s
Sesiya.ru

КЛАССИФИКАЦИЯ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

Информация о работе

Тема
КЛАССИФИКАЦИЯ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
Тип Лекции
Предмет Металловедение
Количество страниц 20
Язык работы Русский язык
Дата загрузки 2014-12-28 13:20:21
Размер файла 542.37 кб
Количество скачиваний 102

Узнать стоимость работы

Заполнение формы не обязывает Вас к заказу работы

Скачать файл с работой

Помогла работа? Поделись ссылкой

КЛАССИФИКАЦИЯ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ.
Классификация материалов электронной техники. Критерии выбора материалов. Понятие свойства, параметра, характеристики.
Все материалы подразделяют на конструкционные и электротехнические. Электротехнические материалы – материалы, которые имеют специальные свойства в отношении электромагнитного поля. Материалы, при использовании которых основными являются другие, а не электрофизические свойства, и которые в электронной аппаратуре выполняют вспомогательные функции, называют конструкционными материалами.

Варианты классификации материалов.
По назначению
1) электротехнические – материалы, у которых важнейшими являются специальные свойства в отношении электромагнитного поля (ослабляют или усиливают поля, токопроводность…).
2) конструкционные (важнейшие – неэлектрофизические свойства, а другие, чаще всего механические)
2. По поведению материалов в электрическом поле (проводимости) различают проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические материалы.

1) проводники (Ме) ρ<〖10〗^(-5)Ом*м (ρ – удельное сопротивлениеρ)
Проводниковые материалы – материалы, обладающие высокой электропроводностью за счет того, что у них энергетические зоны электронов - валентная зона и зона проводимости, примыкают вплотную или перекрываются, запрещенной зоны нет, поэтому валентные электроны без сообщения им дополнительной энергии могут «уходить» от атома и становиться свободными носителями заряда. Удельное сопротивление проводников менее 10-5Ом•м.

2) полупроводники ρ=〖10〗^(-6)…〖10〗^(-9)Ом*м; φ_з=0.1…3
Полупроводниковые материалы – материалы с узкой запрещенной энергетической зоной, отличительным свойством их является сильная зависимость удельного сопротивления от концентрации и вида примеси, дефектов внутренней структуры и факторов внешней среды (температуры, освещенности и т.п.). Удельное сопротивление полупроводников при нормальных условиях лежит в пределах 10-6…109 Ом•м.

3) диэлектрики ρ>〖10〗^7 Ом*м
Диэлектрические материалы – материалы с широкой запрещенной энергетической зоной, в обычных условиях электронная электропроводность в них отсутствует, а основным свойством диэлектриков является способность к поляризации. Удельное сопротивление диэлектриков более 107 Ом•м.

- По магнитным свойствам материалы подразделяются на слабомагнитные (диамагнетики и парамагнетики) и сильномагнитные (ферромагнетики).

1) слабомагнитные (диамагнетики, парамагнетики)
Диамагнетики – вещества с магнитной проницаемостью <1, величина которой не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Это инертные газы, большинство органических соединений, серебро, золото, ртуть, графит, висмут.

Парамагнетики – вещества с магнитной проницаемостью >1, которая также не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Это кислород, алюминий, платина и некоторые другие материалы.

2) сильномагнитные
Сильномагнитные вещества (магнетики) – обладают магнитной проницаемостью >>1, зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. К ним относятся железо, никель, кобальт и их сплавы, ферриты и пермаллои.

А) Магнитотвердые
Б) Магнитомягкие
- По природе вещества
Органические (полимеры, C)
Неорганические (Ме)
- По источнику возникновения
Искусственные
Натуральные
- По способности изменять свойства при внешнем воздействии
Пассивные
Активные
- По агрегатному состоянию
Твердые
Жидкие
Газообразные
- По типу химической связи (по внутренней структуре).
Элементами структуры являются атомы, молекулы и ионы. Размеры атомов порядка 1 Â = 10-10м (ангстрем). В зависимости от агрегатного состояния различают газы, жидкости и твердые тела. Как правило, в электронной технике все большинство электротехнических материалов – твердые. Жидкости применяются в качестве изоляторов (трансформаторное масло), электролита в аккумуляторах и конденсаторах, газы – в качестве изолятора (элегаз).
В материалах, имеющих молекулярное строение, атомы в молекуле или соседние атомы вещества могут образовывать различные химические связи. Прочность химической связи во многом определяет свойства материала. Обычно выделяют ковалентную, ионную, металлическую и молекулярную связи.
Ковалентная – связь атомов друг с другом за счет общих электронов (пример - газы).
Ковалентная связь – связь между атомами, образуемая общими электронами. Если в молекуле центры положительных и отрицательных зарядов при этом совпадут – вещества называют неполярными, или нейтральными, а если будут расположены на некотором расстоянии друг от друга – полярными, или дипольными. Полярные молекулы характеризуются величиной дипольного момента

(1.1)
где q – заряд ионов молекулы, Кл,
l – расстояние между геометрическими центрами зарядов, м.

Ковалентная связь характерна также для твердых веществ, кристаллические решетки которых состоят из атомов (алмаз, полупроводниковые монокристаллы), и для органических молекул.




Рисунок 1.
Металлическая – самая слабая, электроны наружных орбит обобществляются, а ионы образуют металлическую кристаллическую решетку
Металлическая связь характерна для металлов и представляет собой остов из положительно заряженных ионов, опущенный в электронный газ. Металлическая связь определяет высокие тепло- и электропроводность, является причиной характерного блеска. Реальные металлы обладают поликристаллической структурой.

Ионная – определяется силами притяжения между положительными и отрицательными ионами
Ионная связь создается силами притяжения между положительными и отрицательными ионами и имеет электрическую природу. Твердые тела ионной структуры имеют повышенную твердость

Молекулярная – связь Ван дер Ваальса – межмолекулярная связь, создаваемая согласованным движением электронов в соседних молекулах; внутри молекулы – связь ковалентная
Молекулярная связь (связь Ван-дер-Ваальса) – межмолекулярная связь, наблюдаемая у некоторых веществ, молекулы которых образованы ковалентными связями. Эта связь обусловлена согласованным движением электронов в соседних молекулах. Малая температура плавления веществ с молекулярной связью указывает на ее слабость.

По созданию дипольного момента

Рисунок 2.
Полярные – атомы, молекулы имеют дипольный момент, т.к. центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают (пример - вода)
Неполярные – не создают дипольного момента, поскольку l=0
5. По структурному состоянию твердых тел выделяют монокристаллические, поликристаллические и аморфные вещества.

Кристаллы (монокристаллы – имеют регулярную пространственную структуру, т.е. имеют кристаллическую решетку)
Монокристаллические материалы из несимметричных кристалlog_⁡лов анизотропны, все остальные – изотропны. 14 возможных видов кристаллических решеток объединяются в шесть кристаллических систем, отличающихся взаимными размерами граней элементарной ячейки монокристалла и углами между этими гранями (рис. 1.2).

Трехклинная
Моноклинная
Ромбическая
Гексагональная
Тетрагональная
Кубическая

Рис. 3. Кристаллические системы монокристаллов
Всего может быть 14 видов решеток, объединенных в 6 групп:
Состояние материалов при определенной кристаллической решетке называется фазой, а перестройка решетки без изменения химического состава называется фазовым переходом (ферид и матенсид)
Кристалл может обладать анизотропией свойств. Искусственно созданная анизотропия называется текстурой (применяется для магнитных материалов)
Свойства кристаллических материалов помимо структуры решетки сильно зависят от правильности ее строения. В реальных кристаллах встречается множество дефектов структуры – примеси, вакансии (пустые узлы), трещины, поры, смещения. Дефекты кристаллической структуры наиболее часто используют для обеспечения заданных механических свойств конструкционных материалов (металлов) и электрических свойств полупроводников.

Аморфные Аморфные тела – затвердевшие жидкости, значительная вязкость которых при понижении температуры не позволила молекулам и атомам организоваться в кристаллическую структуру.
Отсутствует упорядоченность атомов (затвердевшие жидкости). Достигается быстрым охлаждением.
Аморфно-кристаллические вещества
аморфно-кристаллические материалы – кристаллы произвольной ориентации, размещенные в аморфной структуре. К ним относят ситаллы.


Рисунок 4.
Поликристаллы, промежутки между которыми заполнены аморфным веществом. Доли веществ выражаются в % по объему (пример – сеталлы - подложки гибридных микросхем)
К материалам электронной техники предъявляют жесткие и часто взаимно противоречивые требования в зависимости от их назначения и условий эксплуатации. Общие требования к материалам следующие:
минимальная масса,
максимальная механическая прочность, устойчивость к вибрации, ударам,
максимальный диапазон рабочих температур,
устойчивость к воздействию влаги, плесени, микроорганизмов, способность отпугивать мелких животных,
минимальная стоимость,
максимально простая и поддающаяся автоматизации технология изготовления, экологическая чистота, наличие достаточного количества сырья в природе.
Выбор материала для изготовления электронной аппаратуры зависит от физических свойств окружающей среды, где данный материал будет использоваться.
При рассмотрении особенностей конкретных материалов следует различать понятия «свойство», «параметр» и «характеристика».
Свойство материала – признак, отражающий его различие или общность по отношению к другим материалам. Свойство материала численно не выражается. Примеры свойств – упругость, электропроводность, смачиваемость.
Параметр материала – величина, численно характеризующее какое-либо свойство материала при известных условиях, например, удельное сопротивление, температурный коэффициент линейного расширения, абсолютный коэффициент преломления света, магнитная проницаемость.
Характеристика материала – взаимосвязь между зависимыми и независимыми переменными, определяющими состояние материала, представляется графически, аналитически или таблично, например, зависимость удельного сопротивления материала от его температуры.
Обычно – это зависимость параметра одного от другого или от свойств внешней среды

Рисунок 5.

Механические свойства материалов

Механическая прочность – способность сопротивляться действию не разрушаясь. Различают прочность материала на сжатие, растяжение и изгиб. Параметры, характеризующие прочность – пределы прочности:
предел прочности на сжатие:

(1.1)
где - разрушающее усилие при растяжении, Н,
- площадь поперечного сечения тела до разрушения, м2;
предел прочности на растяжение:

(1.2)
где - разрушающее усилие при растяжении, Н,
предел прочности на изгиб:

(1.3)
где - разрушающее усилие при растяжении, Н, приложенное к середине испытуемого образца толщиной h, м и шириной b,м, покоящегося на двух неподвижных опорах, расстояние между которыми равно L.
Перед разрушением образца при растяжении он растягивается. Относительное удлинение при этом
[%]
(1.4)
где - длина образца до удлинения, м,
- длина образца в момент разрыва, м.
Для металлов пределы прочности на растяжение, сжатие и изгиб практически одинаковы, у анизотропных веществ зависят от направления приложения нагрузки. Для стекол, пластмасс и керамики предел прочности на сжатие значительно больше, чем на растяжение и изгиб.
Ударная вязкость (хрупкость) – предел прочности материала при ударном изгибе. Для ее измерения образец помещают на две опоры. Специальный стальной маятник поднимают над серединой межопорного пространства и отпускают. Устремляясь вниз, маятник разрушает образец, при этом ударная вязкость характеризуется минимальной силой разбивающего удара, отнесенной к единице площади:

(1.5)
где - работа, затраченная на разрушение, Дж.
Чем меньше величина ударной вязкости, тем более хрупок материал.
Упругость – способность твердых тел восстанавливать форму и объем после прекращения действия внешних сил. Характеризуется модулем упругости (модулем Юнга).
Пластичность – способность материалов изменять размеры и форму под действием внешних сил не разрушаясь. Применяется для придания материалам необходимой формы и механических свойств и используется при прессовании, ковке и некоторых других процессах.
Текучесть (ползучесть) – разновидность пластичности при которой материал приобретает заметные деформации при длительном воздействии малых нагрузок. Текучесть – негативное свойство как для конструкционных, так и для электротехнических материалов. Например, алюминий провода постепенно «вытекает» из зажимов контакта, в результате контактное соединение греется, что может привести к пожару.
Твердость – способность поверхностного слоя материалов противостоять деформации сжимающему усилию, передаваемому посредством предмета малых размеров.
Существует несколько способов оценки твердости, среди которых наибольшее применение получили:
метод Бриннеля – нагрузка передается сферической поверхностью (шариком). Чем меньше диаметр отпечатка – тем выше твердость. Единицей измерения являются единицы Бриннеля HB:

(1.6)
где P – вдавливающее усилие, Н,
S – площадь отпечатка, мм2.
метод Роквелла – нагрузка передается посредство алмазного конуса, вдавливаемого в испытуемый образец. Чем меньше глубина вдавливания, тем больше твердость. Мерами твердости по Роквеллу являются единицы HRC и HRA – получаемые при нагрузках на конус 150 кгс и 60 кгс соответственно (для «твердых» тел), и HRB для «мягких» материалов (использую стальной конус):

(1.7)
где P – вдавливающее усилие, Н,
h – глубина вдавливания, мм.

метод Виккерса – нагрузка на образец передается посредством алмазной четырехгранной пирамиды. Твердость HV обратно пропорциональна диагонали отпечатка этой пирамиды.

Прочность на сжатие, растяжение и на изгиб; параметр – предел точности:

Рисунок 6. ,где: р – растяжение, с – сжатие, и – изгиб, Pc, Pр – разрушительные усилия.

Рисунок 7.

Рисунок 8.
У анизотропных веществ эти параметры (сигмы) разны по разным направлениям.
Упругость – способность восстанавливать форму и размеры после действия внешних сил.

Рисунок 9.

Пластичность – способность изменять формы и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь.
Текучесть (ползучесть) – деформация твердого тела при длительном воздействии малых нагрузок (примеры: стекло, алюминий).
Ударная вязкость – предел прочности материалов при ударном изгибе.
Рисунок 10.
Величина, обратная хрупкости.
Твердость – способность поверхностного слоя материала противостоять деформации сжимающему усилию, передаваемому посредством предмета малых размеров.
Способы определения твердости:
Твердость по Бринеллю (HB)
Рисунок 11.
d – отпечаток, П – усилие
По Роквеллу
Рисунок 12.
Алмазный конус.
По Виккерсу
Рисунок 13.
Вдавливается алмазная 4хгранная пирамида; d – диагональ отпечатка.
По Шору (для резины)
Для режущего инструмента необходимо обеспечить твердость только поверхностного слоя.

Теплофизические свойства материалов

Температура плавления (С) измеряется у материалов кристаллического строения с постоянной по всему объему формой кристаллической решетки. По достижении температуры плавления весь объем материала сразу переходит из твердого состояния в жидкое.
Температура размягчения (С) – определяется у тем аморфного строения (компаунды, стекла, полимеры). Для этих веществ переход в жидкое состояние происходит в определенным диапазоне температур, поэтому температура размягчения – условная величина.
Нагревостойкость (теплостойкость) – характеристика, определяющая способность материала длительно выдерживать максимально допустимую температуру без существенного снижения механических, электрических и других характеристик. Применяется преимущественно для диэлектриков. Численно характеризуется максимальной рабочей температурой, определяемой по методу Мартенса (для неоднородных веществ) или методу Вика (для однородных). Максимальная температура по методу Мартенса – та, при которой изгибающее усилие 5 МПа вызывает заметную деформацию образца, по методу Вика – температура, при которой стержень диаметром 1.13мм, на который опирается груз массой 1 кг погружается в испытуемый образец на 1мм при скорости изменения температуры 50 С/час.
Тепловое старение – свойство, наиболее характерное для диэлектриков – ухудшение изоляции при длительном воздействии повышенной температуры.
Теплопроводность – показывает способность материалов проводить тепло. Она влияет на электрическую прочность при тепловом пробое и на стойкость материала к термоударам. Количественно оценивается коэффициентом теплопроводности:

(1.8)
где Q, Дж – количество теплоты, проходящее за время , с через стенку из исследуемого материала площадью S, м2 и толщиной h, м при разности температур с двух сторон этой стенки , К.
Наибольшей теплопроводностью обладают кристаллические вещества, в т.ч. металлы, наименьшей – аморфные материалы.
Тепловое расширение материалов связано с усилением тепловых колебаний атомов кристаллической решетки при повышении температуры и характеризуется температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР):

(1.9)
где ,м и , м - длина образца при температурах , С и , С соответственно.
Стойкость материала к термоударам (термоимпульсам). Свойство наиболее важно для хрупких материалов. Разрушение образца наступает, если скорость изменения температуры (коэффициент температуропроводности) не соответствует скорости распространению теплоты (коэффициент теплоемкости) и, соответственно, при резком нагреве тело не успевает расшириться. Величина, характеризующая стойкость стеклообразных материалов к тепловым импульсам:

(1.10)
где - предел прочности на растяжение, Н/м2,
- температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), K-1,
- модуль упругости, ,
- удельная теплопроводность, Вт/м•К,
- удельная теплоемкость, Дж/кг*С,
- плотность вещества, кг/м3.
Холодостойкость – свойство, позволяющее оценить стойкость материала к низким температурам. Характеризуется минимально допустимой рабочей температурой. Как правило, электрические свойства материалов (проводников и диэлектриков) при низких температурах улучшаются, однако механические свойства ухудшаются. Особенно характерно это для органических материалов, которые при низких температурах становятся жесткими, хрупкими, растрескиваются.

Температура плавления – температура перехода в жидкое состояние (переход мгновенный, диапазон температур – меньше градуса, характерна для чистых материалов кристаллической структуры, например, для чистых материалов; для аморфных материалов и смесей применяется температура размягчения, диапазон температур – десятки градусов)
Нагревостойкость – определяет способность материала длительно выдерживать предельно допустимую температуру без заметного снижения механических, электрических и других характеристик.
Способы определения нагревостойкости:
По Мартенсу
Деформация изгибающим усилием (берут 2 опоры и т.д.)
По Вику
Проникновение стального стержня в образец на определенную глубину при определенной нагрузке.
Тепловое старение (изоляции) – ухудшение диэлектрических свойств при длительном воздействии высоких температур.
Стойкость к термоудару.
Рисунок 14.
Тепловой удар наступает, если скорость нагрева или охлаждения тела не соответствует скорости распространения температуры в нем при фиксированном альфаl (характерен для твердых хрупких тел).
Теплопроводность – способность материалов проводить тепло.
Рисунок 15.
Удельная теплопроводность – количество теплоты Q, проходящее через стенку h за время тау при площади стенки S и разницей температур t2-t1.
Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР)
Рисунок 16.
Холодостойкость – способность материала работать при низких температурах, оценивается минимально допустимой рабочей температурой.
При понижении температуры электрические свойства диэлектриков и проводников улучшаются, но ухудшаются механические свойства: теряется гибкость, эластичность, возникает растрескивание. ПП приборы при низких отрицательных температурах теряют работоспособность.

Физико-химические свойства материалов
Растворимость показывает стойкость к действию воды, кислот, щелочей, растворителей. Численно растворимость определяется как количество материала, переходящее в раствор за единицу времени с единицы поверхности материала, соприкасающейся с растворителем. Легче всего растворяются вещества, стойкие к растворителю по химической природе. Растворимость ухудшается с повышением молекулярной массы, поэтому полимеры практически нерастворимы. Растворимость также растет с ростом температуры.
Влагопоглощаемость (водопоглощаемость) – характеристика материала, позволяющая оценить свойство материала противостоять проникновению в него воды. Численно оценивается как относительное повышение массы материала после пребывания его в дистиллированной воде температурой 20С в течении 24 часов. Чем больше влагопоглощаемость, чем лучше материал адсорбирует воду из атмосферы.
Влагопроникаемость (водопроникаемость) – свойство материала проводить пары воды при наличии разности давлений водяного пара с двух сторон материала:
, кг
(1.10)
где m - количество влаги, проходящее за время , с сквозь пластину материала площадью S, м2 и толщиной h, м под действием разности парциальных давлений водяного пара , Па с двух сторон от этой пластины.
Вода является сильно дипольным диэлектриком с низким удельным сопротивлением, поэтому попадание ее в поря твердых диэлектриков вызывает резкое снижение их электрических характеристик.
Смачиваемость – способность материалов задерживать на своей поверхности воду. Характеризуется краевым углом смачивания  капли жидкости, нанесенной на плоскую поверхность (рис. 1.х).

Рис. 2. Краевой угол смачивания
гидрофильных (а) и гидрофобных (б) материалов
Если угол смачивания >90 - материал называют гидрофобным, а если <90 - гидрофильным.
Для предотвращения смачивания, водопоглощаемости и водопроникаемости электротехнических и конструкционных материалов выполняется их пропитка и покрытие поверхности гидрофобными лаками.
Устойчивость к плесени. Плесень ухудшает механические и электрические свойства, способствует развитию коррозии металлических частей аппаратуры. Предрасположенность к плесени проявляют органические диэлектрики – естественные полимеры (гетинакс, текстолит) в жаркой и влажной среде. Наиболее стойки к возникновению плесени неорганические вещества (стекло, керамика, слюда) и искусственные полимеры (фторопласт, полиэтилен, полистирол).
Радиационная стойкость – определяет способность материалов сохранять свои характеристики в условиях интенсивного излучения и послерадиационного воздействия. Радиоактивное излучение повреждает полупроводниковые приборы и разрушает диэлектрики, а особенно полимеры. Численно определяется суммарной дозой излучения, поглощенной веществом. Единицами дозы радиационной стойкости являются рад для корпускулярных излучений (электроны и нейтроны), рентген для волновых (рентгеновского и гамма-излучения) или общее число радиоактивных частиц, попадающих на единицу площади вещества (нейтрон/м2). Высокая радиационная стойкость наиболее важна для аппаратуры, работающей в космосе, без защиты озонового слоя Земли.

1. Растворимость – стойкость к действию жидкости, оценивается как количество вещества, переходящее в раствор за единицу времени с единицы поверхности (сильно зависит от температуры: увеличивается с ее ростом).
2. Стойкость к плесени – важна на территориях с тропическим климатом (обозначения: У4 – в помещениях, ТЛ – в тропических). Плесени подвержены материалы органического происхождения.
3. Радиационная стойкость. Единицы измерения – рентген (для рентгеновского и гамма-излучения), для корпускулярных излучений – рад (или нейтрон на метр квадратный).
Электрические свойства при радиационном излучении ухудшаются у диэлектриков и пп, также разрушаются механически полимеры.
4. Влагопоглощаемость – стойкость материала противостоять проникновению в него жидкости (чаще всего, воды).
Рисунок 17.
5. Влагопроникаемость – свойство материала пропускать пары жидкости при наличии разности давлений по разные стороны от материала.
Рисунок 18.
П – удельная паропроницаемость, m – масса жидкости, проникшая через стенку толщиной h площадью S за время тау при наличии разности давлений паров жидкости.
6. Смачиваемость:
1) гидрофилы
2) гидрофобы
Рисунок 19.
В электротехнике предпочтительней гидрофобные материалы.
Для улучшения свойств электротехнические материалы, особенно диэлектрики, подвергаются покрытию лаками, пропиткам и аналогичным операциям.
Оптические свойства материалов
ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПАРАМЕТРЫ МАТЕРИАЛА
Основной характеристикой оптического излучения является длина волны. По длине волны условно выделяют 4 вида излучения: рентгеновское ( = 0.004..10 нм), ультрафиолетовое УФ ( = 10..380 нм), видимое ( = 380..770 нм) и инфракрасное ИК ( = 770..1000 нм).
Взаимодействие светового потока с материалами показывают с помощью световых лучей, которые считают прямыми. Важнейшими оптическими свойствами материалов являются отражение, преломление и дисперсия световых лучей, а также рассеяние и поглощение.
Луч света, падая на поверхность материала, разделяется на два: один отражается, а другой, преломляясь, проходит внутрь (рис. 1.х).

Рис. 3. Преломление и отражение световых лучей
Согласно закону отражения, угол падения равен углу отражения. В зависимости от степени шероховатости поверхности раздела отражение бывает зеркальное (если размеры неоднородностей структуры поверхности значительно меньше длины волны падающего света) и рассеянное (если размеры неоднородностей структуры поверхности сопоставимы с длиной волны падающего света).
При преломлении действует закон преломления, согласно которому n – показатель преломления – величина постоянная, зависящая только от длины волны падающего света:
,
(1.11)
где 1 – угол падения светового луча, ,
2 – угол отражения светового луча, .
Если луч падает в оптическую среду из вакуума, показатель преломления называется абсолютным, если из другой оптической среды – относительным. Показатель преломления воздуха равен единице.
Белый цвет содержит составляющие на всех длинах волн видимого излучения, а поскольку показатель преломления зависит от длины волны, то, преломляясь, белый свет разлагается в спектр. Это явление называется дисперсией света, показателем дисперсии является разница показателей преломления двух разных длин волн.
Поглощение и рассеяние светового излучения. Главными видами поглощения являются собственное поглощение, обусловленное взаимодействием электромагнитных волн с кристаллической решеткой и характеристическое поглощение, возникающее вследствие колебания и вращения молекул оптической среды. Поглощение света оптической средой описывается законом поглощения:
,
(1.11)
где - монохроматический световой поток на входе в оптическую среду,
- спектральный коэффициент поглощения,
- длина волны оптического излучения, м,
- толщина материала, в котором поглощается световое излучение, м.
Помимо поглощения, в оптических средах наблюдается рассеяние светового пучка на элементах внутренней структуры (молекулах, атомах и электронах). Закон рассеяния аналогичен по структуре закону поглощения:

(1.12)
где - лучистый поток, рассеянный оптической средой,
- спектральный коэфициент рассеяния,
- коэффициент ослабления светового потока за счет рассеяния.

Главная характеристика излучения- длина волны.
Рисунок 20.
Свет передается фотонами, которые распространяются прямолинейно. Взаимодействие пучков с материалами обозначают лучами.
Рисунок 21.
Белый цвет, так как содержит все составляющие спектра после преломления разлагается на составляющие (явление дисперсии). Чтобы этого не происходило при передаче оптического сигнала используют монохроматическое излучение.
Рисунок 22.
Виды отражений:
Зеркальное возникает, если размеры неоднородности поверхности меньше длины волны (материалы – кристаллы, обладающие блеском).
Рассеянное возникает, если размеры неоднородности отражающей поверхности сопоставимы с длиной волны.
Закон поглощения, закон рассеивания.
Рисунок 23.
F_0λ – световой поток, входящий в среду.
Z – толщина среды.
F_λ – световой поток после прохождения среды.
P_λ – коэффициент поглощения (зависит от длины волны).
R_λ – коэффициент рассеивания (зависит от длины волны).

Электрические и магнитные свойства материалов
Электропроводность Характеризуется удельным сопротивлением , Ом•м или удельной проводимостью , См/м.

(1.13)

Удельное сопротивление любого материала зависит от температуры (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость удельного сопротивления от температуры для проводников(а), полупроводников (б) и диэлектриков(в)
У проводников с повышением температуры сопротивление возрастает, что обусловлено усилением тепловых колебаний ионов в узлах кристаллической решетки, которое препятствует движению электронов. В полупроводниках и диэлектриках удельное сопротивление с ростом температуры увеличивается, что обусловлено ростом энергии связанных носителей заряда и повышением вероятности перехода их в зону проводимости.
У твердых веществ электропроводность  состоит из объемной V и поверхностной S:

(1.14)
где

(1.15)
На линейном участке графика рис.1.х его крутизна определяет температурный коэффициент удельного сопротивления ТК:

(1.16)
где ,Ом•м и , Ом•м – удельное сопротивление материала при температурах , С и , С соответственно.

Диэлектрическая проницаемость позволяет оценить способность материала образовывать электрическую емкость:
,
(1.17)
где - емкость плоского конденсатора, Ф,
- абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ф/м,
- относительная диэлектрическая проницаемость,
- электрическая
постоянная (вакуума),
- площадь обкладок плоского конденсатора, м2,
- толщина диэлектрика, расположенного между обкладками.
Диэлектрическая проницаемость зависит от температуры по линейному закону. Относительное изменение диэлектрической проницаемости при изменении температуры материала на 1С называется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости ТК. Такой же температурный коэффициент ТКЕ используют и для электрической емкости:
,
(1.18)
,
(1.19)
где и , и – диэлектрическая проницаемость материала и электрическая емкость конденсатора при температурах , С и , С соответственно.
Зависимости (1.18) и (1.19) применяются только на участке линейной зависимости диэлектрической проницаемости и электрической емкости от температуры.
В проводниковых материалах электрические потери возникают при протекании электрического тока через проводник с ненулевым удельным сопротивлением, вызывая нагрев этого проводника. В диэлектрических материалах потери вызваны как протеканием сквозного тока через диэлектрик, так и затраченной на поляризацию энергией. Потери на проводимость существуют как на постоянном, так и на переменном токе, потери на поляризацию – только на переменном. Потери энергии в диэлектрике характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь:
,
(1.20)
где - активная мощность, рассеиваемая на конденсаторе, Вт,
- реактивная мощность конденсатора, Вар,
- сдвиг фаз между током и напряжением,,
- угол диэлектрических потерь.
Электрическая прочность - свойство, применяемое для плохо проводящих ток материалов. Характеризуется критической напряженностью электрического поля , при которой наступает пробой диэлектрика или полупроводника.
Кривая намагничивания B(H) – основная характеристика магнитных материалов, типичная форма кривой намагничивания изображена на рис. 1.х.

Рис. . Кривая намагниченности ферромагнитных материалов
По кривой намагничивания определяют следующие параметры.
Магнитная индукция насыщения Bs, Тл – ограничивает линейный участок диаграммы намагничивания, для которого магнитная проницаемость  максимальна и постоянна.
Коэрцитивная (задерживающая) сила Hr, А/м – характеризует свойство магнитных материалов накапливать энергию в форме магнитного поля. Материалы с максимальным значением коэрцитивной силы используются в качестве постоянных магнитов.
Магнитная проницаемость показывает тангенс угла наклона характеристики намагничивания:
,
(1.21)
где B – магнитная индукция, Тл,
H – напряженность магнитного поля, А/м.
Различают абсолютную a и относительную r диэлектрическую проницаемость, которые связаны между собой по следующему закону:
,
(1.22)
где - магнитная постоянная (вакуума).
Магнитная проницаемость вещества зависит от температуры (рис. 1.х) и напряженности магнитного поля (рис. 1.х). Зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля обусловлена формой кривой намагничивания магнитных материалов.

Рис. . Зависимость магнитной проницаемости от температуры (а) и напряженности магнитного поля (б)

Проводимость. Характеризуется удельным сопротивлением ρ и удельной проводимостью γ, ТКρ=α_ρ.
Рисунок 24.
Диэлектрическая проницаемость. Характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью, абсолютной диэлектрической проницаемостью, ТКε.
Рисунок 25.
Потери для диэлектриков и магнитных материалов. Характеризуется tan угла магнитных и диэлектрических потерь.
Электрическая прочность для диэлектриков и иногда пп. Характеризуется параметром критической напряженности.
Рисунок 26.
Магнитная проницаемость. Определяется аналогично диэлектрической.
Рисунок 27.

© Copyright 2012-2019, Все права защищены.