Materiały przewodzące prąd elektryczny. Przewodnictwo elektryczne: elektrony są nośnikami ładunków w metalach, półprzewodnikach i izolatorach o wiązaniach kowalencyjnych; materiały o wiązaniach jonowych-jony. Przewodność elektryczna właściwa- odwrotność oporu elektrycznego właściwego, iloczyn gęstości ładunków n, wartości ładunków przenoszonego przez pojedynczy nośnik q i ruchliwość ładunku µ.Model pasmowy ciała stałego: zmiana dyskretnych poziomów energetycznych elektronów w pasma energetyczne, gdy atomy zbliżają się do siebie na małe odległości przy tworzeniu ciała stałego. Na zmniejszenie przewodności elektrycznej ma wpływ: -wzrost temperatury,- wzrost zawartości zanieczyszczeń, - wzrost gęstości defektów struktury krystalicznej. Poziom Fermiego Ef- energia najwyższego zapełnionego stanu w paśmie energetycznym w 0K. Wymagania dla materiałów przewodzących prąd elekt.: a) elektryczne- wysoka konduktywność b) mechaniczne- wytrzym. na rozciąganie, giętkość, brak skłonności do płynięcia c) termiczne: wys. przewodność cieplna, wys. dop. temp. pracy, wys. temp. topnienia, łatwa lutowalność i spawalność d) chemiczne: mała aktywność chem., odporność na korozję e) ekonomiczne: względnie niski koszt. Podział mat. przewodzących prąd elekt.: - przewodowe, oporowe, stykowe, termoelekt.
Materiały rezystywne (oporowe) dzielimy: na rezystory pomiarowe, regulacyjne, grzejne. Własności: - elektryczne (rezystywność, tem. współczynnik rezystywności, stabilność własności elekt., obciążalność prądowa); -mechaniczne (wytrzymałość na rozerwanie, obrabialność, skłonność do rekrystalizacji);- cieplne (dop. temp. pracy ciągłej, wydłużalność przy wysokich temp.) - chemiczne (odporność na korozję, skłonność do tworzenia tlenków w podwyż. temp.). Wymagania dla mat.: duża rezystywność, niezmienność rezystancji w czasie i niezależność od temp. Rodzaje rezystorów: - drutowe, cienkowarstwowe, grubowarstwowe, foliowe; a) rezystory pomiarowe (konstantan, manganin) b) regulacyjne (suwaki, regulatory oświetlenia) c) grzejne (nichromy, ferronichromy, ferrochromale). Kiriorezystywność: ze spadkiem temp. słabną drgania jonów sieci i rezystywność maleje. Nadprzewodnictwo- zjawisko całkowitego zanikania oporu elektrycznego mat. przy ochładzaniu ich do temp. bliskiej zeru bezwzgl. (poniżej 10 K).Stan ten znika przez działanie silnego pola magnetycznego o wartości większej od tzw. pola krytycznego.
Materiały półprzewodnikowe- mat. które w temp. 0 bezwzgl. nie przewodzą prądu elekt. W 0 K są jak dielektryki. Ze wzrostem temp. bardziej podatne na przewodzenie. Podział: a) pólprzewodniki typu n (powstaje przez dodanie do IV Si lub Ge pierwiastka z większą l. elektronów, b) typu p ( przez dodanie pierwiastka z mniejszą liczbą elektronów). Własności półprzewodników:- silna zależność konduktywności od czystości mat. oraz czynników zew. :temp, pole elektr., promieniowanie. Metody otrzymywania: a) metoda Czochralskiego, b) topienia strefowego. Zjawisko Halla- powstanie siły elektromot. przez odchylanie torów nośników ładunku elektr. w polu magnet. Zastosowanie: diody, ogniwa fot., tranzystory, lasery, termistory warystory.
Materiały dielektryczne (izolatory)- ciała stałe, ciekłe, lotne które w swej strukturze, przy braku zew. bodźców jonizujących nie zawierają ładunków swobodnych. Polaryzacja - ładunki + przesuwają się w kierunku zgodnym z kierunkiem natężeniem pola, - w przeciwnym dlatego na powierzchni dielektryka zwróconej do okładziny + kondensatora pojawia się warstwa ładunków ujemnych. Rodzaje polaryzacji: a) elektronowa- pole elektr. wywołuje względne przesuniecie + i - ładunku atomu.Przebiega szybko, ustepuje po usunięciu zew. pola el. b) jonowa- pole el. wywołuje względne przemieszczenie + i - jonów w cząsteczce, nastepuje sprężyste rozsunięcie różnoimiennych jonów c) dipolowa- jeśli przy braku pola są w ośrodku stałe momenty dipolowe nieuporządkowane to p. elekt. powoduje ich ułożenie w kierunku pola. Własności: przenikalność elekt. względna, zależy od stanu skupienia dielektryka, rodzaju polaryzacji, temp. i częstotliwości zmiennego p. elekt. Podział: a) konstrukcyjne b) osłonne c) wypełniające (inaczej lotne, ciekłe, stałe).
Ogniwa Fotowoltaiczne: elektroda dolna (Al naparowane w próżni), górna (srebro metodą sitodruku). Budowa ogniw: a) metaliczne podłoże (folia Al), b) dwutlenek krzemu, c) spolaryzowana + warstwa półprzewodnika p, d) półprzewodnik typu n, e) metalowe elektrody zbiorcze. Ogniwo fotowoltaiczne- służy do zamiany energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Posiada barierę potencjału (złącze p-n), działa przez przeniesienie elektronów w mat. połprzew. ze złączem p-n z pasma podst. do pasma przewodzenia dzięki en. z absorpcji prom. świetlnego. Łączenie ogniw: a) szeregowe- łączenie ze sobą przedniej elektrody (-) poprzedniego ogniwa z tylną elektrodą ogniwa następnego lub odwrotnie (napięcia ogniw sumowane) b) równoległe- połączenie przedniej el. poprzedniego ogniwa z przednią el. ogniwa następnego przy jednoczesny połączeniu ze sobą tylnych elektrod, prądy ogniw są sumowane. Kilka ogniw=moduł, kilka modułów =panel, kilka paneli = system wytwarza prąd stały.
Materiały o szczeg. własnościach magnet. a) materiały diamagnet.- magnetyzują się w słabym stopniu w kierunku przeciwnym do działania zew. pola magnet. jest proporcjonalny do zw. pola magnet. i niezależny od temp (gazy szlachetne, miedź, srebro, cynk) b) paramagnet.- też w niewielkim stopniu, kierunek zgodny do zew. p. magnet. proporcjonalny do zew. pola magnet. i odwrotnie proporcjonalny do temp. bezwzgl. (metale alkaliczne, platyna, magnez cyna, al) c) ferromagnetyczne- silnie się magnetyzują w kierunku zgodnym do zew. p. magnet. i wykazują przy zmianie kierunku pola własności histerezy (żelazo, nikiel, kobalt). Materiały magnet. miękkie- łatwo ale nietrwale magnesują się pod wpływem ze. pola magnet. mają wąską pętlę histerezy, np. rdzenie elektromagnesów, osłony przeciwmagnetyczne (stopy Fe-Si, Fe-Ni, ferryty). Magnetyczne twarde- duża pętla histerezy, raz namagnesowane zachowują swoje własności magnetyczne, stosowane na magnesy trwałe (stal wolframowa, węglowa < 1% C, stopy Fe-Al.-Ni).