Your SlideShare is downloading. ×
1. JFET tranzistor na bazi heterospoja GaAs–Al1−xGaxAs (nacrtati šematski prikaz
   poprečnog preseka i objasniti princip ...
metalima praktično i ne koristi pokretljivost za analizu temperaturske zavisnosti
   specifične električne otpornosti (kak...
aluminijuma se meša sa silicijumom stvarajući rastop. Hlađenjem, deo tog rastopa u
kontaku sa Si-podlogom hladi se stvaraj...
4. Nelinearni otpornici (termistori, varistori i fotootpornici).

         Nelinearni otpornici se primenjuju u raznim ele...
sve do temperature tečnog helijuma (4,2 K), koriste se termoparovi AuxCo1-x/Cu i AuxCo1-
   x/AgyAu1-y.
        Termoparov...
značajna i njen uticaj može znatno promeniti konfiguraciju magnetnih dipola pogodnu s
   tačke gledišta samo kratkodometne...
orijentacije, tako da mnogi domeni ostaju orijentisani blisko prvobitnom polju, usled čega
   magnetik ima zaostalu, reman...
TABELA 6.2 Uporedne karakteristike važnijih tipova magnetno mekih materijlala, sa primenama
b) Magnetno tvrdi materijali
 ...
TABELA 6.3 Uporedne karakteristike važnijih tipova magnetno tvrdih materijala, sa primenama


9. Opisati osnovna fizička s...
Superprovodno stanje iščezava i ako struja u superprovodniku dostigne neku kritičnu
    površinsku gustinu JCS. Ona zavisi...
Ova vrsta polarizacije nastaje za τe ~ 10-15 s, i za nju se definiše elektronska
    polarizabilnost (αe) kao koeficijent ...
izolacija kablova
             PVC             1012        25 ÷ 50     6,21        3,53         730        720     (1÷30kV...
dinamičkih opterećenja primenjuju se i za koštane implantate, posebno gde se zahteva
velika tvrdoća i otpornost na habanje...
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×

Odgovori Na Pitanja

4,807

Published on

Published in: Travel, Health & Medicine
0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total Views
4,807
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0
Actions
Shares
0
Downloads
53
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Transcript of "Odgovori Na Pitanja"

  1. 1. 1. JFET tranzistor na bazi heterospoja GaAs–Al1−xGaxAs (nacrtati šematski prikaz poprečnog preseka i objasniti princip rada). 1 1 ρ= = σ enµ n Jedan od poznatijih heterospojnih tranzistora jeste JFET tranzistor na bazi heterospoja GaAs–Al1-xGaxAs, gde GaAs ima manji energetski procep od legure Al1- xGaxAs, i to tako da se na energetskoj skali dno provodne zone GaAs nalazi ispod dna Al1-xGaxAs legure. Kako je u ovom tranzistoru Al1-xGaxAs legura n-tipa, a GaAs nedopiran, to će provodni elektroni iz Al1-xGaxAs legure prelaziti na energetski niže dno provodne zone u GaAs u blizini heterospoja, dok će jonizovani donorski centri ostati u kristalnoj rešetki Al1-xGaxAs. Time je postignuto prostorno razdvajanje elektrona od jonizovanih donorskih centara, čime je eliminisano rasejavanje elektrona na jonizovanim primesama. Zahvaljujući tome, na nižim temperaturama, gde je redukovan i fononski mehanizam rasejavanja, pokretljivost Q2D elektronskog gasa u GaAs povećava se oko 10 puta. Osim velike brzine i gornje granične učestanosti ~ 400 GHz, heterospojni tranzistori imaju i malu disipaciju, a zbog otežanog injektovanja elektrona iz provodne zone GaAs u višeležeću provodnu zonu Al1-xGaxAs ispod drejna (D), imaju i veliku izlaznu otpornost i zato veliko naponsko pojačanje. Integrisana kola na bazi JFET heterospojnih tranzistora danas su moguća zbog visokorazvijene tehnologije kontrolisanog rasta GaAs i Al1-xGaxAs monokristalnih slojeva, MBE i MOVPE tehnikama. Ipak, za komercijalna heterospojna integrisana kola potrebno je rešiti tehnološke probleme, poput kvalitetnih omskih kontakata metalnih spojeva sa Al1-xGaxAs legurom. 2. Zavisnost specifične električne otpornosti provodnika od temperature. Izraz za specifičnu električnu otpornost (ρ) metala dat je relacijom 1 1 ρ= = σ enµ n gde je σ - specifična električna provodnost, n - koncentracija provodnih elektrona, a µn - njihova pokretljivost u metalu. S obzirom na to da je koncentracija provodnih elektrona praktično temperaturski konstantna (jer su svi valentni elektroni već slobodni, a oni iz dubljih elektronskih ljuski se teško jonizuju pri nižim temperaturama), to je temperaturska zavisnost ρ(T) posledica isključivo zavisnosti µn(T). Iz tog razloga se u
  2. 2. metalima praktično i ne koristi pokretljivost za analizu temperaturske zavisnosti specifične električne otpornosti (kako je to bio slučaj kod poluprovodnika), već se direktno analizira zavisnost ρ(T). Na slici je prikazan dijagram zavisnosti specifične električne otpornosti od temperature. Na dijagramu se uočavaju četiri karakteristična temperaturska opsega. U opsegu I specifična električna otpornost je praktično konstantna, pošto su pri vrlo niskim temperaturama (< 10K) vibracije jona kristalne rešetke bakra zanemarljivo male. Pri vrlo niskim temperaturama promena temperature utiče isto tako neznatno na nesavršenosti (defekte) kristalne rešetke. Minimalna vrednost specifične električne otpornosti metala naziva se zaostala specifična električna otpornost (ρz), i zavisi od hemijske čistoće metalnog provodnika, vrste i koncentracije defekata. Utoliko metalni provodnik sadrži više defekata bilo kog tipa, njegova će ρz utoliko biti veća, a samim tim i električna otpornost na bilo kojoj povišenoj temperaturi. U opsegu II specifična električna otpornost počinje brzo da raste po zakonu T5, a u opsegu III srazmerna je sa T. Ova linerana oblast je najčešće i radna oblast primene metalnih provodnika u elektrotehnici. U toj oblasti važi relacija ρ t = ρ t 0 [1 + β t ( t − t 0 ) ] gde je αt - temperaturski sačinilac električne otpornosti. U opsegu IV, u okolini temperature topljenja, promena ρ(T) odstupa od linearne zavisnosti, gde posle topljenja metala i prelaska u amorfno stanje nastaje skokovita promena specifične električne otpornosti, uz potonji linearni porast. 3. Objasniti formiranje neusmeračkih omskih kontakata na izvodnim spojevima Al-Si. Da bi kroz p-n spoj, opisan u prethodnom odeljku, mogla proticati električna struja i da bi se on mogao uključiti u električno kolo, neophodno je napraviti kontakte sa p i n tipom poluprovodnika. Za razliku od p-n spoja koji je usmerački, ovi kontakti moraju biti neusmerački. Naravno, ovi kontakti se ostvaruju između metala i poluprovodnika. Obično se najpre vrši naparavanje aluminijuma (Al) na površinu poluprovodnika (najčešće Si), a kontakt između Al-sloja i provodničkih izvoda, preko kojih se p-n spoj vezuje u električno kolo, ostvaruje se obično na povišenoj temperaturi. Razmotrimo metalurške procese koji se odigravaju između naparenog aluminijuma i silicijumske podloge pri povišenoj temperaturi. Pri povišenoj temperaturi deo
  3. 3. aluminijuma se meša sa silicijumom stvarajući rastop. Hlađenjem, deo tog rastopa u kontaku sa Si-podlogom hladi se stvarajući monokristalni sloj silicijuma visoko dopiran aluminijumom, koji predstavlja akceptorsku primesu. Iznad ovog sloja silicijuma p+ tipa, formira se polikristalna legura aluminijuma i silicijuma, preko koje se ostvaruje veza sa naparenim aluminijumskim slojem, a preko njega i sa električnim kolom. Sada ćemo razmotriti ponašanje p+-kontakta sa različitim tipovima poluprovodničkih Si-oblasti. p+-n+ spoj. Ovo je kontakt između visokodopiranih p+ i n+ oblasti poluprovodnika. Usled toga su prelazne oblasti i sa jedne i sa druge strane spoja veoma uske, pa postoje uslovi za stvaranje veoma jakog ugrađenog polja, koje može izazvati tunelski proboj i pri nultom spoljašnjem naponu, što će imati kao rezultat niskoomske neusmeračke karakteristike spoja. p+-p spoj. Na spoju p+ i p oblasti doći će do krivljenja zona (zbog difuzije šupljina iz p+ u p oblast) i formiranja kontaktne razlike potencijala koja će biti nekoliko puta niža od one za p-n usmerački spoj. Osim toga neće postojati visokootporna oblast prostornog naelektrisanja, tako da će ovaj spoj imati niskoomske karakteristike. Takođe, struja zasićenja biće za desetak redova veličine veća nego kod p-n usmeračkog spoja, tako da se statička karakteristika p+-p spoja, J(U), može aproksimirati pravom linijom kroz koordinatni početak. Otuda će i ovaj spoj imati niskoomske neusmeračke karakteristike. p+-n spoj. Ovo je asimetrični skokoviti p-n spoj sa izrazitim usmeračkim karakteristikama. Da bi se ostvario neusmerački omski kontakt između p+ i n oblasti, neophodno je između njih formirati n+ oblast, tako da će rezultujući "sendvič" p+-n+ i n+- n imati niskoomske neusmeračke karakteristike. Inače, sam p+-n spoj na kontaktu Al-Si koristi se za izradu Šotkijevih dioda, koji imaju daleko kraće vreme oporavka od standardnih dioda na bazi poluprovodničkih p-n spojeva. Naime, kada je Šotkijeva dioda direktno polarisana, elektroni iz silicijumske n-oblasti prelaze kroz suženu barijeru Šotkijevog spoja i prelaze u aluminijum. S obzirom da su elektroni u aluminijumu većinski nosioci, to nema njihovog nagomilavanja u blizini spoja, pa ne postoji ni difuziona kapacitivnost ove diode, zbog čega je njeno vreme oporavka (odnosno vreme uspostavljanja nepropusnog stanja pri promeni polarizacije u inverznu) znatno kraće nego kod poluprovodničkih dioda. Zato se Šotkijeve diode primenjuju kod brzih prekidača, ali i u konstrukciji Šotkijevih tranzistora (između baze i kolektora bipolarnih n-p-n tranzistora) gde sprečavaju njihovulazak u duboko zasićenje i time znatno povećavaju njihovu brzinu rada, što se koristi u izradi ultrabrzih logičkih kola.
  4. 4. 4. Nelinearni otpornici (termistori, varistori i fotootpornici). Nelinearni otpornici se primenjuju u raznim elektronskim uređajima. Njihova otpornost se nelinearno menja u funkciji temperature (termistori), električnog polja (varistori), svetlosti (fotootpornici), pa se zato nazivaju nelinearnim. Termistori imaju otpornost koja se sa porastom temperature ili veoma smanjuje (tzv. NTC termistori) ili povećava (tzv. PTC termistori ili pozistori). NTC termistori se prave od oksida prelaznih metala (TiO2, Co2O3, Al2O3, NiO, ZnO, Mn2O3, Cr2O3). PTC termistori se prave od BaTiO3 kome se dodaje 0,1-0,3% La, Y ili Nb (čime se specifična električna otpornost izolacionog barijum-titanata smanji sa 109 na 10-1 Ωm). I NTC i PTC termistori prave se presovanjem smeša pomenutih prahova i vezivnih masa, koje se zatim sinteruju na visokim temperaturama (~1400 ºC) u specijalnim pećima. NTC termistori se koriste za temperatursku stabilizaciju običnih otpornika (koji su u osnovi PTC tipa), a PTC termistori za ograničavače struje (do GA) pri zaštiti motora, telefonskih linija, za demagnetizaciju TV kolornih katodnih cevi itd. Varistori su nelinearni otpornici čija se otpornost izrazito nelinearno menja promenom dovedenog električnog polja. Dobijaju se sinterovanjem prahova ZnO sa aditivima, a ranije su pravljeni od SiC. Zbog konstantnog električnog polja (E), odnosno napona, u širokom opsegu promene gustine električne struje (J) varistori se koriste kao ograničavači napona u električnim uređajima različite namene. Fotootpornici su načinjeni od poluprovodničkih materijala (CdS, CdSe, PbS, InSb), tako da im se specifična električna otpornost smanjuje pod dejstvom svetlosti energije fotona veće od energetskog procepa poluprovodnika, zbog generisanja parova elektron- šupljina. Zavisno od vrste primenjenog poluprovodnika, fotootpornici imaju maksimum osetljivosti na različite talasne dužine svetlosti u vidljivom i infracrvenom spektru. 5. Termopar. Termopar ili termoelektrični spreg je elektroprovodno kolo od dva različita materijala, čiji su krajevi na različitim temperaturama (referentni kraj je za precizno merenje na temperaturi vode sa ledom 0ºC). Merenjem termoelektromotorne sile (TEMS) termopara moguće je odrediti temperaturu mernog kraja termopara (t), ako je poznata karakterisitka termopara. Inače, pomoću termoparova (kombinacijom nekoliko njih za različite temperaturske opsege) mogu se meriti temperature od -250 do 3000 ºC, pri čemu u merenim opsezima termoparova postoji skoro linerna zavisnost između termoelektromotorne sile i temperature. Termoparovi se dele u tri grupe, prema materijalima od kojih su načinjeni: termoparovi od neplemenitih metala, termoparovi od plemenitih metala i termoparovi specijalnog tipa. Termoparovi od neplemenitih metala. Ovoj grupi pripadaju: Cu/konstantan (opseg primene od -250 do 400 ºC), Fe/konstantan (od -200 do 900 ºC), hromel/konstantan (od -200 do 1000 ºC) i hromel/alumel (od 0 do 1200 ºC). Termoparovi od plemenitih metala. Od njih se najviše upotrebljavaju Pt/PtxRh1-x, Pt/PtxRe1-x, Pt/PtxReyRh1-x-y i Ir/IrxRh1-x (od0 do 1600 oC). Za merenje niskih temperatura,
  5. 5. sve do temperature tečnog helijuma (4,2 K), koriste se termoparovi AuxCo1-x/Cu i AuxCo1- x/AgyAu1-y. Termoparovi specijalnog tipa. Oni služe za merenje vrlo visokih temperatura, i viših od 2000 ºC. Najpoznatiji predstavnici su C/SiC (od 0 do 2000 ºC), W/MoxFe1-x (od 0 do 2000 ºC) i W/WxMo1-x ( od 0 do 3000 ºC). 6. Objasniti prirodu jakog magnetnog uređenja i domensku strukturu magnetika. Magnetno uređenje karakteriše se magnetnom propustljivošću materijala, μ=μo(1+χm)=μoμr, koja predstavlja koeficijent srazmernosti između vektora magnetne indukcije B i magnetnog polja H: B=μo(H+M)=μoμrH, gde je μo - magnetna propustljivost vakuuma, μr - relativna magnetna propustljivost materijala, a χm - magnetna susceptibilnost materijala (koja je koeficijent srazmernosti između vektora magnetizacije M i magnetnog polja H: M=χmH, gde se vektor magnetizacije M definiše kao magnetni moment jedinice zapremine materijala, analogno vektoru polarizacije P kod dielektrika). Jako magnetno uređenje imaju feromagnetici, ferimagnetici i antiferomagnetici. Jako magnetno uređenje karakteriše interakcija nekompenziranih magnetnih dipolnih momenata koja dovodi do spontanog magnetnog uređenja, kada materijal može imati spontanu makroskopsku magnetizaciju (Ms). Jaka interakcija nekompeziranih magnetnih momenata može izazvati njihovu paralelnu orijentaciju (feromagnetici) ili antiparalelnu orijentaciju (antiferomagnetici ili ferimagnetici). Kod ferimagnetika susedni magnetni dipoli su nekompenzovani, za razliku od antiferomagnetika kod kojih je Ms = 0. Fizička osnova jakog magnetnog uređenja je kvantnomehanička kulonovska izmenska interakcija susednih magnetnih momenata, koja je elektrostatičke prirode ali je istovremeno i kratkodometna zbog neiščezavajućih kvantnomehaničkih integrala prekrivanja elektronskih talasnih funkcija susednih atoma. Da bismo utvrdili prirodu jakog magnetnog uređenja, razmotrimo najpre energiju jake interakcije magnetnih momenata koja se razrušava pri kritičnoj temperaturi: U= kTkr ~ 0,1 eV. Upoređujući ovu energiju sa energijom magnetne dipolne interakcije: Um ~ 10-4 eV (za magnetne momente atoma reda veličine Borovog magnetona μB ~ 10-4 eV/T i rastojanje između njih reda Borovog atomskog radijusa aB ~ 10-10 m), vidi se da je energija jake interakcije magnetnih momenata oko 1000 puta veća od energije magnetne dipolne interakcije - što ukazuje da poreklo jakog magnetnog uređenja magnetnih momenata nije magnetne prirode. Ako sada procenimo energiju elektrostatičke interakcije susednih magnetnih jona, nalazimo da je Ue ~ 10 eV, odnosno da je kTkr < Ue, što ukazuje da jako magnetno uređenje ima elektrostatičku prirodu. Iako feromagnetici i ferimagnetici imaju nekompezovane susedne magnetne dipole, ponekad se slučajno uzeti komad ovih materijala čini nenamagnetisan. Međutim, oni interaguju sa spoljašnim magnetnim poljem znatno jače od paramagnetika i mogu se namagnetisati ako im se približi stalni magnet. Da bi se ova pojava objasnila, neophodno je uzeti u obzir i magnetnu dipolnu interakciju nekompenzovanih magnetnih dipola, koja je inače znatno slabija od elektrostatičke kvantnomehaničke izmenske interakcije, ali je dužeg dometa. Kao rezultat, magnetna konfiguracija makroskopskog uzorka može biti prilično složena, pošto pri ogromnom broju magnetnih momenata dipolna energija postaje
  6. 6. značajna i njen uticaj može znatno promeniti konfiguraciju magnetnih dipola pogodnu s tačke gledišta samo kratkodometne izmenske interakcije. Na primer, konfiguracija sa homogenom magnetizacijom, veoma je neekonomična s tačke gledišta magnetne dipolne energije, koja se može znatno smanjiti pri podeli uzorka na homogeno namagnetisane makroskopske magnetne domene, sa izmenjenim smerovima magnetnih momenata. Takva podela uzrokuje izvesno povećanje izmenske energije (pošto je interakcija suprotno orijentisanih momenata feromagnetika u blizini granice domena energetski nepovoljna), ali do većeg ukupnog smanjenja magnetne dipolne energije Um ~ μopm1pm2/4πr3 < 0 (zbog dugometne dipolne interakcije svih momenata suprotnog smera sa dve strane domena). Naravno, u opštem slučaju feromagnetni i ferimagnetni materijali imaju mnogo domena veličine (10-2-10-3 cm). 7. Feromagnetna histerezisna petlja sa krivom prvobitnog namagnetisanja. Histerezisni proces namagnetisavanja nemagnetnog gvožđa pod dejstvom primenjenog spoljašnjeg magnetnog polja H (pri T < Tkr) jeste proces pri kome se menjaju forma i magnetizacija domena. 4 B 3 3 4 B r 2 5 2 5 1 -H c H c H 6 1 -B r 6 Pre primene polja na do tada nenamagnetisavani materijal, domeni su haotične orijentacije i međusobno kompenzovani (tačka 1). Dovođenjem spoljašnjeg magnetnog polja, domeni koji su skoro usmereni u pravcu polja rastu na račun neorijentisanih domena. U početku domeni mogu teško rasti (tačka 1). Sa daljim povećavanjem polja, domeni se lakše orijentišu i rastu (tačka 2). Konačno, neorijentisani domeni potpuno nestaju, što odgovara magnetizaciji zasićenja (tačka 3). Posle ukidanja magnetnog polja H, domenski zidovi (granice između susednih domena veličine ~100 nm, u kojima magnetni dipolni momenti postepeno menjaju orijentaciju pri prelasku od datog domena ka susednom) sprečavaju spontani povratak domena u stanje prvobitne haotične
  7. 7. orijentacije, tako da mnogi domeni ostaju orijentisani blisko prvobitnom polju, usled čega magnetik ima zaostalu, remanentnu magnetizaciju Br (tačka 4) i ponaša se kao stalni magnet. Pri ponovnoj primeni polja H, ali suprotne orijentacije od prvobitne, domeni će rasti i orijentisati se u suprotnom smeru. Polje pri kome se domeni ponovo haotično orijentišu i međusobno poništavaju (B=0), naziva se koercitivno polje Hc (tačka 5). Dalji porast polja dovodi orijentaciju domena u suprotnom smeru (tačka 6). Pri neprekidnoj promeni smera polja, tačke B(H) opisuju histerezisnu petlju. Magnetno uređenje je ometano toplotnim haotičnim kretanjem magnetnih momenata i na temperaturama višim od neke (Tkr) ovi materijali prelaze u paramagnetno stanje. Kod feromagnetika ta temperatura se naziva Kirijeva (TC), a kod ferimagnetika Nilova (TN) temperatura. 8. Dati redove veličine karakterističnih parametara magnetno mekih i magnetno tvrdih materijala, uz osvrt na oblast primene ovih klasa materijala. a) Magnetno meki materijali Karakteristike: zbog male površine vertikalne histerezisne petlje vrlo lako se namagnetišu i razmagnetišu, imaju malo koercitivno polje (Hc), veliku remanentnu indukciju (Br), veliku maksimalnu relativnu magnetnu propustljivost (μrm), male histerezisne gubitke i male gubitke usled vihornih struja (što se postiže povećanjem specifične električne otpornosti (ρ) ovih materijala). Primena: u izradi magnetnih jezgara transformatora i električnih mašina, kalemova i relea, kao i magnetnih memorija. Predstavnici: gvožđe i neke njegove legure (Fe-Si, Fe-Ni...), meki feriti (Ni-Zn, Mn-Zn feriti) i meki amorfni materijali (FexBySi1-x-y legure). μrm Br (T) Hc (A/m) ρ (Ωm) Tkr (°C) Primena transformatorski i Fe-Si legure 3000 ÷ 20000 0,8 ÷ 1,2 3 ÷ 120 10-7 ÷ 10-6 dinamo limovi magnetne induktivne -7 -6 glave, impulsni trans- Fe-Ni legure 15000 ÷ 0,4 ÷ 1 0,2 ÷ 30 10 ÷ 10 formatori, magnetni 1500000 pojačivači širokopojasni trans- formatori, transfor- Ni-Zn feriti 10 ÷ 10000 0,1 ÷ 0,4 16 ÷1600 1 ÷ 106 100 ÷ 600 matori snage, kale- movi visokog Q- faktora (105÷109Hz) širokopojasni transformatori, Mn-Zn feriti 10000 ÷ 100000 0,4 4 ÷ 60 10-1 ÷ 10 100 ÷ 200 transformatori snage, kalemovi visokog Q- faktora (103 ÷ 106 Hz), memorije transformatori snage -6 (50Hz; 400Hz), pri- α-FexBySi1-x-y 230000 1,2 4 10 400 gušnice snage, multi- vibratori snage
  8. 8. TABELA 6.2 Uporedne karakteristike važnijih tipova magnetno mekih materijlala, sa primenama b) Magnetno tvrdi materijali Karakteristike: zbog položenije histerezisne petlje velike površine, imaju veliko koercitivno polje (Hc), malu remanentnu indukciju (Br) i veliki energetski proizvod (B∙H). Primena: u izradi stalnih magneta, magnetnih memorija, magnetne mikroelektronike. Predstavnici: neke legure gvožđa (čelici, legure sa Al, Ni, Co), tvrdi feriti (Ba- i Sr- feriti), jedinjenja i legure retkih zemalja sa Co i Fe (SmCo5, Sm2Co17, NdxFeyB1-x-y), materijali sa mehurastim magnetnim domenima (monokristalni ili amorfni). Br (T) Hc (A/m) (B∙H)m (kJ/m3) Tkr (°C) Primena Stalni magneti (merna AlNiCo legure 0,5 ÷ 1,4 50000 ÷ 100000 10 ÷ 60 750 ÷ 900 tehnika; relativno skupi) Stalni magneti (auto-indu- Ba-feriti 0,1 ÷ 0,4 80000 ÷ 250000 3 ÷ 30 450 strija, mikrofoni; jevtini) Stalni magneti (auto-indu- Sr-feriti 0,3 ÷ 0,4 300000 25 ÷ 30 450 strija, mikrofoni; skuplji) minijaturni magneti (elek- tronika, merna tehnika, HI- SmCo5 1,1 900000 240 725 FI, automatika, avio- industrija; veoma skupi, osetljivi na koroziju) minijaturni magneti (elek- tronika, merna tehnika, HI- Sm2Co17 1,4 500000 390 920 FI, automatika, avio- industrija; veoma skupi, osetljivi na koroziju) minijaturni magneti (elek- tronika, merna tehnika, HI- NdxFeyB1-x-y 1,2 1000000 300 300 FI, automatika, avio-in- dustrija; jevtini, mehanički bolji, osetljivi na koroziju)
  9. 9. TABELA 6.3 Uporedne karakteristike važnijih tipova magnetno tvrdih materijala, sa primenama 9. Opisati osnovna fizička svojstva superprovodnika (temperaturska promena specifične električne otpornosti, Majsnerov efekat, vrste superprovodnih materijala, kritična površinska gustina struje i J-T-H dijagram). a) Temperaturska promena specifične električne otpornosti Ponašanje superprovodnika za vreme proticanja konstantne električne struje, pri T<TC, je takvo kao da on uopšte nema električnu otpornost (ρ=0). Za T>TC materijal ima savršeno normalne osobine svojstvene provodniku (ρ>0), Sl. 4.1. Do 1980-ih izmerene vrednosti kritičnih temperatura više od 20 vrsta elemenata (Hg, Pb, Sn, Nb) i preko 1000 legura i intermetalnih jedinjenja (Nb3Ge, Nb3Sn) ležale su u intervalu od ~ 10-3 K do ~ 23 K. Međutim, potom su otkrivene visokotemperaturne superprovodne keramike La-Ba- Cu-0, Y-Ba-Cu-O sa kritičnim temperaturama do 130 K, uz izglede za sintezu superprovodnika i na sobnoj temperaturi. b) Majsnerov efekat i vrste superprovodnih materijala Superprovodnik se može ponašati kao idealni dijamagentik. Pri T<TC, u superprovodniku smeštenom u magnetno polje manje od nekog kritičnog (H<HC) postoji površinska električna struja (unutar superprovodnika je električno polje E=Jρ=0, pa mogu postojati samo površinske struje), čije indukovano magnetno polje u potpunosti kompenzuje u superprovodniku primenjeno spoljašnje polje: B=μoμrH=0, tj. μr=1+χm=0. Ova pojava se naziva Majsnerovim efektom. Kritično polje HC(T) monotono opada sa porastom temperature počev od HC(0) i pri T=TC iščezava: HC(TC)=0. Kod superprovodnika I vrste pri H=HC(T) ceo uzorak se vraća u normalno stanje, kada dolazi do potpunog prodiranja magnetne indukcije B unutar uzorka. Kod superprovodnika II vrste (sve superprovodne legure i intermetalna jedinjenja, kao i Nb i V) pri H<HC1(T) (HC1 - prvo kritično polje) magnetna indukcija ne prodire u uzorak. Kada je H>HC2(T) (HC2 - drugo kritično polje) uzorak se vraća u normalno stanje, sa potpunim prodiranjem magnetne indukcije). Kada je HC1(T)<H<HC2(T), dolazi do delimičnog prodiranja magnetne indukcije i u uzorku se pojavljuje složena pravilna mikroskopska struktura naizmeničnog rasporeda superprovodnih i normalnih oblasti, poznata kao "mešano stanje" (u mešanom stanju magnetna indukcija delimično prodire u uzorak u vidu magnetnih vrtložnih niti). Tipične vrednosti kritičnog polja HC kod superprovodnika I vrste, pri tempeperaturama znatno ispod TC, su ~ 105 A/m. Međutim, kod tzv. "tvrdih" superprovodnika II vrste drugo kritično polje HC2 može da dostigne ~ 108 A/m, zbog čega su oni veoma pogodni za konstrukcije snažnih elektromagneta. c) Kritična površinska gustina struje i J-T-H dijagram
  10. 10. Superprovodno stanje iščezava i ako struja u superprovodniku dostigne neku kritičnu površinsku gustinu JCS. Ona zavisi od prirode i geometrije uzorka i povezana je sa kritičnom vrednošću polja HC: superprovodnost se razrušava ako magnetno polje koje stvara struja u superprovodniku dostiže kritičnu vrednost na površini uzorka. Za žičani superprovodnik prečnika d, na osnovu teoreme o cirkulaciji vektora H, magnetno polje na površini žice je H=I/πd, odakle je kritična vrednost površinske gustine struje JCS=IC/πd=HC. S obzirom na pomenute vrednosti kritičnog polja, u superprovodniku I vrste prečnika d ~ 1 mm kritična struja je IC ~ 102 A, dok je kod "tvrdih" super- provodnika II vrste IC ~ 105 A. Za superprovodnike se daje dijagram J-T-H. 10. Objasniti četiri vrste polarizacije dielektrika. Dielektrična svojstva materijala veoma zavise od izgradnje njihovih molekula, pri čemu dielektrici mogu da se klasifikuju u polarne i neutralne. Polarni dielektrici imaju takve molekule koji su ujedno i dipoli, jer prilikom povezivanja atoma u molekule nastaje takva raspodela pozitivnih i negativnih naelektrisanja da to odgovara postojanju stalnog električnog dipola molekula, iako se posmatrani materijal ne nalazi u spoljašnjem električnom polju. Molekuli vode, na primer, imaju stalne električne dipole koji su haotično orijentisani, u svim pravcima, usled toplotnog kretanja molekula. Ako se polarnom dielektriku dovede neko spoljašnje električno polje E nastaće samo delimična orijentaciona polarizacija dipola (u toku vremena τ ~ 10-9 s), jer usled neprekidnog toplotnog kretanja dipoli ne mogu da se orijentišu u svim pravcima dovedenog polja. Broj orijentisanih dipola u pravcu dovedenog električnog polja povećava se sa povećanjem jačine električnog polja E i smanjenjem temperature. Za orijentacionu polarizaciju se definisaniše orijentaciona polarizabilnost (αor). Neutralni dielektrici u odsustvu spoljašnjeg električnog polja (E = 0) nemaju stalne električne dipole. Kao primer, razmotrimo jedan atom koji ima jezgro naelektrisanja +q = Ze i elektronski omotač ukupnog negativnog naelektrisanja -q = -Ze, gde je Z - broj elektrona u omotaču posmatranog atoma. Za slučaj E=0 centri pozitivnih i negativnih naelektrisanja se poklapaju i nema električnih dipola. Ako se posmatranom atomu dovede neko spoljašnje električno polje (E≠0), nastaće razdvajanje centara pozitivnih i negativnih naelektrisanja u toku vremena ~ 10-15 s. To znači da se pod dejstvom dovedenog spoljašnjeg električnog polja obrazovao dipolni moment p = qΔl, gde je Δl odstojanje između centara pozitivnih i negativnih naelektrisanja. Opisana pojava je elastičnog karaktera i naziva se elektronskom polarizacijom.
  11. 11. Ova vrsta polarizacije nastaje za τe ~ 10-15 s, i za nju se definiše elektronska polarizabilnost (αe) kao koeficijent srazmernosti između dipolnog momenta (p) i lokalnog električnog polja (Elok) koje neposredno dejstvuje na posmatrani atom: p = αeElok. Još jedan vid neutralne i deformacione elastične polarizacije je tzv. jonska polarizacija. U odsustvu spoljašnjeg električnog polja (E=0) joni se nalaze na međusobno jednakim odstojanjima u ravnotežnom položaju. Dejstvom dovedenog električnog polja jonska rešetka se deformiše i na taj način se obrazuju dipoli, s obzirom na izmenjeni položaj pozitivnih i negativnih jona. Ova vrsta polarizacije nastaje za τj ~ 10-13 s, i za nju se definiše jonska polarizabilnost (αj): p = αjElok. Treći vid neutralne i deformacione elastične polarizacije je tzv. međuslojna polarizacija. Ona je posledica postojanja prostornih naelektrisanja, a nastaje ako posmatrani dielektrik ima relativno slobodna naelektrisanja na mestima defekata u kristalnoj rešetki materijala. Dovođenjem spoljašnjeg električnog polja dolazi do prostorne preraspodele ovih naelektrisanja. Trajanje ove preraspodele prostornog naelektrisanja je αm ~ 10-2 s, i za nju se definiše međuslojna polarizabilnost (αm): p = αmElok. Polarizabilnost dielektrika u opštem slučaju prisustva sve četiri vrste polarizacije, može se uprošćeno prikazati u formi superpozicije: α = αe + αj + αor + αm Pri tome treba imati u vidu da svi dielektrici imaju uvek elektronsku polarizaciju, odnosno αe, a pored nje mogu (a ne moraju) da imaju i neku drugu vrstu polarizacije. Treba istaći da najbolji izolatori, kao što su sintetički polimeri polietilen, teflon i polistiren - imaju samo elektronsku polarizaciju. Polarizabilnost je mikroskopska karakteristika, koja je posledica načina povezivanja atoma, jona ili molekula u dielektriku, i ona je frekventno zavisna veličina, α(f). 11. Dati redove veličine dielektričnih parametara slabih, dobrih i odličnih izolatora, kao i ekstremne vrednosti, uz osvrt na primenu materijala za izolaciju provodnika i kablova. Izolacioni materijali su po obimu primene u elektrotehnici svakako najznačajniji dielektrični materijali. Oni služe za izradu izolovanih provodnika i kablova, energetskih postrojenja i miktroelektronskih kola. Najviše primenjivani izolacioni materijali, sa svojim dielektričnim parametrima i primenama, dati su u Tabl. 5.2. Dielektrični gubitci Materijal ρ Ekr εr tg δ (×10-4) Primena (Ωm) (kV/mm) 50 Hz 1 MHz 50 Hz 1 MHz izolacija kablova: termoplastični (<15 kV; tr<70°C) Polietilen 1015 45 ÷ 60 2,25 2,25 <2 <2 i umreženi (50÷400 kV; tr<90°C)
  12. 12. izolacija kablova PVC 1012 25 ÷ 50 6,21 3,53 730 720 (1÷30kV; tr<65°C) i provodnika (<1 kV) izolacija kablova i Silikonska provodnika (u eks- guma 10 ÷ 10 12 15 20 ÷ 70 2,5 ÷ 3,5 2,5 ÷ 3,5 5 ÷ 70 5 ÷ 70 tremnim uslovima okoline; tr<250°C) izolacija kablova Poliuretan 1015 ÷ 1016 25 4 ÷ 10 200 ÷ 1200 (u ekstremnim uslovima okoline) izolacija "uljnih" Kablovsko 1010 12 2,20 2,18 1,3 17 kablova ulje (50÷500kV) izolacija visokona- SF6 (elgas) 1018 9 1,0020 ]1 10-4 10-4 ponskih postrojenja i kablova vazdušna izolacija Vazduh 1018 3 1,0006 ]1 10-4 10-4 nadzemnih vodova na dalekovodima Kvarcno izolator u integri- staklo (SiO2) 1015 25 3,78 3,78 8,5 2 sanim kolima TABELA 5.2. Uporedne karakteristike važnijih izolacionih materijala, sa primenama 12. Dati opštu klasifikaciju biomaterijala, kao i uslove koji se postavljaju za njihove primene. Generalno, za primenu biomaterijala osnovni zahtevi koji se postavljaju su biokompatibilnost sa tkivom, mehanički kontinuitet sa okolnim koštanim tkivom, netoksičnost biomaterijala ili njihovih produkata pri degradaciji i što niža cena. Pored toga, za specifične primene dodatni zahtevi su bioaktivnost (za ubrzavanje rasta prelomljene kosti, regeneraciju pokidanog nerva, sprečavanje upalnih procesa), biodegradacija (hirurškog konca, naprava za fiksiranje u rekonstruktivnoj hirurgiji, "kostura" za ćelije koje regenerišu oštećene ili obolele organe, kapsula za kontrolisano postupno oslobađanje lekova u telu), otpornost na infekcije (posebno na mestima prodora naprave kroz kožu: kateteri, dovodi za napajanje veštačkog srca krvlju - što se sprečava inkorporiranjem antimikrobnih hemikalija i antibiotika u takvim biomedicinskim napravama), trombootpornost (za naprave u kontaktu sa krvlju: veštačke arterije, srčani zalisci - što se postiže kontrolom površine naprava, bioaktivnim slojevima), propustljivost i difuzibilnost (membrana vantelesnih naprava i veštačkih organa). Metalni biomaterijali klasični su biomaterijali od kojih najbolja svojstva imaju Ti i Ti-legure, zbog odlične otpornosti na koroziju, biokompatibilnosti i manje krutosti (koja omogućava najbolji prenos mehaničkih naprezanja njihovih implantata na kosti), dok TiO2 na površini ima bioaktivna svojstva i indukuje rast nove kosti. Odlična mehanička i biokompatibilna svojstva imaju i CoCr-legure, dok se nerđajući čelici danas napuštaju zbog nedovoljne otpornosti na koroziju, i efekata hipersenzitivnosti organizma na Ni izdvojen iz čelika. Keramički i staklasti biomaterijali imaju bioaktivna svojstva, indukujući rast nove kosti, pa se često primenjuju kao prevlake na Ti ili Ti-legurama, jer su same keramike relativno krte i neotporne na mehaničke udare. Ipak, tamo gde nema značajnih
  13. 13. dinamičkih opterećenja primenjuju se i za koštane implantate, posebno gde se zahteva velika tvrdoća i otpornost na habanje (zglobovi veštačkog kuka). Posebno treba istaći ugljenične materijale zbog izrazito visoke biokompatibilnosti, inertnosti i stabilnosti. Ekonomični nedegradabilni sintetički polimeri odlikuju se strukturnom stabilnošću, relativnom biokompatibilnošću i niskom cenom. Skuplji nedegradabilni sintetički polimeri imaju poboljšane karakteristike, koje omogućavaju smanjenje lekova, komplikacija i postoperativnog perioda - čime se kompenzuje njihova visoka cena. Njihova osobina je i visoka otpornost na mehanički zamor i kidanje. Kompozitni biomaterijali predstavljaju najinteresantnije biomaterijale za reparaciju koštanog tkiva, od kojih su hidroksiapatit/polimer kompoziti najbliži prirodnom koštanom tkivu, a ako je pri tome polimerna (polilaktidna) matrica bioresorbilna ona ustupa mesto novoformiranom koštanom tkivu, što čini ove kompozite „živim“ jer se tokom reparacije razvijaju i menjaju. Značajna klasa su i ugljenični kompoziti, sa izvanrednom kombinacijom mehaničkih svojstava (žilavost i tvrdoća) za stomatološke i ortopedske implantate. Vrlo interesantni su i injektabilni kompoziti za rekonstrukciju tvrdog i mekog tkiva, kao i nanokompoziti zbog minimalne iritacije imunog sistema. Biodegradabilni polimeri imaju sposobnost postepene degradacije u telu, sa netoksičnim produktima koji se lako izlučuju. Bioderivativni polimeri imaju visoku reproduktivnost i biokompatibilnost. Bioderivativna tkiva prethodno se procesiraju zbog smanjenja problema odbacivanja stranog tkiva. Primenjuju se zbog visoke biokompatibilnosti, koja vremenom degradira pa dolazi do njihove kalcifikacije. Vreme trajanja implantata od ovih materijala je zato ograničeno do deset godina. Pasivne prevlake poboljšavaju trombootpornost, ubrzavaju zarastanje rana u rekonstruktivnoj hirurgiji mekih tkiva i smanjuju bolničke primene lekova kroz katetere. Bioaktivne prevlake koriste se zbog trombootpornosti, otpornosti na infekcije, adhezije i rasta kostiju, adhezije mekog tkiva, povećane adhezije ćelija, epitela i endotela - usled modifikacije površine.

×