Funktsionaalsed materjalid I kontrolltöö vastused (1)

1.3.3 Funktsionaalsete ja kõrgsuutlike materjalide klassifikatsioon Funktsionaalsete materjalide jaoks on kõige sobivam mitmekihiline jaotus: ühes iseloomustatakse nende füüsikalist käitumist ja teises fenomenoloogilist käitumist (tulemust). Tulemuseks võib olla otsene keskkonna energeetiline mõjutamine (valgus, soojus , heli) või kaudsed efektid (energia genereerimine ja muundamine, mehaanilised efektid jne). Selle klassifikatsiooni järgi võib materjalid jaotada kõigepealt järgmiselt: 1) traditsioonilised materjalid; 2) kõrgsuutlikud materjalid; 3) esimest tüüpi funktsionaalsed materjalid (muudavad omadusi); 4) teist tüüpi funktsionaalsed materjalid ( muundavad energiat); 5) funktsionaalsed seadised ja süsteemid. Traditsioonilised ja kõrgsuutlikud materjalid reageerivad küll välistele mõjudele, kuid nende omadused sellest ei muutu. Funktsionaalsed seadised ja süsteemid koosnevad mitmetest funktsionaalsetest ja muudest materjalidest ning reageerivad paljudele välistele mõjudele korraga erineval moel. Funktsionaalsete materjalide korral on tähtsad sellised omadused nagu omaduste muutumise võime, energia muundamise võime, reageeriva materjali mõõtmed ja pööratavus. Esimest tüüpi ehk omadusi muutvad materjalid on sellised, mis muudavad oma keemilisi, soojuslikke, mehaanilisi, optilisi, magnetilisi ja/või elektrilisi omadusi keskkonnatingimuste muutumisel või materjali mõjutava energia muutumisel (päikesekiirgus, temperatuur, pinge, voolutugevus , magnetväli jne). Teist tüüpi ehk energiat muundavad materjalid on sellised, mis muundavad materjalisse siseneva energia mingiks muuks energiavormiks. Kuigi funktsionaalsete materjalide energia muundamise efektiivsus (kasutegur) on väiksem kui tavalistel tehnoloogilistel seadmetel, on nad väga perspektiivsed, silmas pidades tuleviku energiaallikaid. Paljud funktsionaalsed materjalid on pööratava või kahesuunalise toimega. Näiteks piesoelektrikud võivad tekitada elektrivoolu mehaanilise surve toimel või deformeeruda elektrivoolu toimel. Funktsionaalsetest materjalidest elemendid on väikeste mõõtmetega ja otsese toimega. Nende mõõtmed on tunduvalt väiksemad ja nad vajavad vähem toetavat infrastruktuuri, kui samu üleandeid täitvad elemendid tavalistest materjalidest. Seetõttu sobivad nad efektiivsete sensorite valmistamaks, mis segavad vähem keskkonda, mida nad mõõdavad ja mis üldiselt ei vaja kalibreerimist.
Tähtsamad funktsionaalsed materjalid, neile mõjuvad sisendid ja reaktsioonid (väljundid) on toodud järgmises tabelis. Materjal Sisend Väljund I tüüpi (omadusi muutvad) Termokroomsed Temperatuuri erinevus Värvuse muutus Fotokroomsed Kiirgus (valgus) Värvuse muutus Mehaanokroomsed Deformatsioon Värvuse muutus Elektrokroomsed Pinge Värvuse muutus Vedelad kristallid Pinge Värvuse muutus Elektroreoloogilised Pinge Viskoossuse muutus Magnotoreoloogilised Magnetvälja tugevuse erinevus Viskoossuse muutus II tüüpi (energiat muundavad) Elektroluminestsents Pinge Valgus Fotoluminestsents Kiirgus Valgus Kemoluminestsents Konsentratsioon Valgus Termoluminestsents Temperatuuri erinevus Valgus Valgusdioodid Pinge Valgus Päikesepatareid Kiirgus (valgus) Pinge II tüüpi ( pööravat energiat muundavad) Piesoelektrikud Deformatsioon, pinge Pinge, deformatsioon Pinge, temeratuuri Püroelektrikud Temperatuuri erinevus, pinge erinevus Pinge, temeratuuri Termoelektrikud Temperatuuri erinevus, pinge erinevus Elektrostriktsioon Pinge, deformatsioon Deformatsioon, pinge Deformatsioon, Magnetostriktsioon Magnetväli, deformatsioon magnetväli 2.1 Energiatsoonid pooljuhis.Vabade laengukandjate energia sõltuvus impulsist. Pooljuhtide elektrijuhtivus Teatavasti on kristallis aatomite diskreetsed energianivood elektronidele laienenud energiatsoonideks (joonis 2.1). Näiteks Si ja Ge korral on väliskihis 4 elektroni (kaks s ja kaks p elektroni), aga seal on 8 lubatud olekut ( nivood ): 2 s nivood ja 6 p nivood. Tsoonide moodustamisel jääb 4N nivood valentstsooni ja 4N nivood juhtivustsooni (N on aatomite arv kristallis). Elektronide arv on aga 4N. Seega on kõik valentstsooni nivood täidetud ja juhtivustsooni nivood tühjad (selline on pilt 0 K juures). Valentstsooni elektronid liikuda ei saa, küll aga saavad liikuda kristallis juhtivustsooni elektronid. Seda on kõige lihtsam selgitada elektronide energia sõltuvusega aatomite vahelisest kaugusest (joonis 2.2). Üksiku aatomi korral asuvad elektronid nn potentsiaali augus ja nende liikumine on väga piiratud: suurema energiaga (kaugematel) elektronidel on see veidi suurem. Kristallis on alumistes tsoonides asuvate elektronide liikumine samuti piiratud, juhtivustsoonis asuvatel elektronidel aga potentsiaali barjäär puudub ja nad saavad liikuda kogu kristalli ulatuses. Nivoode energiate vahe juhtivustsoonis on väga väike (10 -17 eV), mistõttu elektriväljas ergastatakse nad kõrgematele vabadele nivoodele, kus nad saavadki liikuda. Seetõttu nimetatakse juhtivustsooni elektrone vabadeks elektronideks. Valentstsoonis olevad augud saavad samuti liikuda kogu kristallis ja neid nimetatakse seetõttu vabadeks aukudeks. Pooljuhi optiliste omaduste seisukohast on oluline vabade elektronide ja vabade aukude energia sõltuvus nende impulsist p (p = mv) (vt joonis 2.3). Minimaalse energia läheduses (juhtivustsooni põhjas) kattub sõltuvus E=f(p) parabooliga. Elektrone on juhtivustsoonis tavaliselt vähe ja nad asuvadki kõvera min lähedal. Samasugune sõltuvus on ka valentstsooni kohta, ainult siin on parabool suunatud allapoole. Kui vaadelda ainult kõverate tipulähedasi osi, on graafik järgmine (joonis 2.4). Toodud diagramm on kahemõõtmeline. Reaalses kristallis sõltub aatomite vaheline kaugus suunast, seega E = f(p) on erinevates suundades erinev. On veel põhjusi, miks sõltuvus on keerulisema kujuga. Reaalses kristallis võivad esineda järgmised olukorrad: 1) juhtivustsooni ja valentstsooni ekstreemumid ei ole kohakuti; 2) sõltuvusel E = f(p) võib olla mitu ekstreemumit; 3) ühele ja samale impulsile võib vastata mitu energia väärtust. Illustratsiooniks on toodud Si tsoonidiagramm kahes eri suunas (joonis 2.5). Iseloomulk on, et tsoonide ekstreemumid ei ole kohakuti. Võrdluseks GaAs -s on need kohakuti. See asjaolu määrab ära mõned olulised pooljuhtmaterjali optilised omadused. Kui elektron liigub elektriväljas, siis ta muudab nii oma koordinaati kui ka energiat, minnes ühelt nivoolt teisele (joonis 2.13a). Seejuures tema kineetiline energia kasvab eU võrra (U on elektrivälja 6 pinge), potentsiaalne energia aga väheneb sama suuruse võrra. Kogunenud kineetilise energia võib elektron kaotada hajutamise käigus ja pöörduda tagasi algnivoole. Tihti on mugavam näidata teljel koguenergiat E, millest on lahutatud elektrivälja energia eU, seega E-eU (joonis 2.13b). Sellisel juhul kujutab elektroni liikumist horisontaalne sirge, energeetilised nivood (potentsiaalne energia) on aga kaldu. Kaldenurk on võrdeline elektrivälja tugevusega . Seega energianivoode käik vastab potentsiaali muutumisele. Kui pooljuhis tekib sisemine elektriväli (näiteks p-n siirde alal), siis seal energiatsoonid on kaldu. Pooljuhi erijuhtivus on elektron(n)- ja auk(p)juhtivuste summa: = n + p = e * n * n + e * p * p kus n ­ elektronide kontsentratsioon; p ­ aukude kontsentratsioon; n ja p on vastavalt elektronide ja aukude liikuvused; e ­ elektroni laeng -1,6 10-19 C. Omajuhtivusega pooljuhis tekib iga vaba elektroni kohta juhtivustsoonis üks vaba auk valentstsoonis ja ni = pi ning = e ni (n + p) kus i tähistab omapooljuhti (intrinsic). Elektronide kontsentratsioon võrdub nivoode tihedus korrutatud nende nivoode elektronidega täitumise tõenäosus. Omapooljuhis sõltub nivoode elektronidega täitumise tõenäosus eksponentsiaalselt pooljuhi keelutsooni laiusest E ja temperatuurist T, seega avaldub n võrrandiga ni = 2Nc e - E/2kT kus: Nc ­ nivoode tihedus (arv ruumalaühiku kohta) juhtivustsoonis; 2 ­ igal nivool võib olla kaks elektroni (vastupidise spinniga) Doonorlisandiga legeeritud (n-tüüpi) pooljuhis toatemperatuuril n Ndp , kus Nd on doonorite kontsentratsioon, ja = n = e * n *n e *Nd *n Aktseptoriga legeeritud (p-tüüpi) pooljuhis p Nan , kus Na on aktseptorite kontsentratsioon ja = p = e * p *p e *Na *p 2.2 p-n siire P-n siire on pooljuhis p-juhtivusega ja n-juhtivusega ala vaheline piir (alad on tekitatud erineva legeerimisega). Siirdealal tekib ruumilaeng, mis tekitab sisemise elektrivälja. Vaatleme seda joonise 2.14 näitel. Eraldi võttes (a) on p-tüüpi pooljuhis negatiivselt laetud aktseptorlisandi ioonid ja vabad augud, n-tüüpi pooljuhis aga positiivselt laetud doonorlisandi ioonid ja vabad elektronid. Kui need alad on kontaktis , hakkab toimuma elektronide difusioon n-alalt p- alale , kus nende kontsentratsioon on tunduvalt väiksem, ja vastupidi, aukude difusioon p-alalt n-alale. Difundeeruvad elektronid ja augud rekombineeruvad (kaovad) ning siirdeala lähedusse jäävad kompenseerimata laenguga lisandite ioonid, mis tekitavadki ruumilaengu ja sisemise elektrivälja siirdealal ES. See ala takistab edasist laengukandjate difusiooni, seega on nagu tõkkekihiks. Tõkkekihi laius on määratud aukude ja elektronide difusioonitee pikkuste summaga Lp + Ln. Laengukandjate difusioonitee pikkuse L, s.o vahemaa , mille nad läbivad eluea jooksul difusiooni tulemusena, saab leida mittetasakaaluliste laengukandjate eluea o alusel: L = Do kus D ­ laengukandjate difusioonitegur. Mittetasakaaluliste laengukandjate eluea mõistet vaatleme fotojuhtivuse juures, ta määrb ära seadise inertsi (kiiretoimelisuse). Tõõkekihi (siirdeala) ulatuses on sisemise elektrivälja toimel energiatsoonid kaldu, st enamuslaengukandjate liikumisele ühelt alalt teisele esineb energiabarjäär (joonis 2.15). Vaatleme, mis juhtub, kui p-n siirdele rakendada väline elektriväli. Seda illustreerib joonis 2.16. Kui ühendada välise pingeallika positiivne poolus p-alaga ja negatiivne poolus n-alaga, siis on väline elektriväli suunatud vastupidi sisemisele väljale (joonis 2.16a). Sellist pinget nimetatakse päripingeks, kuna selle toimel liiguvad enamuslaengukandjad ülemineku poole ja vähenab tõkkekihi laius, väheneb ka eneriatsoonide kalle ja potentsiaali barjäär ning enamuslaengukandjad suudavad tõkkekihti läbida. Tõkkekihi läbinud laengukandjad satuvad vastupidise juhtivusega alasse (elektronid p-alasse ja augud n-alasse), kus nad osutuvad vähemuslaengukandjateks ja rekombineeruvad sealsete enamuslaengukandjatega. P-n siire on nö ,,avatud" ja tekib vool läbi p-n siirde, mida nimetatakse pärivooluks. Kui väline pingeallikas on lülitatud teistpidi, st positiivne poolus n-alaga ja negatiivne poolus palaga, siis liitub väline elektriväli sisemisega (joonis 2.16b) ja potentsiaali barjäär kasvab. Enamuslaengukandjad liiguvad üleminekust eemale ja tõkkekihi laius suureneb. Selliselt rakendatud pinget nimetatakse vastupingeks. Siire on ,,suletud", selle suudavad läbida ainult vähemuslaengukandjad. Kuna neid on väga vähe, siis vool läbi p-n siirde on väga väike ja seda nimetatakse vastuvooluks. P-n siirde pinge ­ voolu sõltuvus on toodud joonisel 2.17. Näeme, et p-n siire käitub alaldava kontaktina, st laseb voolu läbi peamiselt ühes suunas. Sellel põhineb pooljuhtdioodide kasutamine alaldina. Peale selle esineb p-n siirdel veel huvitavaid omadusi, mida saab kasutada erineval otstarbel. Näiteks on p-n siirde tõkkekiht sisuliselt kondensaator (positiivselt ja negatiivselt laetud kihid ), mille laiust (ja seega mahtuvust) saab reguleerida välise pingega. Selle efekti alusel töötavaid seadiseid nimetatakse varikonideks (muutuva mahtuvusega kondensaatoriteks), mis on funktsionaalsed seadised. Suure vastupinge rakendamisel p-n siirdele toimub siirdel läbilöök, mille tulemusel vastuvool kasvab kiiresti ja jääb praktiliselt konstantseks (joonis 2.18). Seda efekti kasutatakse voolu stabiliseerimiseks ja seadiseid nimetatakse stabilotronideks. Seadiseid, mis sisaldavad kaht p-n siiret, nimetatakse transistorideks. Neid kasutatakse signaali võimendamiseks. Mikroskeemid sisaldavad samas pooljuhtkristallis või kilelises struktuuris väga palju p-n siirdeid erinevas kombinatsioonis ja ka teisi skeemielemente (takisteid, kondensaatoreid, induktiivsusi, juhte ja kontakte). Kasutatakse ka nn heterosiirdeid, kus n ja p ala on valmistatud erinevatest materjalidest erineva keelutsooni laiusega. Heterosiirdeid kasutatakse kiirgusega seotud seadistes (valgusdioodid, pooljuhtlaserid , päikeseelemendid jne), kus on tihti vajalik, et üks siirde pool laseb läbi siirdealal eralduvat või neelduvat kiirgust (on suurema keelutsooni laiusega). 2.3.1 Elementaarsed pooljuhid IV rühma elemendid C (teemandi kujul), Si, Ge ja Sn on pooljuhid. Kasutatakse neist Si ja Ge. 1) Räni Si Mõned omadused: Omadus Si Ge E, eV 1,12 0,72 n , m2/V s 0,145 0,39 p , m2/V s 0,048 0,19 omaj , m 2500 0,68 Tsul , OC 1414 936 O Ttöö,max , C 120-200 70
Räni on üks kõige enamlevinud element maakoores, tema sisaldus on 25,75%. Ainult hapnikku on rohkem. Esineb peamiselt kvartsi (SiO2) ja silikaatide kujul. Räni on küll palju, aga tema saamine ülipuhtal kujul on väga keeruline ning palju energiat nõudev, mistõttu puhas räni on küllalt kallis. Räni puhastamise teeb raskeks kõrge sulamistemperatuur ­ 1414OC. Sel temperatuuril pehmeneb konteinerite ja torude valmistamise peamine materjal räni tehnoloogias ­ kvartsklaas SiO2. Grafiiti ei saa aga kasutada, kuna süsinik reageerib räniga. Pooljuhtpuhtusega räni saamise tehnoloogia peamised etapid: - tehnilise Si üleviimine kloriidiks Si + 4 HCl = SiCl4 + 2 H2 (300 ­ 400 OC); - SiCl4 destillatsioon, ekstraktsioon ja rektifikatsioon; - SiCl4 taandamine vesinikuga SiCl4 + 2 H2 = Si + 4 HCl (1000 OC); - Si lõplik puhastamine vertikaalse (tiiglivaba) tsoonsulatuse meetodil vaakuumis; - legeeritud monokristallide kasvatamine sulandist tõmbamise (Czochralski) meetodil. Räni puhastamist tsoonsulatuse meetodil ja legeeritud monokristallide kasvatamist vaatleme hiljem materjalide valmistamise peatükis. Ränil on äärmiselt head omadused, mistõttu valmistatakse temast kõikvõimalikke seadiseid ja mikroskeeme. Ainuke puudus ­ laengukandjate rekombinatsioon on mittekiirguslik, kuna juhtivustsooni ja valentstsooni ekstreemumid ei asu kohakuti (sama impulsi juures). Seetõttu ei saa ränist valmistada pooljuht -kiirgusallikaid: lasereid, valgusdioode jne. 2) Germaanium Ge Ge on maakoores hajutatud element, tema kontsentratsioon erinevates mineraalides on väga väike. Ge tootmise teeb kalliks tema kontsentreerimine. Võrreldes räniga on Ge keelutsooni laius väiksem. Sellest tulenevalt tekib Ge-s omajuhtivus madalamal temperatuuril ja ka max töötemperatuur on madalam. Laengukandjate liikuvused on aga suuremad. Seetõttu töötavad Ge seadised kõrgematel sagedustel.
2.3.3 AIIIBV tüüpi ühendid. Need on III rühma elementide (B, Al, Ga, In) ja V rühma elementide (N, P, As, Sb, Bi) ühendid. Keelutsooni laius muutub kindla seaduspärasuse järgi: Element N P As Sb B ~10 5,9 3,0 2,6 Al ~5 2,4 2,16 1,6 Ga 3,34 2,25 1,45 0,79 In 1,98 1,34 0,46 0,17
Enimkasutatav on GaAs, üldse 2. kohal pärast Si. Keelutsooni laius (1,45 eV) on suurem kui Si-s ja seega ka max töötemperatuur kõrgem (kuni 450 OC). Elektronide liikuvus (0,95 m2/V s) on aga tunduvalt suurem kui ränis ja ka germaaniumis. GaAs saadakse komponentide koossulatamise teel. Puhastamine toimub peamiselt tsoonsulatusega ja monokristalle kasvatatakse sulandist tõmbamise teel. Need operatsioonid viiakse läbi hermeetilistes kvartskonteinerites As rõhu all, et vältida GaAs sublimatsiooni. Kasutatakse väga palju. Kuna juhtivustsooni ja valentstsooni ekstreemumid on kohakuti, saab kasutada kiirgusallikate valmistamiseks. 2.3.4 AIIBVI tüüpi ühendid Need on II rühma elementide (Zn, Cd, Hg) ja VI rühma elementide (S, Se, Te) ühendid. Ühendid on kõrge aururõhuga, mistõttu puhastatakse ümbersublimeerimise teel ja monokristalle kasvatatakse aurufaasist. Ainult CdTe saab puhastada tsoonsulatusega ja monokristalle kasvatada sulandist tõmbamisega Te rõhu all. Neile ühenditele on omane valgustundlikkus, mistõttu kasutatakse kiirgusdetektorites ja päikesepatareides, aga ka elektroluminofooridena (kuvariekraanides ZnS). Kõige kiiremini suureneb CdTe kasutamine. AIIBVI tüüpi ühendeid uuritakse ka TTÜ materjaliteaduse instituudis. Peamiseks huviobjektiks on nende kasutamise võimalused päikesepatareide loomisel, mis on tunduvalt odavamad kallitest Si kasutamise võimalused päikesepatareide loomisel. Praegu on aga AIIBVI tüüpi ühendeid sisaldavate päikesepatareide kasutegur veel väiksem. AIIBVI tüüpi ühendite asemel on hakatud kasutama nende analoogidena kolmik - ja nelikühendeid. Näiteks Cd kui tervistkahjustav element on asendatud kahe metalliga: Cu ja In-ga. Cd on II rühma element, sama efektiga on kokku Cu kui I rühma element ja In kui III rühma element. Ühend on näiteks CuInS2 (lühendatult CIS). Kuna In on väga kallis, uuritakse TTÜ materjaliteaduse instituudis võimalusi tema asendamist kahe odavama metalliga. Nendeks sobivad näiteks Zn ja Sn kui II ja IV rühma elemendid. Ühend kokku tuleb näiteks CuZnSnS3.
3.1.1 Dielektrikute polarisatsioon Dielektrikute kõige iseloomulikumaks omaduseks on nende polariseerumine välises elektriväljas. Polarisatsioon on seotud laengute nihkumine , mille tulemusena tekib dielektrikus sisemine elektriväli. Polarisatsiooni võimet iseloomustab dielektriline läbitavus a : a = o , kus 0 ­ vaakumi dielektriline läbitavus 8,84 10-12 F/m; ­ materjali suhteline dielektriline läbitavus (vaakuumi suhtes). = a/ o = C/Co , kus C ­ kondensaatori mahtuvus antud dielektrikuga; C0 ­ kondensaatori mahtuvus vaakuumiga. Mida suurem on , seda suurem on polarisatsiooni võime ja seda suurem on kondensaatori mahtuvus, kui tema plaatide vahel on antud dielektrik . Dielektrikutes esinevad mitmed polarisatsiooni mehhanismid. Tähtsamad neist on: 1) Elektronpolarisatsioon. See seisneb aatomite ja ioonide elektronpilvede deformatsioonis elektrivälja poolt (joonis3.1). Esineb kõigis dielektrikutes. 2) Ioonpolarisatsioon Esineb ioonse võrega dielektrikutes (näiteks NaCl) ja seisneb ioonide nihkumises elektriväljas kristallvõre sõlmedest välja (joonis 3.2). Elektronpolarisatsioon ja ioonpolarisatsioon on kiire polarisatsiooni liigid, toimuvad praktiliselt silmapilkselt. 3) Dipool-relaksatsioonpolarisatsioon Esineb polaarsete molekulidega dielektrikutes ja seisneb polaarsete molekulide pöördumises välise elektrivälja suunda (joonis 3.3). See on nn aeglase polarisatsiooni liik, mis toimub tunduvalt aeglasemalt, kuna molekulide pöördumine võtab aega. Esineb veel terve rida väiksema mõjuga relaksatsioonpolarisatsiooni liike. 4) Spontaanne polarisatsioon See esineb ainult üht tüüpi dielektrikutes ­ ferroelektrikutes. Neil on väga suur dielektriline läbitavus, mis võib sõltuda välise elektrivälja tugevusest. Spontaanse polarisatsiooni korral on ioonid spontaanselt (iseenesest) nihkunud veidi kristallvõre sõlmedest välja. Joonisel 5.20 on näidatud, kuidas see toimub ühe tüüpilise ferroelektriku BaTiO 3 korral. Iga polarisatsiooni liik annab oma panuse dielektrilise läbitavuse väärtusesse, mis kaob alates mingist elektrivälja sagedusest, kui see polarisatsioon ei jõua enam toimuda (joonis 3.4). On veel üks liik dielektrikuid , mis polariseeruvad mehaanilise surve toimel. Neid nimetatakse piesoelektrikuteks (näiteks piesokvarts s.o kvartsi monokristall ). 3.1.2 Dielektrikute elektrijuhtivus Vaatleme siin ainult tahkeid dielektrikuid, kuigi ka gaasid ja suur osa vedelikke on dielektrikud. Polarisatsiooniprotsessidega, mis on ju laengute liikumine (nihkumine), kaasneb polarisatsioonivool, nagu igasuguse laengute liikumisega. Alalispinge korral esineb polarisatsioonivool ainult pinge sisse- ja väljalülitamise hetkel, vahelduvpinge korral aga pidevalt. Kõigis tehnilistes dielektrikutes esinevad ka vabad laengukandjad, mis tekitavad nn juhtivusvoolu. Koguvool on polarisatsioonivoolu ja juhtivusvoolu summa. Dielektriku isolatsioonitakistuse leidmisel arvestatakse ainult juhtivusvoolu, st on takistus alalispinge korral: Ris = U / I - Ipol Dielektrikute korral tehakse vahet ruumi- ja pinnatakistuse vahel. Pinnatakistus on dielektriku pinnal olevate elektroodide vaheline takistus (joonis 3.5). Pinna eritakistuse saamiseks tuleb arvestada elektroodide vahelist kaugust l ja elektroodi pikkust d. Pinna eritakistus S avaldub pinnatakistuse RS kaudu valemiga s = Rs d/1 , Pinnatakistuse määrab ära pinnajuhtivus, mis omakorda sõltub dielektriku pinna puhtusest. Igasugused lisandid pinnal suurendavad pinnajuhtivast ja vähendavad pinnatakistust. Mustunud pinna korral sõltub pinnatakistus tugevalt ka õhu niiskusest. Niiskes õhus kondenseerub tahke aine pinnale õhuke veekiht, milles lahustuvad pinnal olevad lisandid ja tekitavad sisuliselt pinnale elektrolüütlahuse kihi, mis on suure juhtivusega. Tahkete dielektrikute ruumijuhtivus avaldub samasuguste valemitega nagu pooljuhi juhtivus , ainult laengukandjateks on ioonid (lisandioonid või ioonse kristalli korral ka omaioonid). Kuna ioonide liikuvus on äärmiselt väike, siis on väga väike ka ruumijuhtivus üldse. Dielektriku kogujuhtivus on ruumi- ja pinnajuhtivuste summa.
3.1.3 Dielektrikute läbilöök Iga dielektrik, mis asub elektriväljas, kaotab oma isoleerivad omadused, kui elektrivälja tugevus ületab teatud kriitilise piiri. Seda nähtust nimetatakse läbilöögiks. Pinget, mille juures toimub läbilöök, nimetatakse läbilöögipingeks Ul ja vastavat elektrivälja tugevust dielektriku elektriliseks tugevuseks El: E1 = U1/h , kus h ­ dielektriku paksus. Dielektriku elektrilist tugevust väljendatakse tavaliselt kilovoltides mm kohta. Läbilöök tekib elektriliste, soojuslike ja elektrokeemiliste protsesside tagajärjel, mis on tingitud elektrivälja poolt. Peamise gaasilise dielektriku ­ õhu ­ läbilöögipinge on tunduvalt väiksem, kui suuremal osal vedelatel ja tahketel dielektrikutel . Läbilöök õhus on tingitud peamiselt nn löökionisatsioonist. Õhus on alati teatud (küll väga väike) hulk ioone, mis on tekkinud kosmilise kiirguse poolt gaasimolekulide ioniseerimisel. Elektriväljas need ioonid kiirendatakse. Kui ioonide liikumiskiirus ja vastav kineetiline energia saavad küllaldaseks, et põrkumisel neutraalsete molekulidega viimaseid ioniseerida, tekibki löökionisatsioon. Ioonide hulk kasvab laviinitaoliselt, vastavalt kasvab ka õhu juhtivus ja tekibki läbilöök, mis väljendub sädeme või (pingeallika küllaldase võimsuse korral) elektrikaare kujul. Õhu elektriline tugevus ühtlase elektrivälja korral elektroodide vahekaugusel 1 cm on 3,2 kV/mm. Tahketes dielektrikutes toimub läbilöök samasuguse mehhanismi järgi. Seda nimetatakse siis elektriliseks läbilöögiks või laviinläbilöögiks. See toimub aga tunduvalt suuremate väljatugevuste juures, kuna laengukandjate vaba tee pikkus tahkes aines on tunduvalt lühem. Seetõttu on tahkete dielektrikute elektriline tugevus tunduvalt suurem ja ulatub ühtlase elektrivälja korral kuni 1000 kV/mm. Igasugused lisandid ja ebahomogeensused vähendavad dielektriku elektrilist tugevust. Tahke dielektriku soojuslik läbilöök seisneb selles, et dielektrikus esinevad nn dielektrilised kaod, s.o elektrivälja võimsus, mis eraldub dielektrikus soojusena. Selle tulemusena hakkab dielektrik, mis asub elektriväljas, soojenema. Tavaliselt soojenemine peatub, kui dielektrikust ümbritsevasse keskkonda hajuv energia saab võrdseks dielektrikus eralduva energiaga. Kui see eralduv soojusenergia aga ületab dielektrikust ümbritsevasse keskkonda hajuva energia, on dielektriku soojenemine pöördumatu ja lõpuks dielektrik hävib (söestub) ning kaotab oma isoleerivad omadused. 3.2.2 Lineaarsed polümeerid ja elastomeerid Neid võib jagada mittepolaarseteks ja polaarseteks. Paremad elektriisolatsiooniomadused on mittepolaarsetel ja vähepolaarsetel: polüetüleenil, polüstüroolil ja teflonil. Nende ruumieritakistus V on 1014 ­ 1016 m, on 2 ­ 2,5, El on 20 ­ 40 kV/mm, kuumakindlus kuni 100oC, teflonil kuni 300 oC. Polaarsetest lineaarsetest polümeeridest kasutatakse polüvinüülkloriidkilet, viniplasti, orgaanilist klaasi (polümetüülmetakrülaat), lavsaani, polüamiide (kapron, nailon ) ja polüuretaani. Nende omadused on veidi halvemad: V = 10 ­ 10 m, on 3,5 ­ 6, El on 10 ­ 40 kV/mm. Kuumakindlus on neil erinev: PVC-l ja 12 13
orgaanilisel klaasil kuni 70, polüuretaanil kuni 130, lavsaanil ja polüamiididel kuni 200 oC. Elastomeeridest kasutatakse kummi ja kõvakummi (eboniidi) valmistamiseks looduslikku (isopreen)kautsukit, butadieenkautsukit, kloropreenkautsukit ja silikoonkautsukit. Viimane on tunduvalt kuumakindlam ja vastupidavam ultraviolettkiirgusele, kuna süsinikahela asemel on siloksaanahel: | | | ­ Si ­ O ­ Si ­ O ­ Si ­ O ­ | | |
3.2.3 Plastid, immutusmaterjalid, kompaundid ja lakid Plastidest kasutatakse näiteks kihilisi plastikud nagu tekstoliit ja klaastekstoliit. Tekstoliit saadakse fonoolformaldehüüdvaiguga immutatud puuvillase riide kihtide kuumpressimise teel. Klaastekstoliit koosneb klaasriidest (klaaskiust valmistatud riie ) ja epoksüüdvaigust või räniorgaanilisest lakist. Ta on väga kuumakindel ja hõõrdetugevus ületab terase tugevuse. Immutusmaterjale kasutatakse poorsete dielektrikute (näiteks paber) immutamiseks, et parandada nende elektriisolatsiooniomadusi. Immutusmaterjalidena kasutatakse: - kondensaatoriõli; - vaseliin; - parafiin ; - silikoonõli; - kampol . Kampol on looduslik polümeer, saadakse männitõrvast kergemini lenduvate komponentide (peamiselt tärpentin) eraldamisel. Ta koosneb orgaaniliste hapete segust, toatemperatuuril kristalne aine, lahustub hästi paljudes lahustites. Lahustab temperatuuril üle 150OC vaskoksiidi, mistõttu kasutatakse vaskjuhtmete jootmiseks. Kompaunde kasutatakse liimidena ja detailide tühimike täitmiseks, et suurendada detailide tugevust. Täidis on samal ajal ka isoaator. Tuntuim kompaund on epoksüüdkompaund. Epoksüüdkompaund on mehaaniliselt väga tugev, kuumakindel ja niiskusekindel ning hea isolaator . Koosneb epoksüüdvaigust ja kõvendajast (see on kokku epo liim ), millele lisatakse vahel ka plastifikaatorit ning täiteaineid. Tugevalt polaarsete OH-rühmade tõttu nakkub epoksüüdkompaund väga tugevalt metallide ja teiste polaarsete ainetega. Elektriisolatsiooni eesmärgil kasutatakse ka lakke , näiteks vaskjuhtmete katmiseks. Lakid on nn kilemoodustajate (polümeerid, bituumenid, kuivavad õlid jne) lahused kergestilenduvates vedelikes . Kasutatakse kõige rohkem polümeerseid lakke, aga ka nitrotsellulooslakke (nitrolakke) ja õlilakke. Viimastes on kilemoodustajaks mingi taimne õli, näiteks linaseemneõli ehk värnits. Linaseemneõli polümeriseerub aeglaselt õhuhapniku toimel katkevate kaksiksidemete tõttu.
3.2.5 Anorgaanilised klaasid Anorgaanilised klaasid on struktuurilt amorfsete ja kristalsete ainete vahepealsed, nende struktuuri nimetataksegi klaasitaoliseks olekuks. Keemiliselt koostiselt on nad mitmesuguste oksiidide keerulised segud. Peale nn klaasimoodustava oksiidi (SiO 2, B2O3 või P2O5) kuuluvad klaaside koosseisu Na2O või K2O, CaO või BaO, Al2O3 ja vahel ka raskmetallide Zn, Pb, Ti oksiidid. Klaase, mille põhikomponendiks on SiO2, nimetatakse silikaatklaasideks. Klaasi omadused sõltuvad tema keemilisest koostisest. Kõige paremad isolatsiooniomadused on puhtal kvartsklaasil SiO2. Saadakse puhtast kvartsliivast. Eriti puhas SiO2 sünteesitakse. Tema töötlemistemperatuur on umbes 1700 OC, kuid ka sellel temperatuuril on viskoossus suur, mistõttu detaile raske valmistada. Kvartsklaasi joonpaisumise tegur on kõige väiksem kõigist tuntud ainetest. Seetõttu võib teda valge hõõgumise temperatuurilt asetada vette ilma et ta praguneks. Ta on inertne peaaegu kõigi keemiliste reagentide ja ainete suhtes, v.a HF. Leelismetallide oksiidid alandavad klaasi sulamistemperatuuri (vahemikus 700 ­ 900 OC), kuid halvendavad ka isolatsiooniomadusi. Isolatsiooniomaduste parandamiseks lisatakse leelismetalle sisaldavatele klaasidele raskmetallide oksiide . Spetsiaalsed klaasisordid on sellised, mida saab kokku joota metallidega. Nad kannavad selle metalli nimetust, millega neil on võrdne joonpaisumistegur (metallidel on üldiselt suur joonpaisumistegur). Tuntumad on plaatinaklaas, molübdeenklaas ja volframklaas. Klaaskeraamika on kristalliseerunud klaas, mida saadakse kristallisatsioonitsentrite sisseviimisel klaasimassi. 3.2.6 Keraamilised materjalid Keraamilisteks nimetatakse materjale, mis on valmistatud savi või temaga sarnaste materjalide baasil. Savi põhikomponent on kaoliin Al2O3 ·2SiO2 ·2H2O ehk Al2(Si2O5)(OH)4. Savi on väga plastiline materjal. See on tingitud tema kihilisest ehitusest (joonis 3.6). Keraamilistest materjalidest detailide valmistamisel tuleb neid kuumutada kõrgel temperatuuril. Keraamilised materjalid on mitmefaasilised süsteemid, koosnedes kristalsetest ja klaasitaolistest osadest. Kristalse faasi moodustavad mitmesugused alumosilikaadid, mis määravad ära materjali elektrilised ja mehaanilised omadused. Klaasifaas kujutab endast klaasikihte, mis seob omavahel kristalseid osi. Keraamiliste materjalide tehnoloogilised omadused ( plastilisus , kuumutamistemperatuur jt) on määratud klaasifaasi koostise ja hulgaga. Keraamiliste detailide valmistamiseks algul lähtematerjalid peenestatakse ja segatakse kuulveskites, seejärel vormitakse detailid mitmesuguste kuivade ja märgade meetoditega ning need kuumutatakse. Kuumutusreziim on eriti tähtis, kuna sellest sõltuvad detaili lõplikud omadused. Tihti kaetakse keraamilised detailid glasuuriga, mis kaitseb detaili määrdumise eest ja annab ka suurema tugevuse. Glasuuriga katmiseks kantakse detaili pinnale enne kuumutamist klaasi lähtematerjalid, mis kuumutamisel moodustavad klaasikihi. Konkreetsetest materjalidest võib nimetada tavalist isolaatoriportselani, mille põhikomponent on kristalne aine mulliit 3Al2O3·2SiO2. Mulliit saadakse kaoliini ja korundi (Al2O3) kooskuumutamisel.
4.1 Materjalide magnetilised omadused Välist magnetvälja iseloomustatakse magnetvälja tugevusega H, mis silindrilise pooli korral väljendub valemiga H = NI/1 , A/m kus N ­ pooli keerdude arv; I ­ voolutugevus; l ­ pooli pikkus. Materjalis tekkivat magnetvälja iseloomustab magnetiline induktsioon ehk magnetvoo tihedus B, mis on võrdeline välise magnetvälja tugevusega B = H, T (tesla) Kus ­ materjali magnetiline läbitavus. Vaakuumis B = 0 H. Suhet /0 = r nimetatakse materjali suhteliseks magnetiliseks läbitavuseks. Ta avaldub võrrandiga r = / 0 = 1 / 0 * B/H Sõltuvalt r väärtusest jagatakse kõik materjalid ferromagneetikuteks ehk magnetmaterjalideks, paramagneetikuteks ja diamagneetikuteks. Ferromagneetikute r >> 1, para- ja diamagneetikutel r 1. Magnetmomentide päritolu magnetmaterjalides on seotud elektronide pöörlemisega ümber telje ehk spinniga. Seejuures esinevad ferromagneetikutes makroskoopilised osad ­ domeenid ­ millede piires spinnid on orienteeritud paralleelselt (joonis 4.1). Seejuures üksikud domeenid on orienteeritud juhuslikult ja materjal ei oma summaarset magnetmomenti. Magneetimiskõver on magnetilise induktsiooni sõltuvus materjalis välise magnetvälja tugevusest (joonis 4.2). Ferromagneetiku magneetimisel välises magnetväljas toimub kaks efekti: üksikute domeenide magnetmomentide pöördumine välise magnetvälja suunda ja domeenide piiride nihkumine. Kui mõlemad protsessid on lõppenud, saabub magnetiline küllastus. Kuna magneetimiskõver ei ole lineaarne, siis ei ole r konstantne . r on maksimaalne välise magnetvälja tugevusel, kus magneetimiskõver on kõige järsem. Kui pärast küllastust hakata välise magnetvälja tugevust vähendama, siis hakkab mõne aja pärast vähenema ka magnetiline induktsioon materjalis, kuid aeglasemalt, kui see vastaks magneetimiskõverale. Saame nn hüstereesisilmuse (joonis 4.3). Hüstereesisilmuse parameetrid on: Bs ­ küllastusinduktsioon; Br ­ jääkinduktsioon; Hc ­ koertsitiivjõud. Ferromagneetikute magnetilised omadused sõltuvad temperatuurist ja mingil temperatuuril (TCurie) magnetilised omadused kaovad. Omaette rühma ferromagneetikute hulgas moodustavad ferrimagneetikud ehk ferriidid. Neil on domeenides spinnid orienteeritud kahes antiparalleelses suunas. Selle tõttu on neil väiksem B s ja r. Ka nende eritakistus on tunduvalt suurem, kuna nad on sisuliselt pooljuhid. 4.2 Tavalised magnetmaterjalid, nende omadused ja kasutamine Magnetmaterjalid jaotatakse magnetiliselt pehmeteks ja kõvadeks. Magnetiliselt pehmetel materjalidel on väike Hc ( kitsas hüstereesisilmus) ja suur magnetiline läbitavus r. Magnetiliselt kõvadel materjalidel on suur Hc (lai hüstereesisilmus) ja väiksem magnetiline läbitavus. Vastavad hüstereesisilmused on esitatud joonisel 4.4. Magnetiliselt pehmeid materjale kasutatakse vahelduvas magnetväljas (trafode, elektromagnetite ja poolide südamikud). Kuna vahelduvas magnetväljas esinevad energiakaod pöörisvoolude tekkimise tõttu südamikus, siis eelistatakse suurema eritakistusega materjale. Kasutatakse järgmisi materjale. 1) Puhas raud. Ülipuhta raua r = 1430000, see on peaaegu suurim võimalik. Tehniliselt puhtal raual ainult 7000. Kuna Fe eritakistus on suhteliselt väike, kasutatakse teda peamiselt püsiva magnetvoo juhina. Vahelduvas magnetväljas on suured kaod pöörisvoolude näol. 2) Elektrotehniline lehtteras. Eritakistuse suurendamiseks lisatakse terasele 4% räni ja südamikud valmistatakse õhukestest lehtedest, mis on üksteisest isoleeritud. Kõige enam kasutatav magnetmaterjal. 3) Permalloidid on Fe ja Ni sulamid . Vahel lisatakse ka veidi Mo ja Mn. Sel juhul r = 150000, mis on tunduvalt suurem kui elektrotehnilisel terasel. Tunduvalt kallim kui elektrotehniline teras. 4) Alsiferid (Al, Si ja Fe sulamid) omavad r kuni 120000. Väga rabedad, seetõttu ei saa valmistada õhukesi lehti nagu terasest ja permalloidist. Odavamad kui permalloidid. 5) Ferriidid, näiteks FeO· Fe2O3 (magnetiit) ja NiO·Fe2O3. Neid kasutatakse kõrgetel ja ülikõrgetel sagedustel, kuna eritakistus suur ja kaod väikesed. Magnetiliselt kõvasid materjale kasutatakse püsivmagnetite valmistamiseks, helisalvestuseks ja magnetilistes mäluelementides. Nende tähtsaim omadus on välisesse keskkonda antav energia, mis on seda suurem, mida suuremad on Br ja Hc. Konkreetsetest materjalidest kasutatakse järgmisi: 1) Legeeritud (W, Cr ja Mo-ga) ja karastatud teraseid. Nende jääkmagnetilised omadused ei ole eriti head. Max energia 2,6 kJ/m3. 2) Magnetiliselt kõvad sulamid, näiteks Al-Ni-Co sulamid. Max energia 36 kJ/m3. 3) Magnetiliselt kõvad ferriidid, näiteks Ba- ferriit BaO·6 Fe2O3. Max energia 20 kJ/m3. 4) SmCo5, max energia 170 kJ/m3. 5) Nd2Fe14B, max energia 255 kJ/m3. 6) Magnetlintide valmistamiseks kasutatakse - Fe2O3 või CrO2 polümeersel alusel. 7) Magnetiliste mäluelementide valmistamiseks kasutatakse CoPtCr või CoCrTa sulamite õhukesi (10 ­ 50 nm) kilesid. Aluskihiks on tavaliselt puhas Cr.