более тонких проводников или трубой;

- снижать шероховатость поверхности проводника качественной обработкой, а для защиты от коррозии покрывать благородными металлами.

Важность учета поверхностного эффекта иллюстрирует табл. 3, где указаны значения параметра экспоненты L в зависимости от частоты в медных проводниках. Если на низких частотах поверхностным эффектом можно пренебречь, то на частоте 10 кГц величина 2L одного порядка с диаметрами проводов в источниках вторичного питания на основе высокочастотных преобразователей, на частоте 100 МГц 95 % тока протекает в поверхностном слое толщиной 20 мкм, на частоте 10 ГГц (СВЧ диапазон с длиной волны 3 см) тот же слой составляет всего 2 мкм.

Таблица 3Параметр экспоненты

f, Гц

4

6

8

, мм

,6

,66

,066

,0066

Следует отметить, что изложенное верно лишь для уединенных прямолинейных проводников. В электромагнитных элементах (трансформаторах, дросселях, катушках индуктивности) на ток в проводнике действует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми витками и всеми обмотками, поэтому потери в проводнике на переменном токе еще более возрастают. В наибольшей степени влияние совокупного магнитного поля проявляется в электромагнитных элементах без магнитопровода.

5.2 Материалы высокой проводимости

Медьосновной материал для проводников в радиоэлектронике. Ее параметры при нормальных условиях:

- плотность 8890 кг/м3;

- удельное сопротивление (отожженной "стандартной") 0,0172 мкОмм;

- температурный коэффициент удельного сопротивления 4,310 К;

- термо-ЭДС относительно платины 1,410 В/К;

- коэффициент теплопроводности 400 Вт/мК;

- температурный коэффициент линейного расширения 16,410 К;

- температура плавления 1083 оС;

- предел прочности на разрыв: литой МПа, деформированнойдо 500 МПа, отожженной...280 МПа;

- относительное удлинение перед разрывом от 0,5 до 50 %, в зависимости от состояния;

- твердость (число Бринелля) –от 38 до 120.

В сухом воздухе медь почти не окисляется до температуры +200 оС, во влажном воздухе, особенно содержащем примеси (морские соли, сера и ее соединения и т. п.) наблюдается медленная коррозия.

Медные детали с чистой поверхностью хорошо паяются мягкими и твердыми припоями с применением неактивных флюсов. Свариваемость затруднена вследствие высокой теплопроводности.

Медь применяется в электротехнике, радиоэлектронике, связи для изготовления разнообразных проводов и кабелей, токоведущих деталей приборов, корпусов полупроводниковых приборов, печатных плат.

Алюминий является вторым по значению проводниковым материалом. Его основные параметры:

- плотность 2700 кг/м3;

- удельное сопротивление 0,028 мкОм.м;

- температурный коэффициент удельного сопротивления 4,1.10 К;

- коэффициент теплопроводности 209 Вт/мК;

- температурный коэффициент линейного расширения 2410 К;

- температура плавления +650 оС;

- предел прочности на разрыв: от 80 МПа (мягкий) до 170 МПа (твердый);

- относительное удлинение перед разрывом от 12 % (твердый) до 30 % (мягкий);

- число Бринелляот 25 (мягкий) до 33 (твердый).

На воздухе алюминий всегда покрыт тонкой пленкой оксида Al2O3, защищающей его от дальнейшего окисления. При обычной температуре алюминий не реагирует с водой и водяным паром, окисью углерода и углекислым газом.

Алюминий можно паять только специальными припоями с применением высокоактивных флюсов. Сваривается аргоно-дуговой и электроконтактной сваркой.

Соотношение между плотностями и удельными сопротивлениями меди и алюминия таково, что из двух проводников равной длины и равного электрического сопротивления алюминиевый должен иметь сечение в 1,63 раза больше, чем медный, однако масса алюминиевого проводника будет в 2 раза меньше. Кроме того, стоимость алюминия в несколько раз ниже стоимости меди. Однако при ограничении на габариты сопротивление алюминиевого проводника и потери мощности в нем при прохождении тока будут в 1,63 раза больше, чем у медного проводника. Поэтому в электротехнике применяют преимущественно алюминиевые кабели и провода, а обмотки электрических машин изготавливают из меди. В радиоэлектронике и связи определяющим фактором становится технологичность выполнения соединений, поэтому применяют медь, как легко паяющийся материал. В полупроводниковой электронике используют алюминий, так как медь при контакте с кремнием легко диффундирует в него и ухудшает параметры полупроводниковых структур.

Основные виды проводниковых изделий для радиоэлектроники: обмоточные провода; монтажные провода; радиочастотные кабели.

5.3 Обмоточные провода

Обмоточные провода предназначены для изготовления обмоток электрических машин (электродвигателей, генераторов и прочих), электромагнитных элементов (электромагнитов, реле, пускателей), индуктивных элементов (трансформаторов, дросселей, катушек индуктивности). Общим для всех перечисленных элементов является то, что обмотки в них размещаются в окнах магнитопроводов, и магнитопровод и обмотка как бы взаимно охватывают друг друга. Поэтому обмотка всегда может занимать лишь ограниченный объем и иметь ограниченное поперечное сечение. Очевидно, чем выше в этом сечении будет доля проводникового материала, иначе говоря, коэффициент заполнения окна магнитопровода проводниковым материалом, тем меньше сопротивление обмотки и меньше потери мощности в ней. Следовательно, электрическая изоляция витков обмотки друг от друга должна быть возможно тоньше.

Минимальной толщиной при заданных изолирующих свойствах обладает эмалевая изоляция. Эмаль обмоточного провода представляет собой сплошной тонкий слой полимерного материала, нанесенный на медную проволоку и прочно с ней сцепленный. При изгибах и растяжении провода эмаль не должна отслаиваться и растрескиваться. Эмаль должна длительно сохранять свои электроизоляционные свойства при повышенных температурах.

Промышленностью выпускаются несколько десятков марок обмоточных проводов в эмалевой изоляции. Большинство из нихкруглые медные, но есть и провода прямоугольного сечения, и алюминиевые.

Примеры марок обмоточных проводов:

- ПЭВ-1медный круглый с высокопрочной изоляцией из лака винифлекс, длительная рабочая температура +105 оС;

- ПЭТ-155то же, изолированный теплостойким лаком на полиэфиримидной основе, длительная рабочая температура +155 оС;

- ПЭТ-200то же, изолированный лаком на полиамидной основе, длительная рабочая температура +200 оС;

- ПЭВТЛ-1то же, изолированный полиуретановым лаком, лудящийся;

- ПЭСА - алюминиевый с полиформалевой изоляцией;

- ПЭВП - медный прямоугольный с поливинилацеталевой изоляцией.

Круглые медные провода выпускаются диаметром по меди от 0,02 до 2,50 мм,  алюминиевые,08...2,5 мм; прямоугольные имеют размеры  сторон  сечения  от 0,52 до 3,5512,5 мм.  Толщина эмалевой изоляции составляет от 0,007 до 0,07 мм в зависимости от диаметра (поперечного  размера)  провода.  Электрическая прочность изоляции оценивается пробивным напряжением, которое для проводов разных марок  и  разных  диаметров составляет от 100 до 4400 В.  В эмалевой изоляции допускаются микродефекты в количестве от 3 до 15 на длине 15 м.  Изоляция выдерживает навивание на стержень диаметром от одного до четырнадцати диаметров провода,  в зависимости  от  марки, или растяжение от 8 % до разрыва без растрескивания и отслоения.

Допустимая плотность тока в обмоточном проводе с эмалевой изоляцией составляет от 30 А/мм2 для миниатюрных тороидальных трансформаторов и дросселей до менее 1 А/мм2 в крупногабаритных изделиях. Величина ее обусловлена максимальной рабочей температурой изоляции и условиями охлаждения обмотки.

Кроме проводов с эмалевой изоляцией, выпускаются другие типы проводов:

- с эмалево-волокнистой и волокнистой изоляцией (кабельная бумага, хлопчатобумажные, полиэфирные, шелковые нити);

-со стекловолокнистой и асбестовой изоляцией;

- с пластмассовой и пленочной изоляцией.

Для радиоэлектроники и связи выпускают высокочастотные обмоточные провода, называемые "литцендрат", представляющие собой скрутку из нескольких (от 3 до 1075) отдельных изолированных эмалью проволок диаметром от 0,03 до 0,56 мм, некоторые имеют поверх скрутки оплетку из хлопчатобумажных, шелковых, полиэфирных нитей. Среди этих проводов наибольшую ценность с точки зрения технолога представляют провода с полиуретановой эмалью (марки ЛЭП, ЛЭПКО, ЛЭПШД), так как их можно лудить и паять без зачистки изоляции.

Вторым важнейшим медным проводниковым материалом являются монтажные провода и кабели.

Монтажный одножильный провод представляет собой одну или несколько свитых вместе круглых медных проволок (жилу), покрытую слоем пластмассовой изоляции. Проволоки могут быть разных диаметров, голые или покрытые другим металлом (оловом, серебром). Поверх жилы часто находится оплетка из хлопчатобумажных или синтетических нитей, служащая для тепловой изоляции пластмассовой оболочки от жилы при пайке. Поверх пластмассовой иногда выполняют оболочку из переплетенных нитей, а также электромагнитный экран: оплетку из переплетенных медных луженых или посеребренных проволок.

Примеры марок монтажных проводов:

- МШВс однопроволочной жилой, оплетенной хлопчатобумажными нитями, в поливинилхлоридной изоляции;

- МГШВто же гибкий (с многопроволочной жилой);

- МГШПто же в полиэтиленовой изоляции;

- МГШПЭто же экранированный;

- МПОс многопроволочной жилой в изоляции из облученного полиэтилена;

- МПО33-12с многопроволочной жилой из голых медных проволок в оплетке несколькими слоями ленты из фторопласта-4.

Максимальная рабочая температура проводов с поливинилхлоридной изоляцией +60 оС, с полиэтиленовой изоляциейдо +85 оС, с изоляцией из облученного полиэтиленадо +100 оС, с фторопластовой изоляциейот +120 до +250 оС.

Для вычислительной техники выпускаются плоские (ленточные) провода и кабели. В них несколько (от 3 до 60) отдельных жил расположены параллельно в одной плоскости и механически объединены общей изоляцией. Например, провод ПВП может иметь от 24 до 60 жил диаметром 0,2 мм при толщине провода 0,75 мм; шаг жил в плоскости проводаот 0,32 до 0,63 мм. Изоляция изготовлена из полиэтилена.

Для удобства монтажа и ремонта аппаратуры изоляцию проводов окрашивают в разные цвета.

Радиочастотные кабели предназначены для соединения приемных и передающих антенн с передатчиками и приемниками, а также для межприборного и внутриприборного монтажа в радиотехнических средствах, работающих на частотах свыше 1 МГц.  Из всех радиочастотных наиболее широко применяются кабели коаксиальные.

Коаксиальный кабель устроен следующим образом: центральный проводник (одно- или многопроволочная медная голая или покрытая оловом или серебром жила), вокруг него изоляция, в сечении имеющая вид кольца, поверх изоляции выполнена оплетка из медных голых или луженых, или посеребренных проволок, поверх оплетки обычно нанесена защитная непрозрачная пластмассовая оболочка.

Основные параметры коаксиального кабеля: волновое сопротивление, Ом, и коэффициент затухания, дБ/км, в зависимости от частоты. На величины этих параметров оказывают влияние вид и качество изоляции, а также соотношение диаметров: внутреннего оплетки и наружного центрального проводника. Различают кабели со сплошной изоляцией, в которых весь объем между оплеткой и центральным проводником заполнен изоляционным материалом, и с воздушной изоляцией, в которых на центральный проводник с определенным шагом нанизаны изоляционные колпачки или шайбы или объем заполнен пористой пластмассой.

Примеры марок радиочастотных коаксиальных кабелей:

- РК50-0,6-21с семипроволочным центральным медным проводником со сплошной изоляцией из фторопласта-4 без оболочки;

- РК50-1-11с однопроволочным посеребренным центральным медным проводником со сплошной полиэтиленовой изоляцией и в оболочке из полиэтилена;

- РК75-1-12с лужеными внутренним и  внешним  проводниками;

- РК100-7-13с полиэтиленовой изоляцией в поливинилхлоридной оболочке.

Обозначение марки состоит из букв РК (радиочастотный коаксиальный) и трех чисел. Первое число означает номинальное волновое сопротивление в Ом, второеноминальный диаметр изоляции в миллиметрах, третьегруппу изоляции и порядковый номер разработки.

5.4 Материалы высокого удельного сопротивления

Материалы высокого удельного сопротивления применяются в прецизионных (особо точных) резисторах, в переменных резисторах, в нагрузочных и нагревательных элементах.

Для прецизионных резисторов необходимы материалы, отличающиеся высокой стабильностью, поэтому при достаточно большом удельном сопротивлении они должны обладать возможно меньшими температурным коэффициентом удельного сопротивления и термо-ЭДС по отношению к меди. Таковы сплавы системы медь–никель, легированные другими металлами. Удельное сопротивление их составляет около 0,45 мкОмм, ТКС = (1...10)10 К, термо-ЭДС относительно меди равна (–,2...+1) мкВ/К. Примеры сплавов: МНМц3-12манганин, МНМц40-1,5константан. Сплавы выпускаются, главным образом, в виде проволоки диаметром 0,02...6 мм, голой или изолированной эмалью: обычным лаковой или стеклянной (тонким слоем легкоплавкого стекла).

Материалы для переменных резисторов должны обладать также высокой износостойкостью и хорошими контактными свойствами. Медно-никелевые сплавы удовлетворяют этим требованиям, поэтому их применяют для изготовления не только постоянных, но и переменных резисторов.

Материалы для нагрузочных и нагревательных элементов должны быть, прежде всего, жаростойкими, т. е. не окисляться при высокой температуре. Точность и стабильность от них обычно не требуется, но желательно высокое удельное сопротивление. К этим материалам принадлежат сплавы на никелевой основе (нихромы) и сплавы на железной основе.

Примеры марок нихромов: Х20Н80, Х15Н60-Н, ХН60Ю3 (остальное железо). Удельное сопротивление их 1,05...1,20 мкОмм, ТКС = (90...160)10 К, длительная рабочая температура до 1000 оС, сплавы немагнитны.

Сплавы на железной основе дешевле нихромов, имеют несколько большее значение удельного сопротивления (до 1,4 мкОмм), и такую же или несколько более высокую длительную рабочую температуру, однако менее технологичны из-за повышенной хрупкости в холодном состоянии, и большей частью ферромагнитны. Примеры сплавов: Х13Ю4, Х15Ю5, Х23Ю5Т, Х27Ю5Т.

Сплавы на никелевой и железной основах выпускаются в виде проволоки, прутков, лент. Из нихромовой проволоки диаметром 0,02...0,4 мм изготавливают провод, изолированный высокопрочной эмалью, применяют ее также для износостойких переменных резисторов.

МАТЕРИАЛЫ ВЫСОКОГО УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ БЛАГОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ (серебра, золота, платины, палладия) из-за высокой стоимости применяют в особо ответственных случаях для изготовления высокоточных сопротивлений, работающих в условиях повышенной температуры и влажности в агрессивных средах, а также В КОНТАКТЕ С БИОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ. Они имеют удельное сопротивление в диапазоне от 0,1 до 1,2 мкОмм, температурный коэффициент удельного сопротивления от менее 110 К (сплав СрМц1008) до 1810 К(ПлН4,5), термо-ЭДС в паре и медью от + 0,5 мкВ/К, высокую износостойкость и хорошие контактные свойства (ПдСр40).

В непроволочных резистивных элементах (непроволочные пленочные и композиционные резисторы, композиционные нагревательные элементы) резистивный материал используется либо в виде тонкой пленки, нанесенной на диэлектрическое основание, либо в виде порошкообразной композиции (смеси с изоляционным порошком), спрессованной в виде стержня.

Для изготовления пленочных резисторов используют кремниевые резистивные сплавы типа РС (сплавы кремния с хромом, никелем, железом), сплавы типа МЛТ (SiFe–Cr–Ni–Al–W), углерод.

6 Контактные материалы

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТАКТэто место перехода тока из одной токоведущей детали в другую. Электрические цепи радиоэлектронных средств содержат множество таких контактов. Одни контакты замыкаются во время сборки прибора и более не размыкаются, их называют монтажными или неподвижными. Другие замыкаются и размыкаются относительно редко, таковы контакты выключателей, переключателей, разъемов. Третьи замыкаются и размыкаются до сотен раз в секунду, например, контакт между щеткой и коллекторными пластинами в электродвигателе. Замыкание–размыкание одних контактов происходит при отсутствии тока и напряжения в цепи (разъемы, монтажные контакты), другие контакты коммутируются под током (реле, выключатели, переменные резисторы).

Различают КОНТАКТЫ ЦЕЛЬНОМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ и КОНТАКТЫ ИСТИННЫЕ. В цельнометаллических контактах, полученных пайкой или сваркой токоведущих деталей, физическая граница между материалами контактирующих тел отсутствует, так как она была разрушена в результате расплавления и перемешивания материалов при сварке или устранена за счет смачивания проводника припоем и его диффузии в проводник при пайке. Истинные контакты образуются вследствие сближения и взаимного прижатия контактирующих тел, и физическая граница между телами при нормальном функционировании контакта сохраняется. Исчезнуть она может только при перегрузке и оплавлении контакта, который станет цельнометаллическим, но размыкаться уже не сможет.

В зависимости от условий работы различают истинные контакты ЗАЖИМНЫЕ, РАЗРЫВНЫЕ и СКОЛЬЗЯЩИЕ. В реальных конструкциях контактов наблюдается обычно сочетание признаков разных типов контактов.

В дальнейшем  будем рассматривать истинные контакты,  так как процессы, происходящие в них,  наиболее сложны и часто  определяют качество функционирования РЭС.

6.1 Основы контактирования

В истинных контактах основные явления происходят на рабочей поверхности контактных тел. Поверхность эта всегда в той или иной степени шероховатая и может быть покрыта пленкой оксидов и иных загрязнений. Рассмотрим прохождение тока через замыкающиеся контакты.

На рис. 6.1а изображена замыкающаяся контактная пара, включающая две плоские пружины 1, закрепленные консольно и параллельно друг другу. На свободных концах пружин укреплены контактные тела 2, своими рабочими полусферическими поверхностями обращенные друг к другу. В исходном состоянии пружины параллельны, и расстояние между ними таково, что между контактами есть воздушный зазор. Для замыкания к одной из пружин прикладывается внешняя сила F, изгибающая пружину до такой степени, чтобы контакты сблизились до соприкосновения и часть силы F (контактное усилие Fк) передавалось от верхнего контакта нижнему, а через негонижней пружине, которая также изгибается, но в меньшей степени, чем верхняя. Так устроены и работают контакты многих реле и переключателей.

Если посмотреть такую замкнутую контактную пару на просвет, в месте соприкосновения полусфер есть непрозрачный участок, определяющий КАЖУЩУЮСЯ ПЛОЩАДЬ ПОВЕРХНОСТИ КОНТАКТИРОВАНИЯ Sкаж. Плотность коммутируемого тока jкаж= I/Sкаж обычно невелика, измеряется десятыми долями А/мм2. Однако на самом деле в месте соприкосновения контактов ток протекает через весьма малые по площади участки.

На рис. 6.1,б изображена замкнутая контактная пара в разрезе и при большом увеличении. Поверхности контактных тел шероховатые, поэтому соприкасаются они лишь в некоторых местах выступающих шероховатостей 3. В эти места стягиваются линии тока, поэтому плотность тока в местах истинного контактирования намного больше, чем в самих контактных телах. С другой стороны, сопротивление проводника R= l/S, где  –удельное сопротивление материала, lдлина и Sпоперечное сечение проводника, следовательно, сопротивление в месте истинного контактирования из-за малости сечения будет велико. Это как бы добавочное сопротивление в цепи с замкнутым контактом называется ПЕРЕХОДНЫМ, или КОНТАКТНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ. Рассчитать точную величину переходного сопротивления  невозможно,  так как на него оказывает влияние ряд факторов. Во-первых, шероховатость поверхности контактов. Если она велика, количество мест истинного контактирования уменьшается. Если шероховатость уменьшить, будут сказываться микронеровности поверхности, и количество мест истинного контактирования также уменьшится. Следовательно, шероховатость поверхности контактных тел должна быть оптимальной для данных условий. Во-вторых, на величину площади сечения в месте истинного контактирования влияют контактные усилия и свойства материала. Под действием усилия, приходящегося на каждую область истинного контактирования, выступающие шероховатости сплющиваются, и площадь контактирования возрастает. В то же время из-за понижения высоты сплющивающихся выступов контакты сближаются, и начинают соприкасаться новые выступы, в результате возрастает общая площадь истинного контактирования и снижается переходное сопротивление. Однако чрезмерное усилие может вызвать скалывание частиц и механический износ контактов, или даже деформирование контактных тел.

Рисунок 6.1К принципу действия контактов:

а) –замыкающаяся контактная пара: 1контактные пружины, 2полусферические контакты;

б) –прохождение тока через контакты (в разрезе): 3место истинного контактирования,  4линии тока.

При протекании тока в переходном сопротивлении rп выделяется тепловая мощность Рп=rпI2, причем выделяется она в местах истинного контактирования, приводя к локальному повышению температуры (перегреву). Тепловая мощность отводится за счет теплопроводности в контактные тела и затем рассеивается в окружающем пространстве. Очевидно, локальный перегрев тем меньше, чем меньше коммутируемый ток и переходное сопротивление и чем больше теплопроводность и площадь поверхности контактов.

В результате локального перегрева снижается прочность и упругость металла в местах истинного контактирования, выступающие шероховатости сплющиваются, переходное сопротивление уменьшается, уменьшается выделяемая тепловая мощность, снижается температура перегрева, иначе говоря, происходит стабилизация переходного сопротивления в данных условиях тока, контактного усилия и температуры окружающей среды. При превышении допустимой температуры возможно сваривание контактов с исчезновением переходного сопротивления, но и с утратой способности к размыканию. Поэтому максимальный допустимый коммутируемый ток не должен превышаться.

Многие металлы и сплавы на воздухе окисляются. Оксидные пленкиплохие проводники или диэлектрики, их наличие на контактных поверхностях препятствует контактированию. Окисление ускоряется с ростом температуры. Кроме оксидов, на поверхности многих металлов образуются пленки сульфидовчасто еще более прочные и менее проводящие, чем оксиды. При повышении температуры скорость образования оксидов и сульфидов возрастает, однако при достаточно высокой температуре (в местах истинного контактирования) некоторые оксиды восстанавливаются до металла.

Кроме оксидов и сульфидов, на поверхностях контактных тел могут находиться и пленки иного происхождения: загрязнения или специальная смазка. Пленка жидкого смазочного состава уменьшает трение и, следовательно, механический износ контактов при замыкании и размыкании, а также защищает поверхность металла от контакта с атмосферой, предотвращает окисление.

При замыкании контактов, покрытых непроводящими твердыми пленками, прохождение тока возможно в результате:

- механического продавливания или сдирания пленки выступающими шероховатостями;

- электрического пробоя напряжением, имеющимся на разомкнутых контактах;

- прохождения тока через неповрежденную пленку вследствие туннельного эффекта (фриттинга).

Механической самозачистке контактов способствует их рациональная конструкция. Так, в контактах по рис. 8а при их соприкосновении имеет место взаимное проскальзывание в направлении, перпендикулярном направлению силы; выступающие шероховатости взаимно зацепляются, сдирая частички металла вместе с пленками, в результате ценой некоторого механического износа обеспечивается более надежное замыкание.

Электрический пробой пленок происходит, когда напряженность электрического поля в них достигает десятков и сотен вольт на микрометр толщины. Очевидно, это менее вероятно в низковольтных цепях. Если же пробой происходит, то пленка частично восстанавливается до металла, частично разрушается за счет энергии пробоя.

Фриттинг не сопровождается разрушением пленки, однако ток через пленку проходит вследствие высокой напряженности электрического поля в ней. Это явление нежелательно, так как приводит к большому (до 0,5 В) падению напряжения между контактами, отдельные атомы увлекаются в проводящий канал и образуют мостики между контактами, затрудняющие размыкание и ухудшающие условия последующих замыканий.

В контактах при замыкании и размыкании наблюдается ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИЗНОС (ЭРОЗИЯ), вызываемый плавлением, испарением, распылением и переносом под действием электромагнитных полей материала с одного контакта на другой. При эрозии на одном контакте образуется кратер, на другомвыступ, затрудняющие последующие коммутации. Характер и выраженность эрозии зависят от материала контактов, силы тока, величины и формы коммутируемого напряжения, от направления коммутации (замыкание или размыкание), от характера нагрузки в коммутируемой цепи. Так, емкостная нагрузка подавляет эрозию при размыкании контакта, но усиливает при замыкании, индуктивная нагрузка действует наоборот. Поэтому в состав коммутируемых электрических цепей часто вводят дополнительные элементы, способствующие снижению электрической нагрузки на контакты в моменты коммутации. Пример защиты контакта в цепи с мощной активно-индуктивной нагрузкой изображен на рис. 6.2.

Рисунок 6.2Защита контакта в цепи с активно-индуктивной нагрузкой.

Параллельно размыкающемуся контакту S включены конденсатор С и резистор R. В момент размыкания S напряжение на образующемся контактном промежутке US(t)~ It/C + IR, что, очевидно, много меньше, чем

возникающие при  отсутствии RC-цепи.  При замыкании S конденсатор, заряженный  в  паузе  до  Um,  разряжается   через  контакт  током

На рис. 6.3 изображена защита цифрового устройства от дребезга контактов.  В момент коммутации существует непродолжительный (единицы миллисекунд) отрезок времени, когда контактные тела соприкоснулись (при замыкании), но еще движутся один относительно другого, и в электрической цепи это проявляется как хаотичное изменение состояния "замкнуто–разомкнуто". Схема по рис. 6.3, в позволяет устранить дребезг.

Рисунок 6.3Защита от дребезга контакта:

а), б) –схема и временная диаграмма срабатывания замыкающегося контакта; в) –схема формирования сигнала от переключающего контакта. 


.2.
 Основные свойства контактных материалов

Необходимые свойства контактных материалов должны обеспечивать хорошее контактирование и высокую износостойкость, уменьшая влияние трех главных видов износа контактов: эрозии, коррозии, сваривания.

Перечислим необходимые основные свойства и характеристики контактных материалов:

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ: высокие электро- и теплопроводность, высокие параметры дуги (напряжение и минимальный ток, при которых дуга возникает и может существовать), значение работы выхода электрона и потенциала ионизации; высокое поверхностное натяжение в жидком состоянии; малые угол смачивания, атомный объем и термо-ЭДС в паре с медью;

МЕХАНИЧЕСКИЕ: высокие твердость, пределы прочности на сжатие и на сдвиг, умеренные модуль упругости и пластичность, низкий коэффициент трения;

ТЕРМИЧЕСКИЕ: высокие температуры рекристаллизации, плавления, кипения, высокие теплоемкость, скрытая теплота плавления и испарения, низкая упругость пара при температурах дуги;

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ: высокий электродный потенциал, малое химическое сродство к элементам среды, малая механическая и электрическая прочность пленокпродуктов коррозии;

СТРУКТУРНЫЕ: простой вид кристаллической решетки; для сплавовструктура твердого раствора, для композицийтонкодисперсное распределение фаз.

В зависимости от величины коммутируемого тока контакты подразделяются на СЛАБОТОЧНЫЕ (на ток до единиц ампер) и СИЛЬНОТОЧНЫЕ (ток от единиц до тысяч ампер).

6.3 Материалы для слаботочных контактов

Слаботочные контакты обычно изготавливаются из благородных и тугоплавких металлов, преимущественно серебра, платины, палладия, золота, вольфрама и сплавов типа твердых растворов на их основе.

СЕРЕБРО широко применяется в контактах разных мощностей, за исключением прецизионных контактов с малой силой контактного нажатия. Самые высокие значения коэффициента теплопроводности и удельной электропроводности наряду с достаточно высокой теплоемкостью обеспечивают по сравнению с другими металлами наименьший нагрев контактов и быстрый отвод тепла. Серебро имеет невысокие твердость и механическую прочность в отожженном состоянии, но они могут быть значительно повышены пластическим деформированием. Пленка оксида серебранепрочная и полупроводящая, поэтому мало сказывается на контактировании. Главный недостаток этого металлалегкость образования на поверхности прочной и непроводящей пленки сульфида серебра Ag2S в результате взаимодействия с сероводородом, всегда присутствующим в атмосферном воздухе, а также выделяемым резиной и некоторыми пластмассами.

Серебро пластично, хорошо обрабатывается, паяется мягкими припоями и сваривается. В контактах применяется в виде заклепок, расклепанных в отверстии контактодержателя, напаянных пластин либо тонких гальванических покрытий.

Для повышения прочности и износостойкости серебро легируют медью, никелем, кадмием, цирконием и другими металлами. Примеры марок серебра и его сплавов для контактов: Ср999; СрМ925 (92,5 % Ag, остальное Cu и примеси), СрН-0,1 (0,1 % Ni), CpKд56-14 (14 % Cd). Сплавы серебро–золото устойчивы к образованию оксида, а при содержании золота не менее 50 %и сульфида серебра.

ЗОЛОТО в чистом виде используется лишь в виде тонких гальванических покрытий для редко коммутируемых контактов разъемов или в прецизионных контактах, работающих при малых механических и электрических нагрузках. Золото пластично, не окисляется, не образует соединений с серой, но склонно, как и серебро, к эрозии и свариванию. Для улучшения механических свойств золото легируют серебром, никелем, магнием, цирконием, платиной, палладием.

ПЛАТИНА в чистом виде редко применяется для контактов, но служит основой для хороших контактных сплавов, придавая им высокую дугостойкость и коррозионную стойкость. Платину легируют никелем, иридием, родием, рутением, вольфрамом, молибденом. Применяют для контактов, работающих в особо тяжелых условиях (высокая частота коммутации, высокая температура, агрессивная среда и т. п.).

ПАЛЛАДИЙ уступает платине как контактный материал, однако дешевле ее, поэтому используется как заменитель платины. Легируют палладий серебром, никелем, кобальтом, иридием, медью (до 40 % Cu).

Из-за высокой стоимости благородные металлы, кроме серебра, используются преимущественно в виде гальванических покрытий толщиной до 20 мкм, причем твердость, механическая прочность и стойкость к эрозии получается значительно выше, чем в толстых слоях того же металла. Выпускаются также биметаллические полуфабрикаты (полосы, проволока, заклепки), сердцевина которых выполнена из неблагородного металла или сплава (меди, бронзы, латуни), а сверху имеется оболочка из тонкого слоя серебра, золота или их сплавов.

6.4 Материалы для сильноточных контактов

Для сильноточных контактов применяют медь и ее сплавы, никель, сплавы серебра, однако они не обладают достаточной износостойкостью. Основной материал сильноточных контактовметаллокерамические композиции.

Композиционный материал для контактов состоит из двух и более компонентов (фаз), из которых один значительно более тугоплавкий, а другой имеет более высокие электро- и теплопроводность. Изготавливают такие контакты методами порошковой металлургии. По одной схеме порошкообразные компоненты, отмеренные в нужной пропорции, перемешивают, затем прессуют заготовки, обычно в виде таблеток круглой или прямоугольной формы, затем заготовки спекают в печах в защитной атмосфере. По второй схеме прессуют и спекают пористые заготовки из одного тугоплавкого компонента, затем пропитывают их расплавом относительно легкоплавкого компонента. Готовые контакты припаивают твердыми припоями к контактодержателям. Контакты, изготовленные по второй схеме, имеют лучшие характеристики.

В настоящее время наиболее широко используют композиции серебро–оксид кадмия, серебро–никель, серебро–графит, серебро–вольфрам, серебро–оксид меди, медь–вольфрам, медь–графит и другие.

При работе механические нагрузки при повышенной температуре воспринимает тугоплавкая прочная фаза, а малое переходное сопротивление и теплопроводность обеспечивает более легкоплавкая фаза (серебро или медь).

6.5 Материалы для скользящих контактов

В скользящих контактах контактирующие детали принципиально неодинаковы по устройству, функциям и условиям эксплуатации. В потенциометрах и реостатах одним из контактных тел служит обмотка из проволоки высокого удельного сопротивления (манганин, константан, нихром) или резистивная композиция (в непроволочных потенциометрах). Скользящие контакты для ползунков потенциометров изготавливают из износостойких контактных материаловродия, сплавов палладий–медь, палладий–иридий и другие.

В коллекторных электрических машинах электрическая нагрузка на контакты велика и носит индуктивный характер, механическая нагрузка также значительна и обусловлена высокой скоростью вращения ротора (до 500 с), поэтому коллекторные пластины изготавливают из износостойкой кадмиевой бронзы БрКд1, а щеткииз угольно-графитных композиций. При работе щетки изнашиваются, но в то же время притираются к коллекторным пластинам, благодаря чему переходное сопротивление снижается.

Из-за повышенного износа и распыления материала щеток коллекторные электрические машины нуждаются в регулярном обслуживании, включающем чистку контактных поверхностей и замену щеток при необходимости. Коммутация индуктивной нагрузки с высокой частотой вызывает искровые разряды между размыкающимися пластиной и щеткой, следствием которых являются эрозия контактных поверхностей и электромагнитные помехи. Поэтому в электрическую цепь коллекторной машины включают помехоподавляющие фильтры, способствующие уменьшению износа контактов и одновременно снижающие уровень электромагнитных помех.

7 Магнитные материалы

Магнитными называются материалы, применяемые в технике с учетом их магнитных свойств и способные накапливать, хранить и трансформировать магнитную энергию. В магнитном веществе магнитные моменты отдельных атомов упорядочены; спонтанный магнитный момент отличен от нуля. Такими свойствами, как известно, обладают металлы группы железа: железо, никель, кобальт, а также их сплавы и некоторые химические соединения.

Вследствие упорядоченности магнитных моментов атомов магнитные материалы имеют значения относительной магнитной проницаемости  > 1, в то время как у немагнитных материалов (диамагнетиков и парамагнетиков) ~ 1.

Состояние магнитной упорядоченности разрушается при нагревании материала выше точки Кюри Тк, однако при охлаждении ниже точки Кюри оно восстанавливается.

По характеру  магнитного  упорядочивания  магнитные материалы подразделяются на ферромагнетики и ферримагнетики. При ферромагнитном упорядочивании магнитные моменты атомов ориентированы параллельно, в результате спонтанный магнитный момент максимален. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт и их сплавы. Ферримагнитное упорядочивание наблюдается в ферритах (соединениях оксида железа Fe2O3 с оксидами некоторых металлов) и характеризуется наличием двух и более вложенных друг в друга магнитных подрешеток, магнитные моменты которых различны по величине и ориентированы в противоположных направлениях, а результирующий магнитный момент определяется как векторная сумма составляющих и всегда меньше наибольшей по модулю составляющей и даже может быть нулевым (в веществах, называемых антиферромагнетиками). Поэтому магнитные свойства ферримагнетиков всегда слабее, чем магнитные свойства ферромагнетиков.

Особенностью магнитных материалов, обусловливающей их многообразные технические применения, является то, что магнитная упорядоченность в общем случае наблюдается не во всем произвольном объеме материала, а лишь в отдельных небольших областях, называемых ДОМЕНАМИ. Направления магнитных моментов разных доменов равновероятны, поэтому результирующий момент достаточно большого объема материала может быть равным нулю, что и наблюдается в размагниченном состоянии материала.

7.1 Основные свойства и параметры магнитных материалов

Рассмотрим процесс намагничивания магнитного материала под действием внешнего магнитного поля. Пусть в исходном состоянии материал полностью размагничен, тогда его рабочая точка находится в начале координат плоскости НВ, где Н, А/м,напряженность магнитного поля; В, Тл,магнитная индукция.

На рис. 7.1, а–д показано, как под действием появившегося внешнего магнитного поля Н перестраивается исходная доменная структура (рис. 7.1, а), причем, по мере роста напряженности вначале (рис. 7.1, б–г) намагничивание происходит вследствие смещения границ домена, вектор намагниченности которого имеет наименьший угол относительно вектора внешнего поля. Левый на рисунке домен растет за счет соседних и при достаточно большой напряженности внешнего поля полностью поглощает собой весь объем материала. При дальнейшем росте напряженности вступает в действие механизм вращения вектора намагниченности домена в направлении вектора внешнего поля. 

На рис.7.1, е процесс намагничивания показан в координатах НВ, причем выделяются четыре характерные области, отделенные друг от друга на графике штриховыми линиями, область Iобласть слабых полей ( 0,1 А/м), характеризуется обратимым смещением границ доменов в магнитном поле и линейной зависимостью В(Н) ; после снятия поля рабочая точка материала возвращается в начало координат.

Область II (область средних полей) характеризуется необратимым смещением границ доменов, скорость dB/dH возрастает и достигает максимума, после снятия внешнего поля материал переходит в состояние с остаточной намагниченностью, величина которой определяется остаточной индукцией Вr.

В области III (сильных полей) начинается вращение вектора намагниченности по полю, которое может быть как обратимым, так и необратимым. Рост индукции замедляется, приближается и достигается состоянием технического насыщения. 

При дальнейшем возрастании напряженности (область IV) наблюдается так называемый парапроцесс, индукция растет слабо, почти как в вакууме, так как возможности намагничивания материала исчерпаны.

Рисунок 7.1Процесс намагничивания магнитного материала: а)–д) –стадии намагничивания доменной структуры; е) – график намагничивания.

Кривая, которую описывает рабочая точка полностью размагниченного материала при однократном намагничивании в направлении возрастания напряженности, называется НАЧАЛЬНОЙ КРИВОЙ НАМАГНИЧИВАНИЯ. Линия, по которой перемещается рабочая точка намагниченного материала после снятия внешнего поля, называется КРИВОЙ ВОЗВРАТА.

Для технических применений представляет интерес многократное намагничивание материала периодическими импульсами внешнего поля. На рис.7.2 изображены траектории однополярного периодического намагничивания в области средних и сильных полей полем Н(t). Точкам 0временной диаграммы Н(t) соответствуют рабочие точки магнитного материала в плоскости ВН. 

Рисунок7.2Однополярное периодическое намагничивание

Намагничивание фронтом первого импульса 0происходит по начальной кривой в точку 1, 3, 5, затем следует частичное размагничивание по кривой возврата в точку 2, 4. Второй импульс перемагничивает материал по частной кривой 2, 4, 6 1, 3, 5 и возвращает по той же кривой возврата. Третий импульссложной формы, с частичным размагничиванием в точку 6, затем следует переход к частному циклу 8, 107, 9. Траектории намагничивания и размагничивания не совпадают, это явление называют ГИСТЕРЕЗИСОМ (запаздыванием), а замкнутую фигуру, описываемую рабочей точкойпетлей (циклом) гистерезиса.

Величина 

где Н,  Вприращение  напряженности  поля  и,  соответственно, вызванное им приращение индукции; 0магнитная постоянная, называется ОБРАТИМОЙ (относительной) МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ материала при однополярном перемагничивании. Для цикла 2, 4  1, 3, 5

=(В1, 3, 5В2, 4)/ oН1, 3, 5.

В области слабых полей траектории намагничивания и размагничивания (возврата) совпадают, поэтому в этой области определяют НАЧАЛЬНУЮ МАГНИТНУЮ ПРОНИЦАЕМОСТЬ материала

н=Вm/oНm,

где Нm, Вmамплитуды напряженности и магнитной индукции; Нm  0,1 А/м.

При намагничивании в магнитном материале запасается энергия магнитного поля  где Vобъем материала.

При размагничивании часть магнитной энергии выводится из материала. Разность этих энергий определяет необратимые потери энергии на перемагничивание (на гистерезис). Удельные (на единицу объема) потери энергии за цикл перемагничивания пропорциональны площади гистерезисного цикла. Чем больше площадь, заключенная между восходящей и нисходящей ветвями петли гистерезиса, тем выше потери энергии на гистерезис в данном материале и в данном электромагнитном режиме. На рис. 7.3 приведен пример определения потерь энергии на гистерезис. 

Рисунок 7.3К определению энергии потерь на гистерезис

 –энергия, вводимая при намагничивании;

–энергия, вводимая при размагничивании;

Sгплощадь петли гистерезиса.

Магнитные материалы применяются и в знакопеременных магнитных полях. На рис.7.4 изображено семейство пяти симметричных петель гистерезиса одного материала, наблюдаемых при перемагничивании переменными синусоидальными магнитными полями с амплитудами Нm1 < Нm2 < Нm3 < Нm4 < Hm5. Амплитудам напряженности соответствуют амплитуды индукции Вm1(Нm1)–Вm5(Нm5). В области слабых и средних полей петля гистерезиса похожа на эллипс или искаженный овал, в области сильных полей выявляются резкие переходы от восходящей ветви к нисходящей. Вершины петель, определяемые как точки, наиболее удаленные от начала координат, лежат на ОСНОВНОЙ КРИВОЙ НАМАГНИЧИВАНИЯ. Эта кривая подобна начальной кривой, но не совпадает с ней. В местах пересечения петли с осями координат отмечают характерные точки, значения индукции и напряженности в этих точках есть ОСТАТОЧНАЯ ИНДУКЦИЯ Вr, и КОЭРЦИТИВНАЯ (задерживающая) сила Нc. При данной амплитуде напряженности Нm (или индукции Вm) остаточная индукция Вr и коэрцитивная сила Нс являются важными параметрами материала. В частности, коэрцитивную силу определяют как напряженность магнитного поля, обратную первоначальной, которую нужно приложить к материалу для его полного размагничивания.

В каждой точке основной кривой намагничивания может быть определена относительная магнитная проницаемость материала при симметричном перемагничивании.

= Вm/0Нm.

Эта величина больше обратимой магнитной проницаемости при однополярном перемагничивании (при той же амплитуде индукции). 

Рисунок 7.4Симметричное перемагничивание

Диапазон изменения индукции при симметричном перемагничивании В=Вm–(–Вm) = 2Вm, в то время как при однополярном перемагничивании В=Вm––Вr < Bm. Площадь петли гистерезиса при симметричном перемагничивании существенно больше площади частного цикла при однополярном перемагничивании (при той же амплитуде индукции).

Зависимость магнитной проницаемости от амплитуды напряженности магнитного поля изображена на рис. 7.5.

В области слабых полей  =н, в области средних полей магнитная проницаемость с ростом амплитуды напряженности магнитного поля возрастает, достигает максимума max и в области сильных полей начинает убывать. При неограниченном возрастании Нm магнитная проницаемость стремится к единице.

Аналогично зависит от амплитуды напряженности магнитного поля обратимая магнитная проницаемость r. 

Перемагничивание магнитного материалапроцесс инерционный. С повышением частоты внешнего магнитного поля запаздывание индукции относительно изменения напряженности возрастает, изменяется форма петли гистерезиса: она расширяется в горизонтальном направлении и сужается в вертикальном, то есть, возрастает коэрцитивная сила Нс и уменьшается амплитуда индукции Вm. Магнитная проницаемость с ростом частоты уменьшается. Особенно быстро изменяются с ростом частоты магнитные свойства электропроводящих магнитных материалов, так как в них, помимо инерционности процессов перемагничивания, размагничивающее действие оказывают вихревые токи.

Магнитные материалы, применяемые в технике, характеризуются относительно небольшим диапазоном значений индукции насыщения: от 0,25 Тл (ферриты) до 2,4 Тл (сплавы с высокой индукцией насыщения). Коэрцитивная же сила изменяется в очень широких пределах: от долей до сотен тысяч А/м. В столь же широких пределах (от единиц до сотен тысяч) изменяется и магнитная проницаемость.

Все магнитные материалы подразделяются, в зависимости от величины коэрцитивной силы, на МАГНИТОМЯГКИЕ (Нс<4000 А/м) и МАГНИТОТВЕРДЫЕ (Нс>4000 А/м). Магнитомягкие материалы применяются в переменных магнитных полях для изготовления магнитопроводов трансформаторов, дросселей, электрических машин, сердечников катушек индуктивности и других изделий. Магнитотвердые материалы используют для изготовления постоянных магнитов и носителей магнитной записи.

В зависимости от формы петли гистерезиса различают материалы с ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ПЕТЛЕЙ ГИСТЕРЕЗИСА (ППГ) и с НЕПРЯМОУГОЛЬНОЙ ПЕТЛЕЙ ГИСТЕРЕЗИСА (НПГ). Мерой прямоугольности служит КОЭФФИЦИЕНТ ПРЯМОУГОЛЬНОСТИ kп=Вr/Вm. Обычно к материалам с ППГ относят такие, у которых kп  0,80. Материалы с ППГ применяют нечасто, лишь в тех случаях, когда особая форма петли гистерезиса позволяет получить новые функциональные возможности.

По составу и структуре магнитные материалы могут быть металлами и сплавами, керамикой (ферриты), а также композициями. Композиция представляет собой двухфазную структуру, в которой магнитная фаза имеет вид мелких магнитных частиц, равномерно распределенных в диэлектрическом связующем. Между соседними частицами имеются немагнитные и непроводящие промежутки.

Магнитные металлы и сплавы обладают высокой электропроводностью и являются проводниками электрического тока. Ферриты имеют невысокую электропроводность и по этому параметру относятся к полупроводникам. Электропроводность композиций определяется электропроводностью связующего и обычно низкая, поэтому их относят к диэлектрикам.

Известно, что во всяком проводящем замкнутом контуре, находящемся в переменном магнитном поле, по закону электромагнитной индукции наводится э. д. с. индукции и возникает электрический ток. Этот ток создает свое магнитное поле, направленное противоположно внешнему, тем самым ослабляя его. Прохождение тока по проводящему контуру сопровождается потерями энергии на сопротивление контура.

Очевидно, в магнитопроводе, изготовленном из проводящего или полупроводящего материала и находящемся в переменном магнитном поле, возникают такие токи, называемые ВИХРЕВЫМИ. Таким образом, к потерям энергии на перемагничивание добавляются ПОТЕРИ НА ВИХРЕВЫЕ ТОКИ. Рассмотрим образование этих потерь и пути их уменьшения более подробно.

На рис. 7.6, а изображен магнитопровод сечением S с обмоткой, содержащей W витков. На обмотку поступает переменное напряжение U(t) = Umsint, создающее в магнитопроводе магнитный поток Ф(t) = SB(t). Для простоты примем квадратную форму сечения магнитопровода со стороной а (рис.7.6, б).

Пусть магнитопровод изготовлен из сплошного куска металла или сплава с удельным электрическим сопротивлением . Тогда э. д. с. вихревого тока

а сопротивление вихревому току из-за поверхностного эффекта пропорционально периметру контура сечения:

4a.

Тогда мощность потерь на вихревые токи

Рвт  0,5евоm2/rво  2 22Bm2/8а. 

Если набрать магнитопровод из n отдельных тонких электрически изолированных друг от друга пластин, мощность потерь в каждой пластине

Рвт1  2  22Bm2/4n2а ,

мощность потерь в n пластинах

Рвтn  2 22Bm2/4nа

и отношение

Рвт/Рвтn=0,5n.

Отсюда следует: 1) мощность потерь на вихревые токи пропорциональна квадрату частоты и обратно пропорциональна удельному сопротивлению материала; 2) для уменьшения потерь на вихревые токи необходимый объём материала магнитопровода нужно делить на возможно большее количество электрически изолированных частей в направлениях вдоль магнитных силовых линий. Именно поэтому все магнитопроводы из металлов и сплавов для переменных магнитных полей набирают из отдельных тонких пластин или навивают из тонкой ленты.

Размагничивающее действие вихревых токов приводит также и к изменению формы петли гистерезиса: возрастает коэрцитивная сила, уменьшается амплитуда индукции, снижается магнитная проницаемость.

На практике потери энергии в магнитном материале не разделяют на отдельные составляющие. Поскольку эти потери нелинейно зависят от частоты и амплитуды индукции, данные о совокупных потерях представляют графически, в виде семейства кривых мощности удельных (на единицу массы или объема магнитного материала) потерь от амплитуды индукции (или напряженности) при разных частотах. Для удобства расчетов зависимости удельных потерь аппроксимируют факторной формулой:

где Р(f0, Bm0) –удельные потери, Вт/кг, при частоте f0 и амплитуде индукции  Bm0;  Р(f, Bm) –то же при частоте f и амплитуде индукции Bm; и  –безразмерные параметры;  1,   > 1.

Величину P(f0Bm0) определяют экспериментально при типичных для применений данного материала значениях f0 и Bm0. Параметры  и  также определяют по экспериментальным данным для каждого материала при определенных толщинах пластины или ленты (для электропроводящих материалов) и в ограниченных диапазонах частоты и амплитуды индукции. Для большинства магнитомягких материалов

P(f0,Bm0) = 0,5 Вт/кг, = 1,0,8; = 1,3,0.

7.2 Магнитомягкие материалы

К магнитомягким относят магнитные материалы, имеющие коэрцитивную силу Нс < 4000 А/м (у большинства материалов Нс  100 А/м), применяемые в переменных магнитных полях. К этим материалам относятся: электротехническая сталь, низкокоэрцитивные и аморфные сплавы, магнитомягкие ферриты и магнитодиэлектрики.

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ СТАЛЬ в отличие от конструкционной содержит углерода не более 0,04 %. В изделиях радиоэлектроники обычно используется легированная (кремнистая) сталь, в состав которой для увеличения удельного сопротивления и тем самым уменьшения потерь на вихревые токи вводят до 5 % кремния. Применяется на частотах от 50 до 5000 Гц, допускает амплитуду индукции до 1,7 Тл (в сильных поляхдо 2,0 Тл). Выпускается в виде листов или лент толщиной от 0,01 до 1,0 мм. Различают сталь горячекатаную и холоднокатаную, а по магнитным свойствам изотропную и анизотропную. У анизотропной стали в плоскости листа в ходе его изготовления образуется направление легкого намагничивания, совпадающее с направлением прокатки. В этом направлении магнитная проницаемость выше, а удельные потери ниже, чем в перпендикулярном ему. Горячекатаная сталь всегда изотропная, холоднокатаная может быть изотропной и анизотропной. Из изотропной стали изготавливают магнитопроводы, набираемые из отдельных пластин (шихтованные). Анизотропную сталь в виде ленты используют для навивки ленточных магнитопроводов. Современное обозначение марки электротехнической кремнистой стали состоит из четырех десятичных цифр. Первая обозначает тип стали, вторая кодирует содержание кремния, третья и четвертаявид и значение нормируемого параметра.

На рис. 7.7 изображены варианты конструкций и отдельные детали магнитопроводов, изготавливаемых из электротехнической стали. Для трансформаторов и дросселей небольшой мощности пригоден шихтованный магнитопровод, собранный из деталей на рис. 7.7, а. В электрических машинах магнитопроводы ротора и статора собирают из центросимметричных пластин, например, по рис. 7.7, б. Ленточные магнитопроводы (рис. 7.7, в и г) имеют меньшие массу и габариты при той же электромагнитной мощности, чем шихтованные, так как ленту применяют более тонкую, чем пластины, и изготавливают ее из анизотропных холоднокатаных сталей. Для электрической изоляции пластин или витков ленты друг от друга применяют оксидные, фосфатные или лакокрасочные покрытия.

Электротехническая сталь чувствительна к упругим и пластическим деформациям, под влиянием которых резко ухудшаются магнитные свойства, прежде всего, за счет роста коэрцитивной силы. Поэтому после механической обработки (штамповки пластин, резки ленты и навивки магнитопроводов) детали подвергают отжигу для восстановления магнитных свойств. При сборке магнитопроводов и изделий нельзя применять большие механические, особенно ударные, воздействия, в противном случае возрастут потери энергии.

Магнитопроводы из электротехнической стали применяют, главным образом, на низких частотах: 50, 400, реже 1000 Гц, причем, чем выше частота, тем более тонкими должны быть пластины или лента, выше содержание кремния в стали и ниже допустимая амплитуда индукции.

НИЗКОКОЭРЦИТИВНЫЕ СПЛАВЫ, как указывает название, характеризуются малой величиной коэрцитивной силы: от 0,8 до 24 А/м, высокой магнитной проницаемостью mmax= 30000...400000, но меньшей, чем у сталей, индукцией насыщения: Вs= 0,5...1,5 Тл. По составу это, прежде всего, сплавы железо–никель, иногда легированные другими элементами, называемые обычно пермаллоями. Примеры марок пермаллоев: 45Н (45% никеля, остальное железо), 79НМ (79% Ni, до 1% Mo), 80НХС (80% Ni, до 1% Cr и Si), 65НП (65% Ni, с прямоугольной петлей гистерезиса). 

Рисунок 7.7Магнитопроводы из электротехнической стали:

 а) –Ш-образная и замыкающая пластины; б) –пластина для ротора электрической машины; в) –тороидальный ленточный магнитопровод; г) –разрезной ленточный магнитопровод.

Пермаллои применяются  на  повышенных  частотах (до 20 кГц) в магнитопроводах трансформаторов, дросселей, магнитных головок, для изготовления эффективных магнитных экранов. Очень чувствительны к деформациям и ударам,  даже натяжение провода обмотки, намотанной на магнитопровод без жесткого каркаса, резко ухудшает магнитные свойства. Из-за большого содержания никеля  дороги. В настоящее время вытесняются из областей применения ферритами и аморфными сплавами.

АМОРФНЫЕ СПЛАВЫсравнительно новый вид магнитных материалов. Впервые получены в 1968 г. Их отличные магнитные свойства обусловлены тем, что при отсутствии границ между кристаллами облегчается процесс перемагничивания доменов, и поэтому уменьшаются коэрцитивная сила и потери мощности. Получают аморфные сплавы в виде лент при очень быстром охлаждении струи расплава, в результате кристаллы образовываться не успевают. Тормозит кристаллизацию и легирование сплава большими количествами неметаллов (кремния, бора, фосфора и других). Примеры марок сплавов: 10НСР (10 % Ni, Si, B: основа Fe), 94ЖСР-А (94 % Fe). Магнитные параметры сплавов: Нс=0,4...10 А/м, Вs= 0,5...1,6 Тл, max = 10000...400000. Магнитные свойства легко модифицируются термомагнитной обработкой (проведением термической обработки под действием внешнего магнитного поля), в частности, можно формировать петлю гистерезиса с очень высокой степенью прямоугольности. По сравнению с пермаллоями имеют лучшие магнитные параметры и меньшую стоимость. Аморфные сплавы применяют в тех же областях, что и пермаллои.

МАГНИТОМЯГКИЕ ФЕРРИТЫ представляют собой керамикуспеченную смесь оксида железа Fe2O3 с оксидами других металлов. По электрическим свойствам принадлежат к полупроводникам, имея удельное сопротивление от 0,01 до 108 Омм. По магнитным свойствам являются ферримагнетиками, индукция насыщения их находится в диапазоне от 0,25 до 0,50 Тл.

Ферриты применяются на повышенных (от 20 кГц), высоких (единицы–сотни МГц) и сверхвысоких частотах (до 30 ГГц). В отличие от металлов и сплавов, в которых значительный вклад в потери энергии вносят вихревые токи, в ферритах эти токи из-за низкой электропроводности ничтожно малы, поэтому нет необходимости изготавливать магнитопровод из отдельных пластин, и ферритовые изделия представляют собой либо целые магнитопроводы, либо их половинки, что создает удобства при сборке.

Существует множество марок ферритов,  отличающихся  составом, типоразмерами изделий и преимущественными сферами применения: низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные, с прямоугольной петлей гистерезиса, специализированные.

Система обозначения марок низко- и высокочастотных ферритов следующая:

М<число><буква 1><буква 2><дополнительные символы>, где  Ммагнитомягкий феррит;

<число> –начальная магнитная  проницаемость н материала

(mН=7...50000);

<буква 1> –Ннизкочастотный; или Ввысокочастотный;

<буква 2> –Нникель-цинковый, или Ммарганец-цинковый;

<дополнительные символы> –буквы и (или) цифры, характеризующие особенности данного материала.

Примеры марок: М7ВНвысокочастотный никель-цинковый, н=7; М1500НМ3низкочастотный марганец-цинковый, 3-я модификация; М90ВНПдля перестраиваемых контуров; М1100НМИдля импульсных трансформаторов.

Точка Кюри ферритов, в отличие от металлов и сплавов, на оси температур находится сравнительно низко: от +90 оС до +480 оС, поэтому её надо учитывать как фактор, ограничивающий допустимый перегрев изделия. По той же причине у ферритов низкая температурная стабильность параметров, особенно индукции насыщения. При повышении температуры материала на 100 оС Вs может снизиться на 30...40 % от той, что была при нормальной температуре.

На рис.7.8 изображены некоторые типы изделий из ферритов: а, бкруглый и прямоугольный стержни; вкольцо; гШ-образный магнитопровод (половина); дП-образный магнитопровод (половина), еброневой магнитопровод (половина). Изделия каждого типа выпускаются разных размеров. Например, кольца выпускаются диаметрами от 1 до 45 мм, броневые магнитопроводыдиаметрами от 9 до 48 мм.

Рисунок 7.8Изделия из ферритов

Магнитомягкие ферриты применяются в магнитных антеннах, катушках индуктивности, трансформаторах, дросселях, магнитных головках, отклоняющих системах кинескопов.

Магнитодиэлектрики не являются самостоятельным магнитным материалом, а представляют собой композицию из мелких магнитных частиц, отделенных друг от друга и в то же время механически связанных в монолит немагнитным и непроводящим связующим. В результате магнитные свойства материала определяются не столько свойствами магнитных частиц, сколько расстояниями между ними, то есть концентрацией магнитного порошка в композиции. Магнитная проницаемость композиции много меньше магнитной проницаемости частиц, индукция насыщения заметно снижается, однако резко падают потери мощности, петля гистерезиса как бы увеличивается в горизонтальном размере, возрастает линейность кривой намагничивания. Это позволяет применять магнитодиэлектрики на высоких частотах и выполнять на них дроссели с большой удельной энергоемкостью или стабильные катушки индуктивности. 

В настоящее время изготавливаются и применяются магнитодиэлектрики, магнитной фазой в которых служат порошкообразное карбонильное железо, мелко помолотые хрупкие сплавы альсифер (AlSiFe) и молибденовый пермаллой 80НЗМ, а также ферритовые порошки. Из карбонильного железа изготавливают подстроечные сердечники для катушек индуктивности и броневые  магнитопроводы.  Материал  имеет начальную  проницаемость н= 9...15,  низкие потери,  работает на частотах до 100 МГц. Магнитодиэлектрики из альсифера и молибденового пермаллоя (пресс-пермаллоя) выпускают в виде колец полуовального сечения (рис. 7.9). 

Рисунок 7.9Кольцо полуовального сечения

Два таких полукольца, сложенные вместе, образуют кольцо, удобное для намотки даже толстым проводом. Магнитная проницаемость альсифера н = 22...90, пресс-пермаллоя н = 20...250, максимальная индукция Вm = 0,4 Тл (соответственно 0,5...0,75 Тл) при напряженности Нm = 8000 А/м. Диапазон рабочих частот от 20 кГц до 10 МГц в зависимости от марки, величины электромагнитной нагрузки и допустимых потерь мощности.

Магнитодиэлектрики на основе ферритового порошка обладают невысокими энергетическими показателями, но характеризуются высокой стабильностью магнитной проницаемости и высокой добротностью. Применяются в катушках индуктивности на частотах в десяткисотни мегагерц, а также в виде магнитного компаунда при склеивании деталей магнитопроводов из других материалов при магнитном экранировании.

7.3 Магнитотвердые материалы

Магнитотвердые материалы имеют коэрцитивную силу Нс >>     4000 А/м и в намагниченном состоянии обладают магнитным полем большей удельной энергии, поэтому применяются для создания постоянных магнитных полей, используемых в некоторых электродвигателях, в генераторных приборах СВЧ (магнетронах, лампах бегущей волны и других), для регулирования электронного луча в кинескопах, в громкоговорителях, магнитоуправляемых контактах и таких прочих. Основная характеристика магнитотвердого материалачасть петли гистерезиса, расположенная во втором квадранте плоскости НВ, называемая КРИВОЙ РАЗМАГНИЧИВАНИЯ. На рис. 7.10 слева от оси В изображена кривая размагничивания. На этой кривой должна находиться рабочая точка материала постоянного магнита. Положение рабочей точки определяется геометрией магнитной системы. Если магнитная система замкнута, рабочая точка после намагничивания должна находиться в точке с координатами (0; Br). 

Рисунок 7.10К определению удельной магнитной энергии

Но замкнутая магнитная система не создает поле в окружающем пространстве, ради которого и применяют постоянные магниты. В зазоре же разомкнутой системы образуется размагничивающее поле, смещающее рабочую точку в направлении (–НС, 0).

Энергия магнитного поля, создаваемого в окружающем пространстве единицей объема магнитного материала,

WМ = 0,5НВ.

Рассчитав величину WМ для каждой точки кривой размагничивания, можно получить зависимость удельной энергии от индукции (или напряженности). Такая зависимость WМ(В) изображена на рис. 7.10 справа от оси индукций. Она имеет максимум при В = ВD и Н = НD:

0,5ВDНD  =Wmax.

 Эта  величина  –МАКСИМАЛЬНАЯ УДЕЛЬНАЯ МАГНИТНАЯ ЭНЕРГИЯ, важнейшая характеристика магнитотвердого материала. Задача конструктора магнитной системы заключается в том, чтобы выбором ее геометрии реализовать максимальную магнитную энергию материала.

Диапазон значений Wmax современных материалов достаточно широк: от 1 до 80 кДж/м3. Кроме удельной магнитной энергии, к основным параметрам магнитотвердых материалов относятся остаточная индукция Вr и коэрцитивная сила НС.

В настоящее  время  из  магнитотвердых материалов применяются магнитотвердые ферриты, они, как и магнитомягкие ферриты, представляют собой керамику, однако вместе с оксидом железа в составе присутствует оксид бария либо оксид стронция. Эти материалы изготавливаются в вид изделий разной формы (чаще всего в виде пластин или колец) по технологии керамики, имеют хорошие магнитные свойства и относительно дешевы. Их магнитные параметры: удельная магнитная энергия Wmax = 2...15 кДж/м3; остаточная магнитная индукция Вr = 0,17...0,10 Тл, коэрцитивная сила НС = 100...240 кА/м, отличаются достаточно высокой временной стабильностью.

Более высокими магнитными показателями обладают сплавы системы ЮНДК (железо–алюминий–никель–медь–кобальт): Wmax= 3,5...40 кДж/м3, Br  1,4 Тл, Нс  145кА/м, но они значительно дороже ферритов. Вследствие очень высокой температурной стабильности применяются в точных приборах, в частности, в стрелочных измерительных приборах магнитоэлектрической системы. Магниты из этих сплавов изготавливают литьем с последующей обработкой абразивным инструментом.

Рекордные в настоящее время магнитные характеристики имеют сплавы кобальта с редкоземельными элементами (самарием, празеодимом и др.). В серийных изделиях достигнута энергоемкость Wmax = 72 кДж/м3 при остаточной индукции Вr = 0,9 Тл и коэрцитивной силе Нс = 500 кА/м. В перспективе возможна удельная энергия до 144 кДж/м3. Однако очень высокая стоимость редкоземельных элементов препятствует широкому применению этих материалов. Их используют в приборах летательных аппаратов, где удельные характеристики имеют решающее значение.

На основе порошкообразных магнитотвердых материалов изготавливают магнитотвердые композиции: магнитопласты (с жестким связующим) и магнитоэласты (с эластичным связующим). Магнитные характеристики этих материалов зависят от вида и концентрации магнитотвердого наполнителя: удельная энергия материала с ферритовым наполнителем не превышает 1,5 кДж/м3, а с наполнителем из сплава редкоземельных элементов с кобальтом может достигать 12 кДж/м3. Магнитопласты применяются для изготовления многополюсных магнитов, например, для настройки отклоняющих систем цветных кинескопов, магнитоэласты с резиновым или эластомерным связующимдля магнитных уплотнений крышек приборов, дверей холодильных камер, для создания слабых магнитных полей, применяемых в медицине, биологии и т. п.

Для формирования магнитного поля в заданном объеме постоянные магниты обычно снабжаются полюсными наконечниками из малоуглеродистой стали. Изготовление магнитной системы включает следующие стадии: изготовление магнита; изготовление полюсных наконечников; сборка магнитной системы; намагничивание магнита; нормализация характеристики. Намагничивание обычно выполняется в импульсном магнитном поле, создаваемом специальным электромагнитом или намагничивающей обмоткой, размещенной на намагничиваемой системе.

7.4 Материалы для носителей магнитной записи

В настоящее время широко применяется магнитная запись электрических сигналов на подвижный носитель, при этом мгновенные значения сигнала во времени запечатлеваются в виде намагниченностей разных уровней в разных местах активного слоя носителя. При считывании записи остаточное магнитное поле участка носителя преобразуется вновь в электрический сигнал.

Носитель магнитной записи (лента, диск, карта) содержат основу и магнитный слой. Магнитный слой может быть сплошным, в виде тонкого однородного покрытия, или композиционным (ферролаковым), содержащим отдельные магнитные частицы, склеенные немагнитным связующим (лаком).

Для хранения и последующего воспроизведения записанных данных магнитные частицы должны быть магнитотвердыми. Для обеспечения высокой плотности записи размеры частиц должны быть оптимальными: достаточно малыми, но не настолько, чтобы это ухудшало магнитные свойства. Для уменьшения шумов размеры и свойства частиц должны быть однородными. Для обеспечения длительного хранения записанных данных магнитные компоненты должны обладать временной и температурной стабильностью.

В настоящее время для изготовления носителей наиболее широко применяют магнитные порошки на основе простых оксидов железа -Fe2O3, хрома. Оксидные порошки недороги, устойчивы по отношению к коррозии, могут быть сделаны достаточно однородными по размерам и свойствам частиц. Оксид хрома CrO2 имеет по сравнению с оксидом железа -Fe2O3 более высокие намагниченность и коэрцитивную силу, однако из-за низкой точки Кюри (+126 оС) мало пригоден для работы при повышенных температурах и длительного хранения записей.

Из других магнитных материалов применяется магнетит Fe3O4, кобальтированный оксид железа Со-Fe2O3, металлические порошки Fe и сплавы Fe–Co. Обладая высокими магнитными свойствами, они недостаточно технологичны, а металлические склонны к коррозии, слипанию в лаке и самовоспламенению на воздухе.

Для записи цифровых сигналов выпускаются носители с порошком из магнитотвердого феррита бария.

Магнитные носители, обеспечивающие наивысшую плотность записи и наименьший уровень шумов, получают на сплошных средах, представляющих собой тонкую пленку металла или сплава, нанесенную на основу. Их называют носителями с металлизированным рабочим слоем. В качестве магнитного материала используют кобальт, сплавы железо–никель, железо–кобальт и другие. При реализации таких носителей нужно обеспечить хорошую адгезию металлического слоя к основе и его защиту от атмосферных и механических воздействий. Металлизацию выполняют напылением в вакууме. Из-за сложности технологии металлизированные носители не нашли пока должного распространения.

Основу ленточных носителей магнитных записей изготавливают из полимерных материалов, главным образом, из полиэтилентерефталата (лавсан, майлар). В состав основы для гибких дисков входят смеси различных полимерных материалов с пигментом (сажей). Для стабилизации формы основу изготавливают как пакет из нескольких слоев материала. Основу жестких дисков изготавливают из алюминиевых сплавов.

7.5 Магнитные материалы специального назначения

К магнитным материалам специального назначения относятся: термомагнитные, магнитострикционные, сплавы и ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса.

ТЕРМОМАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ характеризуются сильной зависимостью намагниченности от изменения температуры в диапазоне отдо +150 oC. Они применяются для термокомпенсации магнитных цепей приборов, а также для термосигнализации и термоконтроля. Например, если к источнику переменного напряжения постоянных амплитуды и частоты подключить последовательно нагрузку и дроссель с магнитопроводом из материала с невысокой точкой Кюри, по достижении в магнитопроводе температуры, превышающей точку Кюри, индуктивная составляющая сопротивления дросселя падает в  раз, и почти все напряжение будет приложено к нагрузке. После охлаждения магнитопровода его индуктивное сопротивление восстанавливается. В качестве термомагнитных материалов можно использовать магнитомягкие ферриты с низкой точкой Кюри, например, М10000НМ, у которого Тк  110 oC.

В МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ (МСМ) сильно выражен магнитострикционный эффект, заключающийся в изменении размеров ферромагнитных тел в переменном магнитном поле. Применяются МСМ для электроакустических преобразователей электрических колебаний в механические и обратно, которые используются в измерительных и технологических ультразвуковых установках, в электромеханических и магнитострикционных фильтрах, линиях задержки сигналов и других.

Используют следующие виды МСМ: никель; сплавы кобальта с железом 65К, 49К2Ф; сплавы железо–алюминий, а также некоторые марки ферритов. В сплавах на ультразвуковых частотах велики потери на перемагничивание, что при больших мощностях требует применения водяного охлаждения преобразователя. Ферриты, особенно монокристаллические, успешно работают в фильтрах на гиперзвуковых частотах до 1000 МГц, но в мощных преобразователях обнаруживают недостаточную механическую прочность.

ФЕРРИТЫ И СПЛАВЫ С ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ПЕТЛЕЙ ГИСТЕРЕЗИСА (ППГ) относятся к магнитомягким материалам, отношение Br/Bs у них от 0,85 до 0,99. ППГ применяются в специальных дросселях и трансформаторах, в магнитных усилителях, а также в магнитных оперативных запоминающих устройствах ЭВМ.

Материалами с ППГ являются некоторые марки пермаллоев (50НП, 79НМП и другие) и аморфных сплавов, причем, прямоугольность петли зависит от толщины ленты и от предшествовавшей обработки, так что сплав одного состава может иметь как прямоугольную, так и непрямоугольную петли гистерезиса.

Ферриты с ППГ по составу отличаются от других магнитомягких ферритов. Выпускаются в виде колец диаметром от 0,4