izstrādāts ESF projekta"Mācību centra RIMAN sākotnējās profesionālās izglītības programmu

īstenošanas kvalitātes uzlabošana un īstenošana"2010/0104/1DP/1.2.1.1.3./09/APIA/VIAA/021

ietvaros

Mācību metodiskais līdzeklis Profesionālās vidējas izglītības programma"DATORSISTĒMAS"

mācību priekšmets "ELEKTRONISKIE MATERIĀLI un KOMPONENTI"

IEGULDĪJUMS TAVĀ NAKOTNĒ!

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

E-vidē izmantojamais mācību metodiskais līdzeklis ir izveidots Microsoft Power Point lietotnē mācību materiāla prezentācijai Profesionālās vidējas izglītības programmas "Datorsistēmas" (kvalifikācija "Datorsistēmu tehniķis") mācību priekšmeta programmas "Elektroniskie materiāli un komponenti" (apjoms 213 slaidi) īstenošanas uzlabošanai. Šajā metodiskajā materiālā tiek izskatītas tēmas par dažādu veidu ķīmiskām saitēm, cietvielu kristālrežģu tipiem un defektiem kristālos; par vadītāju, supravadītāju un magnētisko materiālu fizikāliem un tehniskiem parametriem; par šķidriem kristāliem un keramikas kompozitmateriāliem un to raksturo-jumiem; par visizplatītākiem materiāliem un savienojumiem izmantojamiem datorkomponentos.Metodiskā materiāla saturs veidots saskaņā ar mācību priekšmeta programmu. Teorētiskais materiāls ir papildināts ar vizuālo informāciju.Metodisko līdzekli ir paredzēts izmantot, vadot teorētiskās nodarbības mācību priekšmetā "Elektroniskie materiāli un komponenti", kā arī skolas audzēkņu patstāvīgām mācībām.Darba izpildītājs: Profesionālās vidusskolas "RIMAN" nodaļas vadītāja Inessa Prokofjeva. 2

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Atoma uzbūve Vielas kristāliskā struktūra Elektronisko materiālu pamatraksturojumi Vadītāju materiāli Vadītāji materiāli ar lielu īpatnējo vadītspēju Vadītāji materiāli ar lielu īpatnējo pretestību Elektrisko kontaktu materiāli Supravadītāji Magnētiskie materiāli Šķidrie kristāli Keramiskie materiāli Palīgmateriāli izmantojamie datoros

3

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Строение атома Кристаллическая структура вещества Основные характеристики электронных материалов Проводниковые материалы Материалы высокой электропроводности Материалы высокого удельного сопротивления Материалы электрических контактов Сверхпроводники Магнитные материалы Жидкие кристаллы Керамические материалы Вспомогательные материалы,

применяемые в компьютерной технике

4

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021 5

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Атомарная теория строения вещества

АТОМ (от др.-греч. "неделимый") ‒ наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Понятие об атоме как о наименьшей неделимой части материи было впервые сформулировано древнеиндийскими и древнегреческими философами. В начале XX века физиками были открыты частицы, входящие в состав атома, и его структура, из чего стало ясно, что в действительности атом не является "неделимым".

6

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака.

Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, а окружающее его облако состоит из отрицательно заряженных электронов. В состоянии покоя число протонов в ядре совпадает с числом электронов, а сам атом ‒ электрически нейтрален.Атом, обладающий некоторым положительным или отрицательным зарядом, называется ионом.

7

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Электронное облакоЕсли предположить, что в какой-то момент времени удалось сфото-графировать положение электрона в пространстве, находящемся вокруг ядра, то на этой фотографии электрон будет выглядеть в виде точки. Повторив это многократно через достаточно короткие промежутки времени и наложив друг на друга фотографии, получим картину, напоминающую облако. Облако окажется более плотным в области наиболее вероятного нахожде-ния электрона. Чем прочнее связь электрона с ядром, тем электронное облако меньше по размерам и плотнее по распределению заряда.

8

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Великие открытияОткрытие электронов в конце XIX века было одним из важнейших достижений физики, оно непосредственно связано с именем Томсона, удостоенного за это Нобелевской премии в 1906 г. Томсон предложил рассматривать атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри него электронами, назвав модель Plum pudding model.

Эрнест Резерфорд (1871-1937), английский физик

Джозеф Джон Томсон (1856-1940), английский физикОсновываясь на результатах экспериментов Резерфорд отказался от модели атома, предло-женной Томсоном и выдвигает принципиально новую, получившую название планетарной: в центре атома, подобно Солнцу, располагается ядро, в котором сосредоточена вся масса атома. А вокруг него, подобно планетам Солнечной системы, вращаются электроны.

9

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Сегодня общепринятой считается модель атома, являю-щаяся развитием планетарной модели:Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами. Химические свойства атомов определяются конфигу-рацией электронной оболочки. Положение атома в таблице Менделеева определяется количеством протонов; нейтронов в ядре, как правило, больше, чем протонов. Если атом находится в нейтральном состоянии, то количество электронов в нём равно количеству протонов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, доля электронов в общей массе атома незначительна, ‒ несколько сотых процента от массы ядра. 10

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021 11

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Из 111 открытых элементов, представленных в Периодической системе Менделеева, 76 являются металлами; Si, Ge, As, Se, Te ‒ промежуточными между металлами и неметаллами, иногда их называют полуметаллами. Металлические материалы обычно делятся на две большие группы: черные металлы (железо и сплавы железа, такие как сталь и чугун);цветные металлы (остальные металлы и их сплавы). Все цветные металлы, применяемые в технике, в свою очередь, делятся на: легкие металлы (Mg, Be, Al, Ti с плотностью до 5 г/см3);тяжелые металлы (Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Та, Ir, Os с плотностью > 10 г/см3);легкоплавкие металлы (Sn, Pb, Zn с температурой плавления 232°С, 327°С и 410°С соответственно);тугоплавкие металлы (W, Mo, Та, Nb с температурой плавления выше, чем у железа (> 1536 °С));благородные металлы (Au, Ag, Pt с высокой устойчивостью против коррозии);а также урановые металлы или актиноиды, редкоземельные металлы (РЗМ) или лантаноиды, щелочные и щелочноземельные металлы (Na, К, Li, Ca).

12

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021 13

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Большинство материалов, используемых в электронной технике, (в том числе и все металлы) имеют кристал-лическую структуру. Физико-химические, механические, технологические и эксплуатационные свойства изделий зависят:от строения атомов, от кристаллической структуры,от химического состава.Кристаллическое строение характеризуется правильным расположением частиц в строго определенных точках пространства. При мысленном соединении этих точек пересекающимися прямыми линиями образуется каркас, который называют кристаллической решеткой.

14

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Точки, в которых размещены частицы, называются узлами кристаллической решетки. В узлах воображаемой решетки или в местах пересече-ния плоскостей кристалла могут находиться ионы, атомы или молекулы. Все пространство кристалла можно разбить на элементарные ячейки. Многообразие кристаллов может быть описано с помощью 14 типов кристаллических решеток (решеток Бравееg).Огюст Бравеg ‒ французский физик и один из основателей кристаллографии; положил начало геометрической теории структуры кристаллов: он нашёл (в 1848 г.) основные виды пространственных решёток и высказал гипотезу о том, что они построены из закономерно расположенных в пространстве точек.

15

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Некоторые из решеток Браве имеют разновидности: примитивная – P, объемно-центрированная – I, гране-центрированная – F, с одной парой центрированных противоположных граней – C.

16

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Виды кристаллических решеток в зависимости от рода химических связейМеханические свойства кристаллов зависят от рода химических связей между атомами. В зависимости от вида частиц и характера связи между ними различают четыре вида кристаллических решеток: ионные, атомные, молекулярные и металлические.Кристаллические решетки, состоящие из ионов, называются ионными. Их образуют вещества с ионной связью. Связи между ионами в таком кристалле весьма прочны. Поэтому вещества с ионной решеткой обладают сравнительно высокой твердостью. Они тугоплавки и малолетучи. Плавление ионных кристаллов приводит к уменьшению прочности связей между ними. Поэтому расплавы их проводят электрический ток. 17

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Кристаллические решетки, в узлах которых находятся отдельные атомы, называются атомными. Атомы в таких решетках соединены между собой прочными ковалентными связями. Атомная кристаллическая решетка характерна для твердого бора, кремния, германия, алмаза и соединений некоторых элементов с углеродом и кремнием. Кристаллические решетки, состоящие из полярных и неполярных молекул, называются молекулярными. Молекулы в таких решетках соединены между собой сравнительно слабыми межмолекулярными силами.Поэтому вещества с молекулярной решеткой имеют малую твердость и низкие температуры плавления, нерастворимы или малорастворимы в воде, их растворы почти не проводят электрический ток.

18

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

ВИДЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЕТОКв зависимости от вида частиц и характера связи между ними МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ИОННЫЕ АТОМНЫЕ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ

в узлах ‒ положительные ионы или атомы, в промежутках ‒ электроны(металлы)

в узлах чередуются положительные и отрицательные ионы (соединения с ионной связью: оксиды, соли)

в узлах ‒ атомы, ковалентно связанные друг с другом (простые вещества-неметаллы)

в узлах ‒ молекулы (соединения полярного [H2O, HCl] и неполярного [O2, Cl2] типов) высокие tпл и твердость, металлический блеск, электро-проводность

высокие твердость и тугоплавкость, малая летучестьвысокие tпл, прочность и твердость, нерастворимы в жидкостях

малая твердость, низкая tпл, нерастворимы в воде, не проводят ток, летучи 19

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Типы кристаллических решеток

Простейшей кристаллической ячейкой является куб, по вершинам которого располагаются атомы. Многие металлы имеют сравнительно простые кристаллические решетки, такие как:a)объемно-центрированная кубическая (ОЦК);b)гранецентрированная кубическая (ГЦК);c)гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

20

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Объемно-центрированную кубическую решетку имеют такие металлы, как вольфрам (W), молибден (Mo), ниобий (Nb), низко-температурные модификации железа (Fe), титана (Ti), щелочные и некоторые др. металлы. Серебро (Ag), медь (Cu), алюминий (Al), никель (Ni), высокотемпе-ратурная модификация железа (Fe) и ряд других металлов имеют гранецентрированную кубическую решетку. Гексагональная плотноупакованная решетка у магния (Mg), цинка (Zn), кадмия (Ca), высокотемпературной модификации титана (Ti). Металлы с плотноупакованной решеткой, как правило, обладают большей проводимостью, чем металлы с ОЦК-решеткой. Это связано с тем, что у металлов с плотноупакованной решеткой повышена плотность электронного газа, следовательно, более высокая концентрация основных носителей заряда – свободных электронов.

21

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Дефекты кристаллов ‒ это нарушения периодичности расположения частиц в кристаллической решётке, возни-кающие в процессе роста кристаллов или их фазовых превращениях, под влиянием тепловых, механических, электрических и других воздействий, при введении примесей. Дефекты кристаллической решетки оказыва-ют существенное влияние на физические, химические, технологические, эксплуатационные свойства материала.Все дефекты принято делить на две основные группы: геометрические дефекты и энергетические дефекты. При появлении геометрических дефектов кристаллическая решетка локально искажается. При наличии энергетических дефектов атомы остаются на своих местах, но энергия одного или группы атомов оказывается повышенной.

Дефекты кристаллических решеток

22

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Дефекты кристаллических решетокВ свою очередь, геометрические дефекты принято делить на:точечные дефекты.линейные дефекты.поверхностные дефекты.объемные дефекты.Протяженность точечных дефектов во всех направлениях мала.Протяженность линейных дефектов велика в одном направлении и мала в двух других направлениях. Поверхностные дефекты имеют большую протяженность по двум направлениям и малую по одному. Объемные дефекты имеют большую протяженность по всем направлениям.23

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Точечные дефектыК точечным дефектам относятся:вакансия; межузельный атом; примесные атомы замещения и внедрения.

вакансия атом замещенияидеальная решетка атом внедрения24

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Вакансия представляет собой свободный, не занятый атомом, узел кристаллической решетки. Число вакансий и их концентрация возрастают с повышением темпера-туры. Межузельный атом ‒ это атом основного элемента, который занимает промежуточное положение между узлами решётки. Соседние атомы в узлах кристалличес-кой решётки немного смещаются, вызывая при этом небольшую деформацию.Атомы примеси тоже могут занимать межузельное положения в кристаллической решётке.

25

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Примесный атом внедрения располагается в междоузлии кристаллической решетки. В металлах примесями внедрения обычно являются водород, углерод, азот и кислород. В полупроводниках ‒ это примеси, создающие энергетические уровни в запрещенной зоне, например, медь и золото в кремнии.Примесный атом замещения занимает место атома основного элемента в узле кристаллической решетки. В позициях замещения могут находиться атомы, которые по своим размерам и электронным свойствам относительно слабо отличаются от атомов основы.

26

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Линейные дефектыЛинейные дефекты ‒ это дислокации, цепочки вакансий, межузельных атомов и т. д.Главную роль среди дефектов этого вида играют дислокации, основными типами которых являются:краевая дислокация; винтовая дислокация.Дислокация представляет собой край недостроенной атомной плоскости, обрывающейся внутри кристалла.Наличие и характер дислокаций в кристалле вещества определяет его важнейшие механические свойства: прочность и пластичность.

27

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Краевую дислокацию можно представить как результат внедрения в решетку кристалла лишней атомной полуплоскости.

Краевая дислокация создается лишним слоем атомов, вдвинутым в кристалл словно лист бумаги между двух страниц книги. Краевые дислокации могут возникнуть в процессе образования кристалла, когда два растущих кристалла встречаются под небольшим углом и соединяются в единое целое. 28

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Винтовая дислокация представляет собой дислока-ционные ступени или изломы, возникающие на поверхности за счет сдвига одной части кристаллов относительно другой.

Совсем не обязательно, чтобы дислокация была целиком краевого или винтового типа. Дислокационная линия может начаться как краевая, а закончиться ‒ как винтовая, и наоборот.

Винтовая дислокация часто играет важную роль в росте кристаллов. Многие кристаллы предпочитают расти со встроенной внутрь дислокацией, словно по спирали создавая новый слой на базе предыдущего.

29

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Специальное введение дефектов или их устранение является важнейшей частью технологии производства электротехнических и электронных материалов: примес-ных полупроводников, активированных люминофоров, лазерных и фотохромных кристаллов и стёкол.На сегодняшний день разработан комплекс различных методов, позволяющих изучить расположение и основные характеристики таких дефектов кристаллов, как дислокации, точечные дефекты и пр. Среди этих методов можно выделить ионную и электронную микроскопию, оптические и рентгено-дифракционные методы. Скопления дефектов могут помочь определить вихретоковый или ультразвуковой дефектоскопы.30

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021 31

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Материалы, используемые в электронной технике можно разделить на функциональные и конструкционные.Функциональные материалы обеспечивают реализацию определенных функций в элементах электронных устройств. При использовании этих материалов в первую очередь принимаются во внимание их электрические свойства.Конструкционные материалы предназначены для изготовления корпусов и деталей различных приборов и устройств электронной техники.Эти материалы выполняют вспомогательные функции. К ним предъявляются жесткие эксплуатационные, технологические и экономические требования.

32

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Электропроводность материаловОдной из важнейших характеристик электротехнических материалов является их электропроводность.Электропроводность (S) – величина, характеризующая способность веществ проводить электрический ток. Определяется наличием в них подвижных заряженных частиц (носителей заряда) ‒ электронов, ионов, их концентрацией и подвижностью. В СИ единицей измерения электрической проводимости является сименс (См), величина обратная Ом.Наибольшей электропроводностью обладают металлы, сплавы, электролиты и ионизованные газы, называемые проводниками, наименьшей ‒ диэлектрики. Промежу-точное положение занимают полупроводники.

33

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Электрическое сопротивление материаловВеличина, обратная электропроводности (1/S) называет-ся электрическим сопротивлением. Физической величиной, характеризующей электричес-кие свойства материала, является его удельное электро-сопротивление ρ. Величина ρ определяется природой объекта и не зависит от его формы и размеров. Основой изучения электрических свойств металлов и сплавов является закон Ома, согласно которому разность потенциалов на концах проводника U напрямую зависит от силы тока I и электрического сопротивления проводника R:

U = R х I

34

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Сопротивление проводника зависит от его размеров:R = ρ * l / S, гдеl - длина проводника, S - площадь его поперечного сечения. По международной системе СИ сопротивление R измеряется в Ом, а удельное сопротивление ρ ‒ в Ом*м . Величина обратная ρ, называется удельной электро-проводностью и измеряется в (Ом*м)-1

γ = 1 / ρ .35

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Энергетические схемы кристаллических твердых телВсе тела в зависимости от их электрических свойств подразделяются на диэлектрики, полупроводники и проводники. Различие между ними наиболее наглядно можно показать с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердых тел.Атом каждого вещества характеризуется наличием определенных энергетических уровней (состояний). Часть этих уровней заполнена при нормальном, невозбужденном состоянии атома, на других уровнях электроны могут находиться только тогда, когда атом подвергнется внешнему воздействию, т.е. когда он возбужден.

36

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Стремясь к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии в момент перехода электрона с возбужденных уровней на уровни, при которых его энергия минимальна. Энергетические диаграммы проводников (металлов), полупроводников и диэлектриков выглядят следующим образом:

37

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021 38

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Металлы Неметаллические проводящие материалы

Материалывысокой проводимости

Металлы и сплавыразличных назначений

Сплавы высокойсопротивляемости

Сверхпроводящие материалы

Про

в одя

щие

м

оди ф

икац

ии у

глер

ода

Ок с

идны

епр

овод

я щие

мат

ериа

лы

К онт

акт о

лы

Керм

еты

Тугоплав кие металл

ыБлаго р

о дные металлы

Металлы

со сре дне й

пла вле ния

to Металлы

с не высокой пл авл

е нияto Прип ои Контак

тныематери

алыМате ри

алы испл авы

дляте рмоп

арСпл авы

для электро-

вакуумных приборов

Металлические материалы

Обобщенная классификация проводниковых материалов

39

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Электропроводность проводниковых материаловОсновными носителями заряда в металлических мате-риалах являются свободные электроны, появляющиеся при образовании металлической связи. Как известно, металлическая связь образуется между атомами элементов с валентной электронной оболочкой заполненной менее, чем на половину. В этом случае валентные электроны отрываются от атомов и обна-жается полностью заполненная электронная оболочка. При этом валентные электроны становятся свободными, образуя «электронный газ». Чем выше плотность электронного газа, тем плотнее упакована кристаллическая решетка металлов. 40

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Общие сведения о проводниках

Проводниками электрического тока могут служить твердые тела, жидкости, а также (при соответствующих условиях) газы.Металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода являются важнейшими ТВЕРДЫМИ ПРОВОДНИКАМИ, применяемыми в электротехнике. К ЖИДКИМ ПРОВОДНИКАМ относятся расплавлен-ные металлы и различные электролиты.

41

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Механизм прохождения электрического тока через металлы как в твердом, так и жидком состояниях обусловлен движением свободных электронов, вследст-вие чего их называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками I-го рода.Проводниками II-го рода или электролитами, явля-ются растворы (в основном, водные) кислот, щелочей и солей, а также расплавы ионных соединений.Прохождение тока через такие проводники связано с переносом вместе с электрическими зарядами частей молекул (ионов), в результате чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза.

42

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Твёрдые проводникиТвердыми проводниками являются металлы, метал-лические сплавы и некоторые модификации углерода.Среди металлических проводников различают:металлы, обладающие высокой проводимостью, которые используются для изготовления проводов, кабелей, проводящих соединений в микросхемах, обмоток трансформаторов, волноводов и т.д.;металлы и сплавы, обладающие высоким сопротивлением, которые применяют в электронагревательных приборах, лампах накаливания, резисторах, реостатах и т.д.

43

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Жидкие проводникиК жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Так как температура плавления металлов высока, за исключением ртути (Tпл = ‒390С) и галлия (Tпл = 29,80С), то при нормальной температуре в качестве жидкого металли-ческого проводника могут быть применены только эти материалы. Другие металлы являются жидкими проводниками лишь при повышенных или высоких температурах.

44

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Газообразные проводникиВсе пары и газы, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являют-ся проводниками. Если же напряженность поля выше некоторого критического значения, обеспечивающего начало ударной и фото- ионизации, то газ может стать проводником, обладающим электронной и ионной электропроводностями. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов и положительных ионов в единице объема представляет собой особую равновесную проводящую среду, называемую плазмой.

45

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Сферы применения проводниковых материаловВсе проводниковые материалы по их назначению можно условно разделить на три группы: материалы высокой электропроводности, используемые для изготовления проводников; металлические материалы высокого удельного электрического сопротивления, применяемые для изготовления резисторов и нагревательных элементов; материалы для изготовления контактов.

46

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Группы металлических проводниковых материалов

Металлические проводниковые

материалы

Материалы высокой проводимости(удельное сопротивление не более 0,05 мкОм⋅м)

Сплавы высокого сопротивления(удельное сопротивление не менее 0,3 мкОм⋅м)

Металлы и сплавы различного назначения

Неметаллические проводящие материалы

Сверхпроводящие материалы

47

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021 48

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Основные требованияК материалам высокой электропроводности предъявля-ются следующие требования:высокая электропроводность;высокая механическая прочность;технологичность, т.е. способность к сварке, пайке, высокая пластичность;высокая коррозионная стойкость;низкая стоимость.

Наибольшей электропроводностью обладают чистые металлы Ag (серебро),­ Cu (медь), Al (алюминий), Au (золото).

49

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Наибольшую электропроводность из всех металлов имеет серебро. При комнатной температуре его удельное электрическое сопротивление составляет 0,0150 мкОм×м. Серебро пластично, ‒ относительное удлинение при растяжении порядка 50%. Серебро обладает высокими теплоемкостью, тепло-проводностью и коррозионной стойкостью. У серебра высокая плотность ‒ 10,49 Мг/м3 (плотноупакованная ГЦК-решетка), поэтому серебро активно диффундирует в керамику, что позволяет создавать прочные покрытия керамики серебром (керамические конденсаторы).

Серебро – Ag

50

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

К недостаткам серебра как проводникового материала относятся его стоимость, а также взаимодействие серебра с серой с образованием Ag2S (сульфид серебра, вырожденный полупроводник).Образование сульфида серебра повышает электрическое сопротивление поверхностных слоев, что недопустимо в высокочастотной технике. Кроме того, в определенных условиях кристаллы сульфида серебра растут в виде тонких "усов" и в ходе роста могут замыкать участки электрической цепи, поэтому не рекомендуется приме-нять серебро по соседству с эбонитом, резиной и другими материалами, содержащими серу.51

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Медь – CuМедь обладает достаточно малым удельным электро-сопротивлением ‒ 0,0168 мкОм×м, пластична и высоко- прочна. Медь относится к той же подгруппе, что и серебро, и золото, но она более активна и образует соединения с О2, СО2, Н2О. Поэтому при пайке или сварке меди приходится использовать флюсы, – вещества, удаляющие с поверхности материала оксиды. Химические соединения меди нестойки и удаляются простейшим флюсом – раствором канифоли в спирте или ацетоне, поэтому медь достаточно технологична.52

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Наибольшее распространение получила медь марок М1 (99,90% Cu) и М0 (99,95% Cu). Основной примесью в меди является кислород, присутст-вующий в виде закиси меди. В электровакуумной технике применяют безкислородную медь.

53

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Алюминий – AlУдельное сопротивление алюминия в 1,6 раз выше, чем у меди, но алюминий в 3,5 раза легче меди. Благодаря этому при одинаковом сопротивлении и одинаковой длине алюминиевые провода в два раза легче медных, несмотря на большее поперечное сечение.К тому же алюминий дешевле меди. Именно эти обстоятельства привели к широкому применению алюминия в электротехнике.Характерной особенностью алюминия является наличие на его поверхности химически стабильной пленки Al2O3. Окисная пленка затрудняет пайку алюминия.54

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Сплавы на основе благородных металловВ тех случаях, когда требуется высокая стойкость к окислению материала, используют материалы высокого сопротивления на основе благородных металлов: серебра, платины, палладия. Типичным представителем таких материалов является серебряный манганин, ‒ сплав на основе серебра, включающий марганец (Mn, до 17%) и олово (Sn, до 7%). Из проволок такого сплава изготавливают миниатюрные потенциометры и резисторы.

55

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021 56

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Материалы высокого электрического сопротивления используются для поглощения электрической энергии и преобразования ее в тепло. К ним предъявляются следующие требования: высокое удельное сопротивление; высокая механическая прочность; технологичность, т.е. способность к сварке, пайке, высокая пластичность; высокая коррозионная стойкость; низкая стоимость; малый температурный коэффициент сопротивления.

Основные требования

57

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Сплав на основе меди.Состав: 40% никеля (Ni), 1,5% марганца (Mn), остальное ‒ медь. Константан характеризуется высоким удельным сопротивлением (0,5 мкОм×м), он пластичен и прочен. Название этого сплава подчеркивает неизменность сопротивления при изменениях температуры, ‒ практически в диапазоне температур от –1000С до +1000С его удельное сопротивление остается постоянным, т.е. температурный коэффициент сопро-тивления (αρ) равен 0. При нагреве на поверхности константана образуется окисная пленка, обладающая изоляционными свойствами, что позволяет плотно навивать константановую проволоку при условии, что напряжение между витками не превышает 1 В. Применение константана для изготовления прецизионных резисторов ограничено высоким значением термоЭДС в паре с медью (40 мкВ/0С). Сплав используется в термопарах для измерения температур до 5000С.

Константан

58

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Сплав на основе меди с добавлением никеля и марганца. Состав: 68,5% меди (Cu), 30% никеля (Ni) и 1,5% марганца (Mn). Маркировка: МНМц30-1,5Из-за меньшего содержания никеля сплав более дешев, однако его удельное сопротивление меньше, чем у константана: ρ=0.35 мкОм×м. Кроме того, температурный коэффициент удельного сопротивления сплава отличен от нуля. Этот сплав, в основном, используют для изготовления пусковых и регулировочных реостатов.

Никелин

59

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Сплав меди, никеля и цинка: МНЦ15-20.Состав: 65% меди (Cu), 15% никеля (Ni) и 20% цинка (Zn).Замена никеля более дешевым цинком приводит к существенному уменьшению стоимости сплава. Сплав обладает достаточно высоким удельным сопротивлением: ρ=0.3 мкОм×м. Столь высокое удельное сопротивление вызвано тем, что у размер иона цинка меньше размера иона меди, а размер иона никеля больше размера иона меди. Поэто-му суммарные искажения кристалличес-кой решетки велики, что затрудняет продвижение электронов.

Нейзильбер

60

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

В результате пластической деформации (штамповки) у нейзильбера повышается упругость и прочность, что позволяет использовать его для изготовления упругих элементов (пружин, мембран, сильфонов).

Нейзильбер не рекомендуется применять при работе в области температур 300-4000С. При этих температурах, активная диффузия цинка к границам зерен приводит к образованию вдоль границ интерметаллидной пленки, что ведет к увеличению хрупкости сплава.61

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Сплав на основе меди, МНМц-3-12.Состав: 80% меди (Cu), 3% никеля (Ni) и 12% марганца (Mn). Достаточно дешевый сплав, отличающийся высоким удельным сопротивлением: ρ=0.45 мкОм×м, и низкой термоЭДС в паре с медью. Сопротивление манганина почти не меняется в области комнатных температур, поэтому в резисторах измерительных приборов высокого класса точности применяют только манганин. Недостатком сплава является низкая коррозионная стойкость и невысокая предельная рабочая температура: < 2000С.

Манганин

62

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Классическим никель-хромовым сплавом является нихром. Состав: 20% хрома (Cr), 80% никеля (Ni). При комнатной температуре в никеле растворяется 20% хрома, при этом ГЦК-решетка никеля сильно искажается ионами хрома. Это обстоятельство приводит к высокому удельному сопротивлению сплава: ρ=1,1 мкОм×м. Для повышения механической прочности в нихром вводят титан, молибден, кремний. Поверхность нихрома покрыта химически стойкими окислами, которые затрудняют пайку нихрома и защищают его от окисления при высоких температурах. Нихромы используются в электронагревательных элементах различных устройств, а также как элемент сопротивления в резисторах, реостатах и т.д.

Никель-хромовые сплавы

63

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Типичным представителем этой группы является сплав, в составе которого 23% хрома (Cr), 5% алюминия (Al), остальное ‒ железо. Сплав отличается высоким удельным сопротивлением: ρ=1,1 мкОм×м. Замена никеля на железо приводит к существенному удешевлению сплава, а наличие хрома и алюминия обеспечивают высокую стойкость к окислению. Недостатком является низкая пластичность, вызванная образованием интерметаллидных соединений, поэтому, несмотря на дешевизну, сплавы имеют ограниченное применение из-за низкой технологичности (трудность пайки и малая пластичность).

Железохромалюминиевые сплавы

64

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021 65

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Контактные материалыУ контактных материалов электропроводность должна быть достаточно велика, тогда как электропроводность материалов высокого электросопротивления должна быть мала.

66

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Типы электрических контактов

В электрических машинах и аппаратах могут встречаться только две неисправности: пробой изоляции и отсутствие контакта в нужном месте. В этой связи надежность электрических контактов является чрезвычайно важной задачей. Для того, чтобы правильно выбрать материал для контактов, необходимо определить вид контактов и условия их работы.Все контакты можно разделить на неподвижные и подвижные. Неподвижные контакты используются для длительного соединения. 67

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021 68

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Зажимные контактыВ зажимных контактах ‒ "клеммах", болтовых соединениях и т.п. ‒ собственно поверхность контакта заметно меньше поверхности накладываемых друг на друга проводников из-за наличием на поверхности деталей неровностей и слоя окислов. Чем мягче материал контактов и чем выше его коррозионная стойкость, тем меньше сопротивление контакта. При контакте разнородных материалов происходит интенсивная коррозия химически более активного элемента. Как следствие, появление окислов приводит к росту сопротивления контакта. Поэтому контакты обычно облуживают, т.е. покрывают слоем олова. Для особо надежных контактов применяют серебрение или золочение.

69

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Цельнометаллические контакты

Цельнометаллическими являются сварные или паянные соединения. Основными материалами, образующими цельнометаллические контакты, являются припои и сварочные присадки.Припоем называется металл или сплав, выполняющий роль связки при соединении твердых металлических тел методом паяния. Ранее припои делили на 2 основных класса: мягкие (на оловянной и свинцовой основах) и твердые (преимущественно на медной и серебряной основах). В качестве мягких припоев обычно используют сплавы свинца с оловом.В качестве твердых припоев используют: чистую медь, сплавы меди с цинком, сплавы меди с фосфором, сплавы на основе серебра. 70

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

В настоящее время число активно применяемых припоев очень велико, поэтому принятая ранее классификация часто оказывается неактуальной, и применяют деление припоев по температуре плавления: легкоплавкие и тугоплавкие. Классы припоев:Легкоплавкие (с температурой плавления ниже 4000С); к ним относятся припои на оловянной, свинцовой, кадмиевой, висмутовой и цинковой основах.Тугоплавкие (с температурой плавления превышающей 4000С); к ним относятся припои на медной, серебряной, золотой, алюминиевой, магниевой и никелевой основах.

71

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Свойства припоев:низкая температура плавления (ниже, чем у материала паяемых деталей);хорошая смачиваемость паяемых деталей;достаточно высокая механическая прочность;низкое удельное электрическое сопротивление;высокая коррозионная стойкость;низкая стоимость.

72

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Паяльные флюсыПомимо припоев при пайке используют флюсы – вещества, удаляющие окислы с поверхности паяемых изделий и защищающие поверхность расплавленного припоя от окисления. При пайке изделий из сплавов меди мягкими припоями в качестве флюса используют канифоль или ее раствор в спирте или ацетоне. Канифоль – это смесь органических кислот, которые хорошо растворяют окислы меди.

73

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

При пайке стальных деталей мягкими припоями в качестве флюса используют водный раствор хлорида цинка ("травленная соляная кислота") или нашатырь – хлористый аммоний.При пайке твердыми припоями в качестве флюса используют буру, борную кислоту, расплавы хлоридов металлов.После пайки рекомендуется удалять любые флюсы, для того чтобы повысить сопротивление коррозии паяного шва.

74

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Подвижные разрывные контакты

Разрывные контакты периодически замыкаются и размыкаются. На схеме:1.Обмотка электромагнита.2.Неподвижный сердечник.3.Подвижный сердечник.4.Неподвижные контакты.5.Подвижные контакты.6.Крепление подвижных контакты.

75

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

При работе разрывных контактов, между контактными площадками образуется электрическая дуга. Возникновение дуги ведет к росту температуры, а, следовательно, к снижению механической прочности, окислению материала контактов, появляется вероятность их сваривания, а также возможна эрозия материала.

Подвижные разрывные контакты

76

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Требования к материалам разрывных контактовДля того, чтобы материал разрывных контактов надежно работал, он должен удовлетворять следующим требованиям:

иметь высокую электропроводность; быть устойчивым к коррозии; иметь высокую температуру плавления; быть твердым; иметь высокую теплоту испарения; обладать высокой теплопроводностью; быть дешевым и недефицитным.

77

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Выбор материалов разрывных контактовДля малоответственных разрывных контактов (например, бытовые выключатели) в качестве материала обычно выбирают латунь – сплав меди с цинком. Наличие цинка в сплаве приводит к повышению механической прочности и росту коррозионной стойкости.Для ответственных контактов, работающих при малых напряжениях и коммутирующих малые токи (контакты маломощных реле), используют серебро.В тех случаях, когда рабочее напряжение на контактах велико, но токи небольшие, используют металлы платиновой группы (платину, палладий, иридий, осмий, рутений и родий). При коммутации больших токов, когда нагрев контактов велик, используют композиционные материалы (порошки вольфрама или молибдена пропитанные жидкой медью или серебром).78

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Для мощных контактов также используют металлокерамические композиции – серебро и окись кадмия. При разработке последнего материала учитывался тот факт, что при нагреве выше 900°С окись кадмия диссоциирует на пары кадмия и кислород. Давление в дуге возрастает, длина пробега ионов сокращается и дуга гаснет. При снижении температуры пары кадмия взаимодействуют с кислородом, и окись кадмия конденсируется на контакте. Таким образом, время работы контакта резко увеличивается.

79

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Подвижные скользящие контактыК материалам скользящих контактом, в основном, предъявляются те же требования, что и к материалам разрывных контактов. Однако особенно жестко ставится условие уменьшения износа при трении. Для снижения износа трения можно повысит твердость материала контактирующих пар и использовать электропроводную смазку. Для коллекторов электрических моторов используют холодно-деформированную медь, а для щеток используют графит. Для тяжелонагруженных машин используют металлографитовые щетки: медно-графитовые или бронзо-графитовые. 80

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021 81

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Из истории открытия …Вопрос зависимости электрического сопротивления металлов от температуры давно волновал умы учёных. Ещё в XIX веке в теорию электричества был введен термин идеальный проводник, т.е. проводник без электрического сопротивления. На тот момент уже было установлено, что при снижении температуры сопротивление металла уменьшается.Впервые сверхпроводимость была обнаружена в 1911 году в опытах с ртутью голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом.

82

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Хейке Камерлинг-Оннес работал над проблемой изменения свойств различных веществ при гелиевых температурах, в первую очередь, зависимости электрического сопротивления металлов изменения от температуры.Он обратил внимание на то, что электрическое сопротивление различных образцов при прочих равных условиях были тем меньше, чем чище оказывался металл. В те времена чистым металлом считалась только ртуть. Оннес заморозил её в сосуде, содержащем жидкий гелий, и приступил к измерению сопротивления. И вот тут его ожидал сюрприз, да ещё какой! При охлаждении в жидком гелии сопротивление ртути сначала плавно падало по мере снижения температуры, а при значении температуры 4.2 К сопротивление стало таким малым, что его вообще не удавалось зарегистрировать приборами, имевшимися в лаборатории.83

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Это была сенсация. Камерлинг-Оннес сразу стал знаменитостью, а в 1913 году ему была присуждена Нобелевская премия. Позднее список сверхпроводников ‒ Superconductors ‒ пополнили многие химические элементы, сплавы и соединения. В сверхпроводящем состоянии сопротивление образца прохождению электрического тока строго равно нулю. Поэтому по сверх-проводящей замкнутой цепи ток может сколь угодно долго циркулировать не затухая.«… Самое длительное существование незатухающего сверх-проводящего тока ‒ около двух лет ‒ было зафиксировано в Англии (этот ток циркулировал бы в кольце и поныне, если бы не перерыв в снабжении лаборатории жидким гелием, вызванный забастовкой транспортных рабочих). Даже спустя два года не было замечено никакого ослабления тока.»Цитата из статьи А. Буздина и А. Варламова «Страсти по сверхпроводимости в конце тысячелетия» (журнал КВАНТ №1, 2000)

84

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Температура перехода некоторых веществв сверхпроводящее состояние, K

Вещество Порядковый номер элемента ТемператураW (Вольфрам) 74 0.01Hf (Гафний) 72 0.35Ti (Титан) 22 0.40Cd (Кадмий) 48 0.50Zn (Цинк) 30 0.88Al (Алюминий) 13 1.20In (Индий) 49 3.37Sn (Олово) 50 3.70Hg (Ртуть) 80 4.10Ta (Тантал) 73 4.50La (Лантан) 53 4.71V (Ванадий) 23 5.30Pb (Свинец) 82 7.20Nb (Ниобий) 41 9.22

85

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Перспективы практического применения открытого явления казались безграничными: линии передачи электроэнергии без потерь, сверхмощные магниты, электромоторы и трансформаторы новых типов и т.д. Однако существуют препятствия на пути реализации этих планов:Во-первых, охлаждение до чрезвычайно низких температур, при которых явление сверхпроводимости наблюдается в подавляющем большинстве известных материалов, требует наличия крайне дефицитного гелия, поэтому многие проекты использования сверхпроводимости оказались просто нерентабельными. Во-вторых, сверхпроводимость очень чувствительна к воздействию магнитного поля: в сильных полях она разрушается.

86

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Сверхпроводимость и диамагнетизм. Эффект МейснераПервое свойство сверхпроводников – отсутствие сопротивления – было обнаружено в 1911 г., и только в 1933 г. немецкие физики Мейснер и Оксенфельд экспериментальным путем установили, что имеется второе, не менее важное, свойство:

Сверхпроводник, охлаждённый ниже критической температуры в постоянном магнитном поле,

самопроизвольно выталкивает это поле из своего объёма, переходя в состояние, при котором магнитная индукция В = 0, т. е. в состояние идеального диамагнетизма. Это явление получило название эффекта Мейснера.

87

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Для магнитного поля сверхпроводник – непреодолимая преграда, плоскость, от которой, как от зеркала, отражается это поле. Малейшее движение магнита вызывает изменение магнитного поля сверхпроводящих токов – поле как бы следит за магнитом. С увеличением магнитного поля сверхпроводящие экранирующие токи тоже возрастают, чтобы сохранить идеальный диамагнетизм. Когда приложенное магнитное поле становится достаточно большим, экранирующие токи достигают своего критического значения и металл теряет сверхпроводящие свойства. При этом экранирующие токи исчезают, и магнитное поле проникает в металл.

88

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Диамагнетизм сверхпроводников можно продемонстрировать с помощью одного эффектного опыта. Представьте магнит, который свободно парит в воздухе над слоем сверхпроводящего материала.Этот эксперимент, называемый иногда "магометовым гробом" (по преданию, гроб с телом пророка Магомета висел в пространстве без всякой поддержки), был осуществлён в 1945г. московским профессором В. К. Аркадьевым. Если постоянный магнит положить на свинцовую пластинку, в которой циркулируют незатухающие сверхпроводящие токи, то магнит будет свободно парить над слоем сверхпроводника, полностью поддерживаемый собственным магнитным полем.Магнит будет «парить» до тех пор над поверхностью сверхпроводника, пока внешние условия не выведут его из сверхпроводящей фазы.

89

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Магнитная левитация сверхпроводника

http://youtube.com/watch?v=pPBsxylW2Z0 90

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Температурные шкалыНа рисунке приведены для сравнения значение температуры по шкале Фаренгейта, Цельсия и Кельвина в трех "опорных" точках: абсолютного нуля, таяния льда и кипения воды. 91

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

В 1986 году был открыт керамический материал, состоящий из бария, ртути, меди и кислорода, который достигал сверх-проводящего состояния при очень высокой (по меркам того времени) критической температуре – 135 К. Однако из-за своей хрупкости он с трудом поддавался обработке. На современном этапе у физиков новый фаворит – борид магния, который становится сверхпроводником при 39 К. Ученые из американской лаборатории Эймса попробовали напылить магний на волокна бора. Эффективность таких проводков оказалась раз в двадцать выше, чем у сверхпроводников на основе ниобия. Но попытки повысить критическую температуру с помощью разных примесей пока не принесли никакого результата.Самыми лучшими проводниками считались медь и серебро, но им свойственны большие потери энергии. В ХХI веке их уже теснят керамические сверхпроводники, которые могут передавать электричество без потерь, а значит, использовать электрическую энергию более эффективно.

92

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Сверхпроводящая керамика BSCСO (в ее составе: висмут, стронций, кальций, медь и кислород) была впервые получена еще в 1986 году, но применяться стала лишь теперь. Всё дело было в температуре. Для нормальной работы этот сверхпроводник нужно охладить до -1960С, поэтому прибегли к хитрости: эту керамику стали выпускать в виде не проводков, а тонкой ленты вроде скотча. Ленту наматывают на трубку, по которой течет жидкий азот, охлаждающий ее до нужной температуры. Фирма "American Superconductor" уже изготовила электродвигатель мощностью 1000 лошадиных сил, где в обмотках электромагнитов вместо медных проводов использованы керамические ленты. Мотор получился на треть легче обычного, да и заметно уменьшился в размерах; зато создается более мощное магнитное поле. Испытания нового двигателя прошли успешно. По оценкам экспертов, использование подобных двигателей сулит ежегодную экономию в миллиарды долларов.

93

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Явление сверхпроводимости

Явление сверхпроводимости состоит в том, что при некоторой температуре, близкой к абсолютному нулю, электросопротивление в некоторых материалах практи-чески исчезает. Эта температура называется критической температурой перехода (Tk) в сверхпроводящее состояние.Сверхпроводимость обнаружена более чем у 20 металлов и большого количества соединений и сплавов (Тк ~ до 23К), а также у керамик (Тк > 77,4К – высокотемпера-турные сверхпроводники.)

94

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021 95

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Элементы- сверхпроводники в таблице Менделеева

Синим цветом выделены в таблице выделены элементы, которые переходят в сверхпроводящее состояние при атмосферном давлении, зелёным ‒ только при высоком давлении. Более подробно на сайте http://www.superconductors.org/ в разделе Superconductor Information for the Beginner. 96

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021 97

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Магнитные материалы По поведению в магнитном поле электротехнические материалы подразделяют на:сильномагнитные или магнетики; слабомагнитные. Первые нашли особенно широкое применение в технике благодаря их магнитным свойствам.Большинство электротехнических материалов можно отнести к слабомагнитным или практически немагнитным. Однако и среди магнетиков следует различать проводящие, полупроводящие и практически непроводящие.

98

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Материалы электронной техники

Электро-технические материалы

Сильно магнитные

Проводниковые Полупроводниковые Диэлектрические

Слабо магнитные

Проводниковые Полупроводниковые Диэлектрические

Конструкционные и специальные

материалы

99

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Электрон, вращающийся вокруг атома, "производит" циклический электрический ток очень малой силы и радиуса, тем самым индуцируя магнитное поле. Фактически, все электроны, вращаясь вокруг атомов, производят свое магнитное поле, и, как следствие, каждый атом обладает собственным магнитным полем, которое представляет собой суммарное поле магнитных полей отдельных электронов.В атомах многих веществ электроны вращаются во всевозможных направлениях, и их магнитные поля взаимно гасятся. Однако в атомах некоторых элементов орбиты электронов могут быть ориентированы таким образом, что часть электронов производит магнитные поля, остающиеся не скомпенсированными полями электронов, вращающихся в противоположном направлении. 100

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

И когда такие магнитные поля, связанные с вращением электронов по орбите, к тому же оказываются одинаково направленными у всех атомов кристаллической структуры вещества, то вокруг него создается стабильное и достаточно сильное магнитное поле. Любой фрагмент такого вещества представляет собой маленький магнит с четко выраженными северным и южным полюсами. Именно совокупное поведение таких мини-магнитов атомов кристаллической решетки и определяет магнитные свойства вещества. По своим магнитным свойствам вещества делятся на три основных класса: ферромагнетики,

парамагнетики,

диамагнетики.

101

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Магнетик ‒ это вещество, способное намагничиваться во внешнем магнитном поле.Ферромагнетики также подразделяются на:собственно ферромагнетики;антиферромагнетики;ферримагнетики.

Магнетики

102

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Ориентация магнитных моментов соседних атомов при 0°К в веществах разной магнитной природы

103

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Основные термины и понятия

Ферромагнетики ‒ это вещества (как правило, в твёрдом кристаллическом или аморфном состоянии), в которых ниже определённой критической температуры (температуры Кюри) обладают самопроизвольной намагниченностью.

Заключается это в следующем: атомам (или ионам) при температуре ниже температуры Кюри оказывается энергетически выгодно выстроиться таким образом, чтобы их магнитные поля оказались однонаправленными и усиливали друг друга. Намагничивание ограничивается объемом, содержащим до нескольких десятков тысяч атомов, который принято называть доменом.

104

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

При температуре, называемой точкой Кюри, происходит самопроизвольное "разбиение" на маленькие области спонтанной намагниченности – домены, взаимная ориентация которых такова, что суммарная намагниченность равна нулю. При наложении внешнего магнитного поля ферромагнетик начинает намагничиваться. При этом происходит смещение границ доменов, быстрый рост доменов, ориентированных по полю, и завершается процесс так называемым насыщением. Процессы намагничивания и размагничивания ферромагнетиков не совпадают, а дают так называемую петлю гистерезиса.

Схема ферромагнитного фазового перехода

105

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Температура Кюри — температура фазового перехода, связанного со скачкообразным изменением свойств симмет-рии вещества.

К примеру, при температуре ниже температуры Кюри ферромагнетики обладают спонтанной намагниченностью, вызванной упорядоченной ориентацией магнитных момен-тов атомов.

При температуре выше температуры Кюри упорядочен-ность разрушается из-за сильных тепловых колебаний атомов. В результате этого ферромагнетик становится парамагнетиком.

Что такое "температура Кюри" ?

106

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Ферромагнетики подразделяют на магнитомягкие и магнитотвердые. Первые обладают малой коэрцитивной силой1 (до 800 A/m) и, значит, магнитной проницаемостью. Для вторых характерны большие значения коэрцитивной силы и остаточной намагниченности.Магнитотвердые ферромагнетики служат, в основном, для изготовления постоянных магнитов. Магнитомягкие ферромагнетики используют в электро-технике (трансформаторы, электромоторы, генераторы и др.), для изготовления магнитопроводов, элементов памяти ПК, в устройствах преобразования электро-магнитной энергии в механическую и наоборот, и т. д.1 Коэрцитивная сила – это напряженность магнитного поля, вызывающая магнитную индукцию ферромагнетика, равную нулю, в условиях циклического перемагничивания. 107

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

ФерримагнетикиФерримагнетики ‒ это вещества, которые ниже определён-ной критической температуры (точка Кюри) обладают само-произвольной намагниченностью. Термин "ферримагнетизм" ввел в 1948 году Л. Неель.Подобно ферромагнетикам ферримагнетики намагничива-ются во внешнем магнитном поле, имеют доменную структуру, обладают остаточной намагниченностью, выше точки Кюри переходят в парамагнитное состояние. Однако существование нескольких различных подрешеток в ферримагнетиках приводит к более сложной температурной зависимости самопроизвольной намагниченности и при определенной температуре (точка компенсации), намагни-ченность обращается в нуль, тогда как при температурах выше и ниже этой точки отлична от нуля. 108

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Ферримагнетик, так же как и антиферромагнетик, состоит из двух ферромагнитных подрешеток, магнитные моменты которых ориентированы навстречу друг другу. Однако в отличие от антиферромагнетиков эти магнитные моменты не равны друг другу, в результате чего образуется результирующая спонтанная намагниченность, которая исчезает выше температуры Кюри. Различие магнитных моментов подрешеток обусловлено тем, что подрешетки образуются из ионов разных элементов либо из ионов одного и того же элемента, но с разной валентностью.

Ферримагнетик с двумя неэквивалентными подрешётками

109

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

В ферримагнетике, несмотря на антипараллельное упорядочивание, полный магнитный момент может быть очень велик, по крайней мере, в пределах домена.

Ферримагнетики, в отличие от ферромагнетиков, являются магнитными диэлектриками. Они находят широкое применение в радиоэлектронике, для изготовления постоянных магнитов, в производстве запоминающих устройств (магнитные плёнки), элементов памяти, СВЧ-технике; из них производят: сердечники колебательных контуров, дроссели, трансформаторы, магнитные антенны, фазовраща-тели, линии задержки и т.д.

110

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Антиферромагнетизм – одно из магнитных состояний вещества, отличающееся тем, что магнитные поля соседних атомов выстраиваются строго параллельно, но в противоположных направлениях. Антиферромагнетики – частный случай ферримагнетиков, в которых магнитные моменты подрешеток с противоположно направленными магнитными моментами полностью компенсируют друг друга (скомпенсированный ферримагнетик).В каждом антиферромагнетике устанавливается определённый порядок чередования магнитных моментов, который вместе с направлением магнитных моментов относительно осей кристаллической решетки определяет антиферромагнитную структуру вещества.

Антиферромагнетики

111

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Такую структуру можно представить как систему вставленных друг в друга пространственных решёток магнитных ионов (называемых подрешётками), в узлах каждой из которых находятся параллельные друг другу магнитные моменты. Поэтому суммарные магнитные моменты подрешёток компенсируются. Под действием внешнего магнитного поля антиферромагнетики приобретают слабую намагниченность.

Схема антиферромагнитного фазового перехода

112

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Антиферромагнетик может быть представлен в виде двух эквивалентных ферромагнитных подрешёток, ориентированных антипараллельно. В общем случае число подрешёток может быть больше, а способ их взаимной ориентации сложнее, но при этом должно соблюдаться единственное условие – равенство нулю суммарного магнитного момента подрешёток.Температура, при которой происходит антиферро-магнитное упорядочивание, называется температурой Нееля1.

1 Температурой Нееля называют температуру, выше которой антиферромагнетик теряет свои специфические магнитные свойства и превращается в парамагнетик113

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

ПарамагнетикиВ большинстве веществ внутренние силы выравнивания магнитной ориентации атомов отсутствуют, домены не образуются, и магнитные поля отдельных атомов направлены случайным образом. Из-за этого поля отдельных атомов-магнитов взаимно гасятся, и внешнего магнитного поля у таких веществ нет. Но в то же время эти вещества обладают собственным ненулевым локальным магнитным моментом (например, нескомпенсированный атомный магнитный момент).114

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

При помещении такого вещества в сильное внешнее поле (например, между полюсами мощного магнита) магнитные поля атомов ориентируются в направлении, совпадающем с направлением внешнего магнитного поля, и мы наблюдаем эффект усиления магнитного поля в присутствии такого вещества. Вещества, обладающие подобными свойствами, называются парамагнетиками.Стоит убрать внешнее магнитное поле, как парамагнетик тут же размагничивается, поскольку атомы снова выстраиваются хаотично. Таким образом, парамагнетики характеризуются способностью к временному намагничиванию.115

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

ДиамагнетикиВ веществах, атомы которых не обладают собственным магнитным моментом (т.е. в таких, где магнитные поля гасятся еще в зародыше ‒ на уровне электронов), может возникнуть магнетизм иной природы: если вещество, не обладающее собственными магнитными свойствами, ввести в сильное магнитное поле, электроны на атомных орбитах, представляющие собой микро-скопические контуры с током, изменят характер своего движения таким образом, чтобы воспрепятствовать увеличению магнитного потока, то есть, создадут собственное магнитное поле, направленное в противоположную по сравнению с внешним полем сторону (согласно второму закону электромагнитной индукции Фарадея).Такие материалы принято называть диамагнетиками.В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетики не имеют магнитного момента.

116

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

СОВРЕМЕННАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ МАГНЕТИКОВ(по В.Л.Гинзбургу, Нобелевскому лауреату по физике 2004 года)

Тип магнетика Магнитная восприимчивость, χ

Диамагнетик - (10-9 – 10-4), μ<1

Парамагнетик 10-6 – 10-3, μ>1

Ферромагнетик 103 – 105 , μ(Н)>>1

Ферримагнетик 101 – 103 , μ(Н)>>1

Антиферромагнетик 10-4 – 10-6, μ>1

Сверхдиамагнетик (идеальный диамагнетик)

- 1 , μ=0

Магнитную восприимчивость можно рассматривать как количественную меру отклика вещества на приложенное внешнее магнитное поле. 117

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Сверхдиамагнетики (идеальные диамагнетики) – это вещества, магнитная проницаемость которых равна нулю. Благодаря этой особенности для сверхдиамагнетиков имеет место эффект Мейсснера-Оксенфельда, – полное выталкивание магнитного поля из объема сверхдиамагнетика.

Идеальными диамагнетиками являются все вещества, находящиеся в сверхпроводящем состоянии – низкотемпературные сверхпроводники (металлы) и высокотемпературные сверхпроводники (керамики).

В состоянии сверхпроводимости токи охватывают поверхность всего тела, и поэтому в сверхпроводнике возникают экранирующие токи такой величины, что создаваемое ими магнитное поле полностью компенсирует внешнее магнитное поле. Так что внутри сверхпроводящего тела магнитный поток равен нулю. Иначе говоря, возникает ситуация, при которой образец как бы препятствует проникновению в него магнитного потока внешнего поля.

Идеальный диамагнетик

118

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Сверхдиамагнетики (идеальные диамагнетики) – это вещества, магнитная проницаемость которых равна нулю. Благодаря этой особенности для сверхдиамагнетиков имеет место эффект Мейсснера-Оксенфельда, т.е. полное вытал-кивание магнитного поля из объема сверхдиамагнетика.

Идеальными диамагнетиками являются все вещества, находящиеся в сверхпроводящем состоянии:

низкотемпературные сверхпроводники (металлы)

и

высокотемпературные сверхпроводники (керамики).

Идеальный диамагнетик

119

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Поведение сверхпроводника в магнитном поле

С момента открытия сверхпроводимости в 1911 г. считалось, что величина магнитного потока в сверхпроводнике зависит от последовательности наложения магнитного поля и охлаждения образца до температуры фазового перехода. Однако 22 года спустя Мейснер и Оксенфельд показали экспериментально, что при температурах перехода проводников в сверхпроводящее состояние образцы спонтанно становятся идеальными диамагнетиками, при этом последовательность изменения внешних условий (Н и Т) не играет никакой роли. Обнаруженный эффект получил название эффекта Мейснера.

120

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021 121

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Что такое жидкий кристалл?

Жидкий кристалл – это специфическое агрегатное состояние вещества, в котором оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости. Большинство веществ могут находиться только в трех агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом, жидком и газообразном. Но некоторые органические вещества, обладающие сложными молекулами, кроме трех названных состояний, могут образовывать еще одно агрегатное состояние ‒ жидкокристаллическое, существующее в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость. 122

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Свойства жидких кристаллов Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает

текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов. Как и обычные кристаллы, жидкий кристалл обладает

упорядоченными в пространстве молекулами. Правда, это неполное пространственное упорядочение, которое означает, что у жидких кристаллов нет жесткой кристаллической решетки. Поэтому такие кристаллы, подобно обычным жидкостям, обладают свойством текучести. Обязательным свойством жидких кристаллов, сближающим их с обычными кристаллами, является наличие особого порядка

пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, что все длинные оси молекул в жидкокристаллическом образце ориентированы одинаково. Эти молекулы должны обладать вытянутой формой. 123

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Образование жидких кристаловЖидкие кристаллы, образующиеся при изменении температуры («частичном плавлении» твердой фазы), называются термотропными. Жидкие кристаллы, образующиеся при изменении концентрации поверхностно-активных веществ в растворителе, являются лиотропными.

124

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Основные типы жидких кристалловВ зависимости от характера расположения молекул, различают три основных типа термотропных жидких кристаллов: Смектические жидкие кристаллыили СМЕКТИКИ. Нематические жидкие кристаллыили НЕМАТИКИ. Холестерические жидкие кристаллы или ХОЛЕСТЕРИКИ.

125

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Смектические жидкие кристаллы

Смектические (от греч. "смегма" ‒ мыло, мазь) жидкие кристаллы могут быть образованы веществами, молекулы которых имеют вытянутую стержнеобразную форму и ориентированы параллельно друг другу, образуя тонкий слой. Смектическими жидкими кристаллами являются, например, радужные мыльные пузыри.

126

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Смектические жидкие кристаллы

Смектический слой обладает важней-шим свойством твердого кристалла ‒ анизотропией оптических свойств, т.к. вдоль длинной оси молекул свет распространяется с меньшей скоро-стью, чем поперек нее, и показатели преломления в жидком кристалле в этих направлениях различны.

127

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Нематические жидкие кристаллы

Нематические (от греч. "нема" ‒ нить) вещества содержат нитевидные частицы, которые либо осаждают-ся на стенки сосуда, либо остаются свободными. Эти нити выглядят "причесанными" и направлены параллельно друг другу, но могут скользить вверх и вниз. Нематические жидкие кристаллы не такие упорядочен-ные, как смектические. Нематические кристаллы можно сравнить с каранда-шами в коробке: каждый карандаш может вращаться и скользить вперед и назад, но все вместе карандаши должны оставаться практически параллельны друг другу.

128

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Частицы нематического жидкого кристалла реагируют на электрическое и магнитное поля так же, как железные опилки, располагаясь упорядоченным образом вдоль силовых линий поля.

Нематические жидкие кристаллы

129

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Холестерические жидкие кристаллы

Холестерические жидкие кристаллы имеют плоские и длинные молекулы собранные в слои так же, как у смектических, но внутри каждого слоя расположение частиц похоже больше на нематические жидкие кристаллы, т.е. направлены параллельно друг другу.Тончайшие соседние молекулярные слои в холестерическом жидком кристалле немного повернуты друг относительно друга, благодаря чему стопка подобных слоев описывает в пространстве спираль.

130

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Применение жидких кристалловДиапазон применения жидких кристаллов достаточно широк:Дисплеи на жидких кристаллах.Тестирование интегральных схем.Жидкокристаллические индикаторы температуры.Жидкокристаллические светофильтры.Применение жидких кристаллов для контроля литографических работ.Жидкокристаллические волноводы.

131

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Дисплеи на жидких кристаллахРабота жидкокристаллических мониторов невозможна без явления поляризации.Поляризация света возникает: когда свет под определенным углом падает на поверхность, отражается и становится поляризованным;. когда свет проходит через специальный поляризационный фильтр.Поляризованный свет также свободно распространяется в пространстве, как и обычный солнечный свет, но преимущественно в двух направлениях ‒ горизонтальном и вертикальном. Вертикальная составляющая приносит глазу человека полезную информацию, позволяя распознавать цвета и контраст. Тогда как горизонтальная составляющая создает "оптический шум" или блеск.

132

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Свет имеет комбинированную квантово-волновую структуру. Световые волны могут располагаться в разных плоскостях.

В LCD-мониторах используются поляризационные фильтры, пропускающие световые волны только в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Схематично эти фильтры можно изобразить в виде вертикальных и горизонтальных решёток.

133

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

В дисплеях на жидких кристаллах для управления поляризованными световыми волнами, в основном, используют нематические жидкие кристаллы. Обозначение жидкокристаллических мониторов STN означает "SuperTwisted Nematics", т.е. "суперперекрученные нематики" ! Если кристалл расположен поперёк световой волны, то свет не проходит.

134

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

При подаче электрического импульса на жидкий кристалл происходит флексоэлектрический эффект, т.е. кристалл поворачивается в пространстве так, чтобы через него начал проходить свет. Причём, величина светового потока напрямую зависит от величины подаваемого электроимпульса и, следовательно, от угла поворота жидкого кристалла.135

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Еще одна схема работы LCD монитора

136

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Дисплеи на жидких кристаллах активно применяются в калькуляторах, электроизмерительных приборах, автомобильной электронике.

137

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Применение жидких кристалловОдним из важных направлений использования жидких кристал-лов является ТЕРМОГРАФИЯ. Подбирая состав жидкокристалли-ческого вещества, создают инди-каторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы ‒ сильно нагретые или холодные, неработающие ‒ сразу заметны по ярким цветовым пятнам. 138

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Применение жидких кристаллов

Жидкокристаллические индикаторы температурыПринцип действия аналогичен термографии. Только в данном случае результатом действия жидких кристаллов является не калейдоскоп цветных пятен, а точная величина измеренной температуры.

139

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Жидкокристаллические светофильтрыСпособность жидких кристаллов менять свой цвет и прозрачность под действием электрического тока широко применяется в светофильтрах. Применение жидких кристаллов

140

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021 141

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Керамика в прошлом, настоящем и будущем Слово "керамика" пришло из древнегреческого языка ("керамос" – обожженная глина, "керамике" – гончарное искусство).Исторически керамикой считались изделия и материалы, получае-мые спеканием глин и их смесей с минеральными добавками. Первой разновидностью высокотехнологичной керамики был карбид кремния, производство которого одна из американских фирм начала почти 100 лет назад. Уже в то время термин "керамика" помимо традиционных материалов, изготавливаемых из глины, подразумевал материалы, получаемые из чистых, простых и сложных оксидов, карбидов, нитридов и т.д.После второй мировой войны одним из главных направлений развития высокотехнологичной керамики стало создание микрокомпьютеров и важнейших элементов электронной техники, включая конденсаторы, подложки интегральных схем, термисторы и варисторы. 142

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Понятие "керамика" в последнее время трансформировалось. Сейчас под керамикой понимают любые поликристаллические материалы, получаемые спеканием неметаллических порошков природного или искусственного происхождения. Это определение исключает из числа керамических материалов стекла, хотя нередко и их рассматривают как разновидность керамики.В 1987 году Георгу Беднорцу (на фото ‒ справа) и АлексуМюллеру (на фото ‒ слева)была присуждена Нобелевская премия за создание керамических сверхпроводников.

143

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Современное понятие керамикиСовременные виды керамики иногда делят на две группы: конструкционную керамикуифункциональную керамику. Под конструкционной понимают керамику, используе-мую для создания механически стойких конструкций, а под функциональной – керамику со специфическими электрическими, магнитными, оптическими и термическими функциями.

144

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Спектр применения керамикиВ семействе керамик легко можно найти материалы как с большими, так и малыми (даже отрицательными) значениями коэффициента термического расширения. Также широк спектр материалов, среди которых есть и диэлектрики, и полупроводники, и проводники (сравни-мые по проводимости с металлами), и сверхпроводники. Важнейшими компонентами современной конструкцион-ной керамики являются оксиды алюминия, циркония, кремния, бериллия, титана, магния, нитриды кремния, бора, алюминия, карбиды кремния и бора, их твердые растворы и разнообразные композиты.145

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Достоинства керамикиПерспективность керамики обусловлена многими факторами, среди которых наиболее важны следующие:Керамика отличается многофункциональностью (исключительным многообразием свойств) по сравнению с другими типами материалов. Среди видов керамики всегда можно найти такие, которые с успехом заменят металлы и полимеры, тогда как обратное возможно далеко не во всех случаях.Высокая степень доступности сырья для керамики, в том числе для получения бескислородной керамики типа карбидов и нитридов кремния, циркония или алюминия, заменяющих дефицитные металлы.

146

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Менее энергоемкая технология получения конструкционной керамики по сравнению с производством альтернативных металлических материалов. Затраты энергии на производство технической бескислородной керамики типа нитрида кремния значительно ниже, чем в производстве важнейших металлических конструкционных материалов.

Производство керамики, как правило, не загрязняет окружающую среду в такой мере, как металлургия, а керамические материалы позволяют принимать экологически оправданные технологические и технические решения.Примером может служить получение водорода высокотемпера-турным электролизом воды в электролизерах с керамическими электродами и электролитами. 147

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Керамические материалы обладают более высокими (по сравнению с металлами) коррозионной стойкос-тью и устойчивостью к радиационным воздейст-виям, что определяет долговечность керамических конструкций в агрессивных средах. Попытка замены магнитной керамики в качестве элементов компьютерной памяти на полупроводниковые интегральные элементы в космических аппаратах не удалась, т.к. оказалось, что полупроводниковые элементы под действием радиации перестают нормально функционировать.

Любое керамическое изделие состоит из огромного числа кристаллитов, размер, форма и относительное расположение которых определяют его свойства. Отсюда ‒ реальная перспектива дальнейшей микро-миниатюризации приборов с использованием керамических элементов. 148

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Получение керамики обычно более безопасно, чем производство альтернативных металлических мате-риалов, благодаря отсутствию процессов электро-лиза, пирометаллургии и воздействия агрессивных сред, а керамика со специальными электрическими свойствами позволяет создать высокоэффективные противопожарные системы и системы предупрежде-ния взрывов (электрохимические детекторы, или сенсоры). Возросший интерес современного материаловедения к конструкционной и функциональной керамике, обусловленный возможностью создания новых

материалов с необходимыми свойствами.149

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Важнейшие группы керамических материалов Керамические материалы с диэлектрическими свойствами Керамические материалы с электрическими свойствами Полупроводниковая керамика специального назначения Керамические материалы с магнитными свойствами Керамические материалы с оптическими свойствами Керамические материалы с химическими свойствами Конструкционная керамика 150

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Пьезокерамика ‒ разновидность керамики, способная поляризоваться при упругой деформации и, наоборот, деформироваться под действием внешнего электри-ческого поля. Пьезокерамические материалы, как правило, представ-ляют собой неорганические диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью, зависящей от напряженности электрического поля. Наиболее хорошо известна керамика на основе цирконата-титаната свинца, пьезоэлектрические свойства которого можно изменять в широких пределах благодаря добавкам: висмута или лантана, железа, алюминия или хрома. Пьезоматериалы широкое применяются в качестве электромеханических и электроакустических преобра-зователей. 151

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Керамические электролиты представляют собой твёрдые керамические элементы с высокой ионной подвижностью и соответственно ионной проводимостью.

Танталовый конденсатор с твердым электролитом152

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Керамика широко используется и как полупроводни-ковый материал специального назначения, в первую очередь, в терморезисторы и варисторах, изменяющих электросопротивление под действием соответственно температуры и приложенного напряжения. Основная область применения терморезисторов – термо-чувствительные датчики, сопротивление которых изменяется при повышении температуры. Они находят широкое применение в электронных приборах, системах противо-пожарного оповещения, дистанционного измерения и регулирования температуры.

153

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Варисторы используют как элементы устройств для защиты систем переменного тока от импульсных перенапряжений, в стабилизаторах напряжений и регуляторах токов низкой частоты.

154

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Важнейшим для электронной техники керамическим диэлектриком, несомненно, является оксид алюминия, который доминирует на мировом рынке. Основная область применения алюмоксидной керамики – подложки интегральных схем (представляют собой тонкие пластины, на которых собираются микросхемы) и подложки для корпусов чипов (больших интегральных схем). В отличие от пластмасс и фарфора, используемых в тех же целях, алюмоксидная керамика характеризуется уникальным сочетанием высокого электрического сопротивления и теплопроводности.

155

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Применение алюмоксидной керамики при изготовлении подложек для корпусов чипов (больших интегральных схем).

156

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Среди множества магнитных материалов, применяемых в технике, особое место занимают ферриты, основным компонентом которых является оксид железа. В промышленности ферриты начали использоваться около полувека назад; они были разработаны как альтернатива металлическим магнитам для снижения потерь энергии на перемагничивание. Такая замена возможна благодаря высокому электрическому сопротивлению керамики (примерно на восемь порядков) и, следовательно, значительному снижению вихревых токов и связанных с ними электромагнитных потерь.В состав ферритов могут входить оксиды многих металлов. Еще шире спектр ферритообразующих элементов.157

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Множество материалов с оптическими функциями включает:оптически прозрачную керамику; керамику с люминесцентными и электрохромными свойствами; светочувствительные керамические материалы. Первая информация о создании прозрачного керамичес-кого материала на основе оксида алюминия "Лукаллокс" появились 30 лет назад. В настоящее время известны десятки видов прозрачных керамик, создавае-мых на основе индивидуальных оксидов, их соединений друг с другом, а также бескислородных соединений. 158

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Для применения в различных областях техники перспективной оказалась керамика на основе оксида иттрия, высокопрозрачная в видимой и инфракрасной областях спектра. Поскольку материалы на основе прозрачного оксида иттрия, легированного ионами редкоземельных элементов (тербием, неодимом, эрбием, самарием), по интенсивности и количеству поглощения приближаются к соответствующим монокристаллам, появилась возможность использовать их для создания оптического квантового генератора. Керамика для лазера выгодно отличается от монокристаллов простотой технологии ее получения, а от лазерного стекла значительно более высокими теплопроводностью, термостойкостью и твердостью.

159

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

В виде плотной, пористой или порошкообразной керамики могут быть приготовлены практически любые неорганические вещества, что позволяет рассчитывать на многообразие их химических свойств и обусловленных этим химических функций. Химическая специфика керамики нередко проявляется в изменении физических свойств. Например, хемосорбция* различных газов на поверхности керамики сопровождается пропорциональным изменением ее электропроводности, что позволяет определить концентрацию тех или иных компонентов газовой смеси. На этом принципе основано действие большого числа созданных в последнее время газовых детекторов.Хемосорбция ‒ поглощение жидкостью или твёрдым телом веществ из окружающей среды, сопровождающееся образованием химических соединений. 160

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Конструкционная керамикаКонструкционные керамические материалы разделяют на две группы: оксидную керамику (включая силикаты и стеклокерамику); бескислородную (карбиды, нитриды, бориды). Долгое время керамику не рассматривали как возможный конструкционный материал. В первую очередь, это было обусловлено основным ее недостатком – хрупкостью. Но по другим основным эксплуатационным параметрам (термостойкости, твердости, коррозионной стойкости, плотности, доступности и дешевизне сырья) она существенно превосходит металлы и сплавы.Грандиозные перспективы открыты перед сверхпроводящей керамикой и совсем недавно созданной керамикой с гигантским магнитным сопротивлением, перед новым поколениями конструкционной керамики. Поэтому за керамикой большое будущее… 161

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021 162

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Вспомогательные материалы,

применяемые в компьютерной техникеКроме основных конструкционных материалов в компьютерной технике применяются и вспомогатель-ные, которые используются, к примеру для покрытия электрических контактов, для улучшения свойств конструкционных материалов, для повышения ёмкости аккумуляторов, для покрытия элементов солнечных батарей, для получения эффекта сверхпроводимости, а также в качестве припоев, флюсов и термопаст.

163

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Pb (свинец)

Свинец (лат. Plumbum), Pb, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 82, атомная масса 207,2.Свойства: Свинец обычно имеет грязно-серый цвет, хотя свежий его разрез имеет синеватый отлив и блестит. Однако блестящий металл быстро покрывается тускло-серой защитной пленкой оксида.

164

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Плотность свинца (11,34 г/см3) в полтора раза больше, чем у железа, вчетверо больше, чем у алюминия; даже серебро — довольно тяжёлый металл, легче свинца. Свинец очень легко плавится – при 327,5° С, кипит при 1751° С и заметно летуч уже при 700° С. Этот факт очень важен для работающих на комбинатах по добыче и переработке свинца.

165

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Свинец – один из самых мягких металлов. Он легко царапается ногтем и прокатывается в очень тонкие листы. Свинец сплавляется со многими металлами. С ртутью он дает сплав, называемый амальгамой.

166

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Применение свинца: для оболочек электрических кабелей, в качестве компонента типографских и антифрикционных сплавов, в качестве компонента полупроводниковых материалов,для изготовления пластин для аккумуляторов (около 30% выплавляемого свинца),в качестве компонента припоев,

167

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Применение свинца: в качестве компонента фотоэлектрических приборов и приёмников инфракрасного излучения активно используется сульфид свинца PbS,для защиты от гамма-излучения (стенки из свинцо-вых кирпичей).

168

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Защита от радиоактивного излучения Источники излучения всё больше проникают в нашу жизнь: рентгеновская аппаратура в медицине, рентгеноскопия сварных швов металлоконструкций, рентгеновские аппараты в аэропортах для проверки багажа, люминофоры, применяемые в светящихся циферблатах приборов тоже могут быть радиоактивныСвинец ‒ лучший материал для защиты от гамма- излучений. В ядерных реакторах и рентгеновских установках применяются стенки из свинцовых кирпичей и свинцовых пластин.

169

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Припои из свинцаОчень распространены оловянно-свинцовые припои. В маркировке ПОС40, ПОС50… цифры показывают содержание олова в процентах. Для получения специальных свойств в состав оловянно-свинцовых припоев вводя сурьму, кадмий, висмут и другие металлы.

170

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Основой источников бесперебойного питания (ИБП) являются свинцово-кислотные герметичные необслужи-ваемые аккумуляторы. Например, в данной модели применяются три последо-вательно соединённые 12-вольтовые АКБ емкостью 9 А.Источники бесперебойного питания (ИБП) предназначены для электропитания и защиты по цепи питания серверов, компьютерных сетей, телекоммуникационного и другого оборудования от неполадок в питающей электросети. 171

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Свинец в аккумуляторных батареях Висмутат свинца PbBiO3, сульфид свинца PbS, иодид свинца применяются в качестве катодного материала в литиевых аккумуляторных батареях. 

172

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Sn (олово) Олово (лат. Stannum), Sn, химический элемент с атомным номером 50, атомная масса 118,710. В обычных условиях оно существует в виде b-модификации (белое олово), устойчивой выше 13,2°C. Температура плавления 231,9°C. Белое олово ‒ это серебристо-белый, мягкий, пластичный металл.

173

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Олово применяется также в химических источниках тока в качестве анодного материала, напр.: марганцево-оловянный элемент, окисно-ртутно-оловянный элемент. Перспективно использование олова в свинцово-оловянном аккумуляторе.Так, например, при равном напряжении, по сравнению со свинцовым аккумулятором свинцово-оловянный аккуму-лятор обладает в 2,5 раза большей емкостью и в 5 раз большей энергоплотностью на единицу объёма,внутреннее сопротивлениеего значительно ниже.174

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

В старые времена наблюдавшееся во время сильных холодов рассыпание оловянных изделий называли «оловянной чумой». В результате этой «чумы» пуговицы на обмундировании солдат, их пряжки, кружки, ложки рассыпались, и, по легенде, армия Наполеона именно из-за этого могла потерять боеспособность.

175

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

При охлаждении, например, при морозе на улице, белое олово переходит в a-модификацию (серое олово). Фазовый переход b-Sn a-Sn сопровождается увеличением удельного объема на 25,6% (плотность a-Sn составляет 5,75 г/см3), что приводит к рассыпанию олова в порошок. Одна модификация переходит в другую тем быстрее, чем ниже температура окружающей среды. При −33 °C скорость превращений становится максимальной и олово превращается в порошок. Причём соприкосновение серого олова и белого приводит к «заражению» последнего.

176

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Применение олова: покрытие оловом ‒ лужение железа и получение белой жести, которая используется в консервной промышлен-ности (33% всего добываемого олова),в виде сплавов с медью, медью и цинком, медью и сурьмой (подшипниковый сплав, или баббит), с цинком (упаковоч-ная фольга) и в виде оловянно-свинцовых и оловянно-цинковых припоев,для создания тонкой фольги ‒ станиоля, такая фольга находит применение при производстве конденсаторов, органных труб, посуды, художественных изделий,для нанесения защитных покрытий на железо и другие металлы, а также на металлические изделия (лужение),дисульфид олова SnS2 применяют в составе красок, имитирующих позолоту («сусальное золото»).

177

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

При производстве компьютерной техники широко применяется пайка ‒ технологическая операция для получения неразъёмного соединения деталей из раз-личных материалов путём введения между этими деталями расплавленного материала (припоя), имеюще-го более низкую температуру плавления, чем материал (материалы) соединяемых деталей.В качестве припоя используют сплавы оловянно-свинцовые ( t° пл. 220 °C), оловянно-серебряные (с t° пл. 779 °C), медно-цинковые ( t° пл. 865 °C) и т. д. 178

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Мягкие и легкоплавкие свинцово-оловянные припои хорошо смачивают поверхность большинства металлов, обладают высокой пластичностью и сопротивлением усталости. Однако область их применения ограничивается из-за недостаточной механической прочности самих припоев. Пайка может выполняться ручным способом ‒ с помощью паяльника…

179

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

…или волной припоя, которая появилась 30 лет назад. Этот метод применяется для пайки электронных компонентов в отверстиях плат. Процесс пайки прост: платы, установленные на транспортере, подвергаются предварительному нагреву, исключающему тепловой удар на этапе пайки. Затем плата проходит над волной припоя…

180

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Сплавы свинца, сурьмы и олова  применяются при производстве  подшипников скольжения. Из всех антифрикционных сплавов наилучшими свойствами обладают оловянные баббиты, в составе которых до 90% олова.

Подшипники скольжения широко применяются в компьютерных устройствах, требующих вращения при работе: HDD и CD\DVD приводах, вентиляторах и т. п. 181

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Олово хорошо защищает корпусные детали и контакты от коррозии.

Наконечники проводов также покрыты оловом.Например, у разъёма DRB-9MB материал корпуса ‒ сталь, покрытая цинком или оловом, а материал контактов ‒ фосфористая бронза, покрытая оловом.

182

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Определённые проблемы могут возникнуть при совместном использовании компонентов с контактами, покрытыми разными металлами. Например, золотом и оловом. Это может привести к электрохимической коррозии и сбоям в работе компьютера.PCI-USB адаптер с контактами, покрытыми оловом. PCI-USB адаптер с контактами, покрытыми золотом.

183

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

в виде проволоки диаметром 0,5-1,5 мм, содержащей от 4 до 44 тысяч волокон диамет-ром 1-3 мкм в бронзовой матрице и медной стабили-зирующей оболочке.

На основе сплава олова с ниобием Nb3Sn создан сверхпроводящий композиционный материал ‒

184

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Сd (кадмий) Кадмий  при нормальных условиях ‒ мягкий ковкий тягучий металл серебристо-белого цвета. Устойчив в сухом воздухе, во влажном на его поверхности образуется плёнка оксида, препятствующая дальнейшему окислению металла. Кадмий часто используется как компонент твёрдых припоев (сплавов на основе серебра, меди, цинка) для снижения их температуры плавления. Например, припой оловянно-свинцово-кадмиевый применяется для ступенчатой пайки конденсаторов.

185

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Применение кадмия

Фтороборат кадмия ‒ важный флюс, применяемый для пайки алюминия и других металлов.Сульфид кадмия применяется для производства плёночных солнечных батарей с КПД около 10—16 %.

186

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Около 20% кадмия идет на изготовление кадмиевых электродов, применяемых в аккумуляторах (никель-кадмиевых и серебряно-кадмиевых), свинцово-кадмие-вых элементах, ртутно-кадмиевых элементах и др.

187

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Кадмий используется как компонент полупровод-никовых материалов и люминофоров, используемых в светодиодах. Люминофоgр ‒ это вещество, способное преобразовывать поглощаемую им энергию в световое излучение (люмине-сцировать).

188

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Bi (Висмут) Висмут представляет из себя при нормальных условиях серебристо-серый металл с розоватым оттенком. Один из самых красивых искусственных кристаллов - это висмут. Радужную окраску (побежалость) придает ему тонкий слой окисла на поверхности.

189

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Висмут является сильнейшим диамагнетиком, т.е. веществом, намагничивающимся против направления внешнего магнитного поля. Объекты из висмута могут «висеть» (летать) в магнитном поле. Это явление называется диамагнитной левитацией. Левитация (от лат. levitas «облегчение») ‒ явление, при котором предмет без видимои¬ опоры «пари°т» в пространстве, не притягиваясь к поверхно-сти (Земли, воды, пр.).

190

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Применение висмута

Олово-висмутовое покрытие востребовано в сфере радиоэлектроники, оно улучшает антикоррозионные и антифрикционные свойства изделий, а также обеспечивает хорошую паяемость. Добавление висмута к олову предотвращает переход белой модификации олова в серую. Висмутовые припои применяют при необходимости низкой температуры плавления, например, при пайке автоматически действующих противопожарных установок и плавких предохранителей.

191

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Висмут при концентрации всего 0,003 %, используется в нержавеющей стали, резко улучшая её качество. Висмут улучшает качество алюминиевых сплавов. Теллурид и селенид висмута применяются в полу-проводниковых микросхемах и термоэлектрических приборах для измерения параметров токов высокой частоты. Высокоэффективный материал на основе висмут-цезий-теллур Bi-Cs-Te не теряет своих свойств при сверхнизких температурах и используется в системах охлаждения для суперпроцессоров.

192

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Сплавы висмута и марганца (Mn) характеризуются ферромагнитными свойствами и поэтому идут на изготовление мощных постоянных магнитов; Висмут используется в плавких элементах противо-пожарной сигнализации; Висмут применяется в плавких предохранителях электрических цепях; Висмут входит в многие виды припоев.

193

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Ni (никель) Никель ‒ это пластичный ковкий металл серебристо-белого цвета, при обычных температурах на воздухе покрывается тонкой плёнкой оксида. Химически малоактивен. Серебристо-белый металл, не тускнеет на воздухе. Никель является ферромагнетиком с точкой Кюри 358 °C.Среди химических элементов ферромагнитными свойствами обладают переходные элементы Fe, Со и Ni.194

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Никелирование – одно из самых широко распростра-ненных покрытий. Никелирование деталей позволяет увеличить их срок службы, т.к. защищает от окисления.Преимущественно такое покрытие наносится на различные сплавы, такие как: алюминий, цинк или медь, намного реже этому покрытию подвергаются молибден и титандля обеспечения теплопроводности, коррозийной стойкости и предотвращения влияния электромагнитных полей.

195

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Благодаря никелю, изделия становятся более защищен-ными от внешних воздействий, а их износостойкость при этом повышается. Что же касается декоративности, то вещи приобретают неповторимый внешний вид.Никелирование, в отличие от других покрытий, может наноситься не только на металлические, но и на другие поверхности. Сегодня существуют технологии, которые позволяют никелировать изделия из фарфора, пластмассы, стекла, керамики и другие поверхности.

196

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Никель активно используется в производстве аккумуляторов: железо-никелевых, никель-кадмиевых, никель-цинковых, никель-водородных .

197

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Au (Золото)

Золото ‒ благородный металл, т.е. металл, не подвер-женный коррозии и окислению.Золото ‒ тяжелый, пластичный металл жёлтого цвета, незаменимый как материал для электрических контактов.

198

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

С золотом связано много разных легенд, например, что без что без позолоченных контактов идеального звуча-ния не добьешься. На рисунке справа показаны провода с разъёмами класса «люкс» за 2800$ и обычные за 4$.

199

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Считалось, что золото обеспечивает минимальное сопротивление при проходе сигнала по кабелю, и звук доходит в первозданном виде. Однако измерения показали, что качество передачи от наличия золота не изменяется.

200

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Ввиду низкого сопротивления и высокой коррозийной стойкости покрытия из золота на соединителях в разъемах для кабелей терминалов, колодках для интегральных схем и панелях печатных схем широко используются в производстве ноутбуков. В покрытия, наносимые на скользящие детали, для повышения твердости и износостойкости может добавляться небольшое количество никеля или кобальта.

201

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Золото присутствует во многих элементах материнской платы: разъёмах IDE, слотах PCI Express, PCI, AGP, ISA и других портах, в перемычках, в сокете процессора и слотах DIMM (SIMM на старых материнских платах).Все эти разъёмы часто покрывают тонким слоем золота толщиной в несколько микрон.

202

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Pt (платина) Благородный металл серо-стального цвета. Платина является одним из самых инертных металлов. Она нерастворима в кислотах и щелочах, за исключением царской водки (смесь концентрированных азотной и соляной кислот, взятых в соотношении 1:3 по объему).

203

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Применение платины:Изготовление миниатюрных магнитов огромной силы (сплав платина-кобальт, ПлК-78).

Специальные полупрозрачные зеркала для лазерной техники

Звукосниматель проигрываетля с платиновым магнитом Тензометр204

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Платиновые покрытия для элементов СВЧ-техники (волноводы, аттенюаторы, элементы резонаторов).

205

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Чрезвычайно долговечные и стабильные электро-контакты и сплавы для радиотехники платина-иридий.Термопреобразователи (термопары) для измерения высоких температур в агрессивных средах.

206

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Li (литий) Литий-ионный (Li-ion), литий-полимерный ‒ типы электрического аккумулятора, широко распространён-ные в современной бытовой электронной технике. В настоящее время это самые популярные типы аккумуляторов в таких устройствах, как мобильные телефоны, ноутбуки, электромобили, цифровые фотоаппараты и видеокамеры. Первый литий-ионный аккумулятор разработала корпорация Sony в 1991 году.

207

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

По своим потребительским свойствам литий-ионные и литий-полимерные очень похожи между собой, за исключением того, что в литий-полимерных аккумуля-торах используется твердый или гелеобразный полимерный электролит, что позволяет придавать им различную форму и малую толщину.

208

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Один из наиболее известных примеров: неперезаряжа-емая батарейка CR2032, напряжением 3V, для питания CMOS (Complementary Symmetry Metal-oxide Semiconductor), в которой содержится программа BIOS (Basic Input Output System).

209

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Литиевые смазки, например, Литол-24 (Litol-24) для машиностроения в какой-то мере могут служить заменой фабричным термопастам или служить основой для их изготовления.

210

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Вредные веществаНекоторые конструкционные материалы представляют опасность для человека. Олово представляет опасность для человека в виде паров и различных аэрозольных частиц, пыли. Очень токсичны некоторые оловоорганические соединения.Свинец и его соединения токсичны. Попадая в организм, свинец накапливается в костях, вызывая их разрушение. Соединения кадмия ядовиты. Особенно опасным явля-ется вдыхание паров его оксида. Вдыхание в течение 1 минуты воздуха с содержанием 2,5 г/м3 окиси кадмия является смертельным. Кадмий является канцерогеном.

211

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Опасные составляющие в компонентах компьютераРост объемов электронных отходов приводит к увеличению выброса, пусть и в незначительных количествах, токсичных веществ и загрязняющих окружающую среду тяжелых металлов (свинца, кадмия, сурьмы, бериллия, хрома, ртути). К токсичным материалам относятся тяжелые металлы - свинец (в паяных соединениях компонентов), кадмий (в батареях питания, в печатных платах и полупроводниках), сурьма (в средствах подавления пламени, герметиках и в припое стеклянных панелей), бериллий (в соединителях мобильных телефонов и ПК ранних моделей), хром (в металлических покрытиях), ртуть (в малых количествах в индикаторных лампах плоских дисплеев). Печатные платы содержат пластмассы, драгметаллы, стекло-волокно, мышьяк, кремний, галлий и свинец. Батареи портативных компьютеров содержат свинец, кадмий, литий, окись магния и ртуть. 212

2010/0104/1DP/1.2.1.1.3/09/APIA/VIAA/021

Использованные источникиВ. С. Сорокин, Б. Л. Антипов, Н. П. Лазарева. ‒ Материалы и элементы электронной техники. Проводники, полупроводники, диэлектрики. Том 1. ‒ Издательство: Академия, 2006 г. ‒ 448 стр.В. С. Сорокин, Б. Л. Антипов, Н. П. Лазарева. ‒ Материалы и элементы электронной техники. Активные диэлектрики, магнитные материалы, элементы электронной техники. Том 2. ‒ Издательство: Академия, 2006 г. ‒ 384 стр.http://elementy.ru/http://www.compbegin.ru/articles/view/_21#11http://alirgroup.ru/cash/sites0/stat_sovm1.html http://www.zettabyte.biz/news/219http://www.chipdip.ru/video.aspx

213