Электротехнические материалы

Лабораторные работы

 авторы: д.т.н., профессор Целебровский Ю.В. , д.ф.м.н., профессор Коробейников С.М., аспирант Дрожжин А.П., н.с. Нестеров С.В., н.с. Черненко Н.А.

Лабораторная работа 

№ 3

Определение удельного сопротивления, температурного коэффициента удельного сопротивления и теплоемкости полупроводящего материала – ЭКОМА

Основные понятия и определения

Электропроводность полупроводников и слабопроводящих материалов.             В любом теле при приложении напряжения должен протекать ток в соответствии с выражением, определяющим плотность тока Здесь ni - концентрация носителей заряда i-ого сорта, qi - значение заряда, mi – подвижность носителей заряда.  Определяющий параметр в этом выражении - ni. Значение ni велико для металлов, т.к. нет энергетического барьера для выхода электронов, ni - очень мало для диэлектриков, т.к. энергетический барьер (ширина запрещенной зоны) значителен и составляет порядка 10 Эв. Полупроводники и слабопроводящие материалы являются промежуточным звеном. Их ширина запрещенной зоны составляет обычно от доли  эВ до нескольких эВ.  Большой интерес к полупроводникам вызван возможностью управления их свойствами путем добавления небольших количеств других веществ, т.н. легирования. Если добавлять легко ионизирующиеся вещества, т.е. вещества, легко отдающие электроны, их еще называют веществами-донорами электронов,  то можно создать полупроводник с электронной проводимостью. В этом случае существует некоторое количество свободных электронов, за счет которых осуществляется проводимость. Такой полупроводник называется полупроводником n-типа. Если добавлять вещества с большим сродством к электрону, т.е. вещества, легко захватывающие электроны, то создается полупроводник с т.н. "дырочной" проводимостью. В этом случае существует некоторое количество свободных электронных вакансий, за счет которых осуществляется проводимость.  Такой полупроводник называется полупроводником р-типа.  За счет комбинации полупроводников р- и n- типа созданы различные электронные приборы: диоды, транзисторы, тиристоры и т.п.  Из полупроводниковых материалов отметим германий (он исторически был первым полупроводником наряду с окисью меди) и кремний. Последний в настоящее время является полупроводником № 1.             Рассмотрим некоторые характеристики кремния: Плотность, кГ/м3      2300 Т плавления,°С         1400 Теплоемкость, кДж/(кг×К)  0.8 Теплопроводность, Вт/( м×К)  167 Энергия активации, эВ    Концентрация собственных носителей,   0.04/мкм3.                                Электропроводность технических материалов также определяется аналогично выражению (1).  Отметим, что электропроводность растет с ростом температуры. Это связано с тем, что с ростом температуры  электроны имеют повышенную энергию и они легче могут стать свободными и участвовать в электропроводности.             В металлах, как указывалось ранее, электропроводность падает с ростом температуры. Это связано с тем, что в металлах количество носителей заряда велико и не зависит от температуры, но их движение может затрудниться при взаимодействии с тепловыми колебаниями молекул металла.  Если снова обратиться к формуле (1), то подвижность  mi должна падать с ростом температуры из-за участившихся столкновений электронов с колебаниями решетки. Резистивные материалы. Углеродные композиты,  бетэл, ЭКОМ, электропроводящие полимеры. Из металлических материалов для резисторов наибольшее распространение получили материалы на основе никеля, хрома и железа, т.н нихромы, и родственные им материалы на основе железа, хрома и алюминия, т.н. фехрали. В обозначении марки буква Х означает хром, буква Н-никель, буква Ю - алюминий. Цифра после каждой буквы - процентное содержание этого элемента (массовые проценты). Железо обычно составляет основу, его не обозначают, а его содержание составляет остальное, т.е. сколько нужно, чтобы дополнить до 100 %. Температурный коэффициент удельного сопротивления нихромов положителен, т.е. с ростом температуры удельное сопротивление увеличивается. Это означает, что при использовании нихрома в качестве нагревателя мощность нагревателя по мере работы будет уменьшаться.  Вторым по значению резистивным материалом является графит. Графит – одна из кристаллических модификаций углерода. Это непрозрачный, мягкий, электропроводный материал. Структура у него слоеная. В слое атомы углерода соединены в бесконечные шестичленные кольца. Каждое единичное кольцо представляет собой аналог бензольного кольца. Удельное  сопротивление зависит от направления измерения. Если приложить напряжение поперек слоев, удельное сопротивление составит 100 мкОм×м, если приложить напряжение в плоскости слоев, удельное сопротивление достигает 0.3-0.5 мкОм×м. Помимо чистого углерода известно много модификаций технического углерода. Их физические характеристики также сильно меняются в зависимости от структуры и от количества разнообразных примесей. В основе их лежит структура графита, поэтому технические углероды можно считать и техническими графитами. Из них отметим сажу, кокс, коллоидный графит, силицированный графит. Сажа характеризуется очень малым размером частиц, до десятков ангстрем. Используется как наполнитель для резин, полимеров, электропроводных композиций. Взвесь порошка графита в воде называется «аквадаг» и используется для создания электропроводящих покрытий. Тот факт, что графит имеет повышенное удельное сопротивление по сравнению с металлами, позволяет применять его в промышленности для создания различных сопротивлений. Начиная с пленочных сопротивлений в радиоэлектронике, графитовой бумаги и графитовой ткани и заканчивая композиционными материалами, где частицы графита выступают в роли проводящего наполнителя. Из последних мы упомянем бетэл и более подробно остановимся на ЭКОМе. Бетэл - (бетон электротехнический) - исторически один из первых российских электропроводящих композиционных материалов. Предложен в середине шестидесятых новосибирскими учеными (Вершинин Ю.Н., Добжинский М.А и др.). Эта разработка в начале восьмидесятых была награждена государственной премией. Состоит из четырех компонентов: цемент, сажа ( с добавками кокса), вода, заполнитель. Главное достоинство - дешевизна исходных компонентов и простота технологии приготовления. Сделав смесь типа обычного бетона, где вместо песка использована сажа, получаем материал с удельным сопротивлением примерно 1-100 Ом·см. Недостатки бетэла - нестабильное сопротивление, водопоглощение с последующим изменением многих параметров, малый коэффициент теплопроводности (~ 0.6 Вт/(м·К)). Это не дает возможности создания мощных резисторов для энергетики. Точнее резисторы такие можно создать, но они могут работать только ограниченное время. Опыт показывает, что бетэловый резистор можно включать только на несколько секунд. Материал «ЭКОМ» для резисторов и обогревателей Производственное научное предприятие “ПНП Болид” разрабатывает и изготавливает высоковольтные заземляющие резисторы, нагреватели бытового и промышленного применения на основе промышленно - выпускаемых резистивных элементов из композиционного материала “ЭКОМ” (авторы Сарин, Зиновьев и др.).  Материал “ЭКОМ” составляется из трех мелкодиспергированных компонентов: силицированный графит, окись железа, корунд и одного жидкого компонента: ортофосфорная кислота. Каждый из компонентов обеспечивает определенную функцию. Графит обеспечивает электропроводность материала за счет контактов частичек графита между собой и получения, тем самым, сплошного проводящего мостика от одного электрода к другому. Изменяя концентрацию графита, можно менять, в значительных пределах электропроводность композиционного материала. Корунд обеспечивает его теплопроводность, ввиду того, что теплопроводность корунда достаточно велика (30-50 раз больше теплопроводности других компонентов) и составляет примерно 30 Вт/(м·К). Для сравнения, это значение равно теплопроводности нержавеющей стали. Взаимодействие  окиси железа с ортофосфорной  кислотой дает фосфат железа, обеспечивающий механическую прочность. Материал имеет следующие  параметры: Параметры материала Значения Электропроводность 10-6...3000 Ом/м Механическая прочность на сжатие 50-100 МПа Температурный коэффициент удельного сопротивления - (1,5...2)´10-3 К-1 Плотность 2,6...2,7 Мг/м3 Температурный коэффициент линейного расширения 10-5К-1 Теплопроводность 3...4 Вт/мК Теплостойкость 1100  °С Нагревостойкость 300  °С Одиночный элемент резистора из материала ЭКОМ выпускается в виде нескольких типоразмеров. Наиболее часто применяется в изделиях элемент с размерами 150х150х10 мм,  весом 0.6 кг, номинальным сопротивлением  R=2¸20 Ом. В каждом конкретном случае осуществляется выбор необходимого номинала путем изменения соотношения компонентов и изготовление элементов в нужном количестве. В зависимости от допустимой длительности включения и способов организации теплоотвода допустимая мощность на элемент может меняться в пределах от 50 Вт до 200 Вт.      В конструкции электрообогревателей и резисторов предусмотрено использование нескольких элементов соединенных последовательно. Можно показать, что при таком типе соединения происходит выравнивание мощности по элементам, что обусловлено отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. При увеличении мощности на каком-то элементе его сопротивление уменьшается, что приводит к уменьшению падения напряжения на этом элементе, что приводит, в свою очередь, к уменьшению мощности на этом элементе. В процессе разработки материала было перепробовано большое количество компонентов. Рассмотрим варианты выбора электропроводного компонента. Были испробованы порошки металлов: нержавеющая сталь, медь и т.п. Выяснилось, что композит на основе металлических порошков меняет свое сопротивление после каждого эксперимента с протеканием более-менее значительного тока, а именно, сопротивление уменьшается. Когда разобрались, оказалось, что частички металла сплавляются в месте контактов за счет повышенной плотности тока и повышенной температуры в контактах. В результате перешли на материал, который теоретически плавится  при температуре 3500 °С, а именно, графит. Однако не всякий графит подходит - красивый, блестящий коллоидный графит имеет слишком высокую электропроводность, низкую адгезию к связующему материалу ( в результате - низкая прочность материала) и повышенный температурный коэффициент сопротивления. Изготовленные на основе этого материала нагреватели «разбегались» по температуре, т.е. по мере нагревания сопротивление материала уменьшалось, что приводило к увеличению мощности, это вело к дополнительному нагреву, увеличению мощности и т.д. Чтобы предотвратить выход из строя из-за перегрева, пришлось ставить термодатчики, которые отключали прибор после достижения определенной температуры. Важно также выбрать концентрацию графита. Дело в том, что сопротивление сильно зависит от его содержания. При этом, при малом содержании материал является диэлектриком, а затем, при увеличении количества графита, становится проводником. При этом имеется пороговое значение концентрации графита, при котором резко меняется  электросопротивление. Особенностью композиционных материалов структуры ЭКОМа является наличие контактного сопротивления между впрессованным электродом и материалом, которое может лежать в пределах от десятых долей до единиц Ом. Когда это сопротивление становится сравнимым с сопротивлением элемента, элемент бракуется. Электропроводящие полимеры Как известно, полимеры являются диэлектриками. Однако можно их сделать и проводниками. Для чего такие проводники? Они, в отличие от металлов, имеют высокую коррозионную стойкость, легкую обрабатываемость, малый удельный вес, эластичность, дешевизну и т.п. Для того, чтобы из диэлектрика сделать проводник используются два пути. При введении дисперсной электропроводной фазы, тем самым получается композит, в котором матрицей является полимер, а наполнителем - электропроводная добавка. Обычно используют один из видов технического углерода, чаще сажу. Трудности - плохая адгезия полимера и наполнителя. Значит трудно ввести достаточно много наполнителя чтобы достичь высокой электропроводности. Характерное значение удельного электросопротивления при 20% содержании ацетиленовой сажи составляет 102 Ом·м.               Второй вариант электропроводящих полимеров заключается в модифицировании их структуры. Оказывается, если сделать полимер не из насыщенных углеводородов, а из ненасыщенных,  в которых есть двойные, либо тройные связи, то в таком полимере может быть электронная, либо дырочная электропроводность. Первым электропроводным полимером был полиацетилен, в котором чередуются одинарные и двойные связи в линейной молекуле полимера. Пока электрополимеры такого типа не вышли за пределы лабораторий. Но несомненно, у них есть будущее. Достигнутое значение удельного сопротивления примерно как у графита (10-3 Ом×м, частное сообщение японских разработчиков) .  Методы измерения В лабораторной работе проводятся комплексные измерения:  падения напряжения на электродах пяти пластин из материала ЭКОМ, падения напряжения на самом материале,  ток через образцы и температура образцов. При этом измерения производятся сразу после включения, и после истечения 10 минут.  Падение напряжения измеряются с помощью вольтметра и щупов с изолированной ручкой, прикладываемых, поочередно к клеммам и к графитовым полоскам на пластинах ЭКОМ вблизи электродов. Температура образцов измеряется с помощью термопар. Ток с помощью амперметра. Описание лабораторной установки Лабораторная установка смонтирована на стенде. Схема установки показана на рисунке. Резистивные элементы из ЭКОМа (позиция 1 на рисунке) соединяются последовательно между собой и с амперметром. При включении установки через них протекает ток до 1 ампера, измеряемый амперметром. Падение напряжения на элементах можно измерить при помощи вольтметра, подключаемого к клеммам 2, либо непосредственно к материалу, в местах на поверхности, наиболее близких к электродам. Разница напряжений, измеренных на клеммах и на материале, определяется именно контактными сопротивлениями на границе электродов и материала. Температура измеряется при помощи специального прибора и термопар, приложенных к обратной стороне образца.  Выводы термопар присоединены к клеммам 3.

  Методические указания при выполнении работы:    

Внимание! При включении установки на элементах появляется напряжение, опасное для жизни. Непосредственное прикосновение руками к элементам, к клеммам 2 и к плиткам ЭКОМ запрещено. Измерение напряжение производится щупами с изолированными рукоятками, прилагаемыми к вольтметру.

При включении установки необходимо зафиксировать ток и время включения, для определения интервала времени, в течение которого элементы грелись, находясь под током.  Поскольку во время проведения измерений, измеряемые параметры меняются, до проведения работы желательно подготовить таблицы для занесения данных и продумать организацию быстрого измерения. Непосредственно после включения установки производится измерение начальных температуры и напряжения на образцах. Рекомендуемое время нахождения образцов под током - 10 минут. По окончании этого времени производится повторное измерение тока, необходимых значений напряжения  и температур нагретых образцов. После чего установка отключается.

При обработке данных считать, что выделяемая при протекании тока энергия полностью переходит в тепловую энергию материала образцов. Уравнение теплового баланса при отсутствии теплоотвода выражает равенство между теплом, выделенным за счет прохождения тока, и теплом, поглощенным за то же время материалом.

Оформление результатов:      В отчете по работе, составляемом на группу, необходимо привести все измеренные значения, расчетные выражения и результаты расчетов.

Контрольные вопросы: 

1.    Состав ЭКОМА и роль каждого из компонентов.

2.    Что такое композиционный материал?

3.    Какие модели структуры композиционных материалов Вы знаете?

4.    Как рассчитать удельное электрическое сопротивление по току, протекающему через образец и падению напряжения на участке образца?

5.    Как определить контактное сопротивление?

6.    Что такое удельная теплоемкость материала?

7.    В каких единицах измеряется удельная теплоемкость?

8.    Значения каких величин нужно знать, чтобы определить количество энергии, поглощаемой в единице объема материала при нагреве материала на 1 градус?

9.    Что означает отрицательное значение температурного коэффициента удельного сопротивления?

10. Почему у полупроводников отрицательный температурный коэффициент удельного сопротивления?

11. По каким причинам образцы ЭКОМА, одного состава и одной технологии изготовления могут иметь разное сопротивление?

12. Используя данные Ваших измерений,  предскажите значение напряжения между двумя указанными преподавателем точками установки.

                               Формулы, необходимые для определения нужных параметров

Контактное сопротивление каждого образца определяется из выражения

где U_к – напряжение на клеммах, U_м – напряжение на материале, I – ток.

Основное выражение для определения удельной теплоемкости материала образцов

где j - плотность тока, r - удельное сопротивление, t - время, с- удельная теплоемкость, d - плотность материала, DТ - разница между конечной и начальной температурами каждого образца.

Температурный коэффициент сопротивления определяется по значениям сопротивления материала

1. Измерение удельного сопротивления и определение температурного коэффициента удельного сопротивления металлов.
   




2. Определение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь различных диэлектриков
   




3. Исследование композиционного резистивного материала ЭКОМ
   




4. Определение электрической прочности воздуха и трансформаторного масла.
   




5. Измерение твердости материалов
   




6. Изготовление низкотемпературной керамики