功能材料及其应用复习资料 - 图文(4)

辐射功率之比 , 即

??光电池最大输出功率IE＝入射到结面上的辐射功率?S

(5-5)

式中 I ――光电流 ;

E ——光电动势 ; S ——相关灵敏度 ; φ——光入射通量。

η与禁带宽度有关 , 当禁带宽度 Eg=0.9～ 1.5eV 时 , η最高。因此 , 应该尽量选择这样大小的禁带宽度的材料做光电池。

GaAs 、 AlSb 、 CdTe 为材料制成的太阳能电池都可以达到最高的转换效率。但是 ,AlSb 易潮解 ,CdTe 不易制成大面积的太阳能电池 , 而GaAs 以及它的固溶体是比较理想的光电池材料。

4. 光谱响应曲线

光谱响应曲线是表示 Vo-λ,IO－λ , η-λ的关系曲线。它可表示在某波长下的开路电压 , 短路电流以及转换效率 , 因此这些曲线也是表示光电池特征值的曲线。

单晶硅太阳能电池的优点是其禁带宽度不大 ,Eg=1.07eV, 因此实际η可达 18％。其光谱响应曲线与太阳的光谱响应曲线接近 , 因此转换效率高。单晶硅形成表面氧化层的折射率在硅与空气之间故反射损失小 , 其工艺成熟 , 易掺杂。其缺点主要是价格昂贵 , 使用寿命不太长。

非晶硅制造太阳能电池是一种有前途的方法 , 虽然它的效率还

很低 , 约 10% 左右 , 但是自从解决了掺杂工艺 , 非晶硅太阳能电池发展很快。其优点是工艺简单 , 对杂质的敏感性小 , 并且可以制成大尺寸 , 价廉。其缺点是转换效率不高 , 不够稳定。

第六章 磁性材料

抗磁性物质的磁化率为 -10-5～-10-8, 顺磁性、反铁磁性、亚铁磁性和铁磁性物质的磁化率分别为 10-3～10-6 、10-3～10-5 、 1～104 和 1～105, 因此抗磁性物质表现为抗磁 , 顺磁性和反铁磁性物质表现为弱磁 , 亚铁磁性和铁磁性物质表现为强磁。

所谓软磁材料就是矫顽力很低( ＜ 0.8KA/m) 的磁性材料 , 亦即当材料在磁场中被磁化 , 移出磁场后 , 获得的磁性便会全部或大部丧失。软磁材料的主要磁特性是 : ①矫顽力和磁滞损耗低 ; ②电阻率较高 , 磁通变化时产生的涡流损耗小 ; ③高的磁导率 , 有时要求在低的磁场下具有恒定的磁导率 ; ④高的饱和磁感应强度 ; ⑤某些材料的磁滞回线呈矩形 , 要求高的矩形比。

铁损是指铁磁性材料在交变磁场中反复磁化所消耗的功率。铁损一般由磁滞损耗和涡流损耗和剩余损耗所组成。通常 , 铁磁性材料磁化时 , 出现磁滞现象 , 每磁化一周所消耗的能量正比于磁滞回线的面积 , 这种能量损失称为磁滞损耗。按照电磁感应定律 , 铁磁材料在交变磁场中磁化 , 材料内磁通量发生变化时 , 在磁通的周围会产生感应电动势 , 因铁磁材料是导电物质 , 感应电动势将在垂直于磁通方向的截面上感应出闭合的涡流电流。由它所引起的焦耳

损失称为涡流损耗。假定材料的磁导率始终是一常数 , 涡流损耗可用下式计算 :

Pe?21.64f2d2Bm

??10?10 （W/m3）

(6-4)

式中 f ——频率 (Hz);

d ——材料厚度 (mm); Bm ——最大磁感应强度 (T); ρ——电阻率 (Ω〃 cm) 。

经过换算 ,Pe 的单位可以由 W/m3 转换成 W/kg 。例如 ,P1.5/50

为 2.34W/ kg , 是指最大磁感应强度为 1.5T, 频率为 5O Hz 时 , 每公斤材料的铁损为 2.34W 。提高电阻率可降低涡流损耗。剩余损耗包括弛豫损耗、畴壁共振损耗和自然共振损耗。

矫顽力 Hc：软磁材料在对称周期磁化条件下 , 磁感应强度 B =O 时所相应的磁化场强度称为矫顽力HC。

饱和磁感应强度 BS：在磁化场足够强的情况下 , 软磁材料可能达到的最大磁感应强度 , 称为饱和磁感应强度。

剩余磁感应强度 Br：软磁材料经一定强度的磁场磁化后 , 再将磁场强度减至零 , 此时材料内所剩的磁感应强度 , 称为剩余磁感应强度 , 通常简称为剩磁Br。 Br不仅与材料本身有关 , 而且与材料的磁化过程有关。

复数磁导率μ：

在交变电磁场中要用复数磁导率μ为

μ = μ/-jμ//

其中实部μ/ 称弹性磁导率 , 虚部μ//称粘性磁导率。而实部μ/ 和虚部μ//之比 , 即

tan???????

δ称为损耗角 ,tanδ 称为损耗角正切或损耗因子。

常用的软磁材料有纯铁、硅钢片、铁镍合金、软磁铁氧体等。 所谓电工用纯铁 , 是一种含碳量低 , 含铁量 99.95％以上的软钢。它在平炉中进行冶炼时 , 用氧化渣除去碳、硅、锰等元素 , 再用还原渣除去磷和硫 , 出钢时在钢包中加入脱氧剂而得。这种电工用纯铁在退火状态 , 起始磁导率μi 为300～500μ0 , 最大磁导率μm 为 6 000～12 000μ0 , 矫顽力 Hc 为 39.8～95.5A/m 。

电工用纯铁只能在直流磁场下工作，在交变磁场下工作，涡流损耗大。如果在纯铁中加入0.38％～4.5％ 硅 , 使之形成固溶体 , 可以提高材料电阻率 , 减少涡流损耗 , 这种材料称为硅铁合金 , 或者称电工用硅钢片。

纯铁中加入硅后 , 使材料的物理性质发生变化。表现在 : (1) 热导率 λ 改变。铁的热导率在加入硅后剧烈地降低。 (2) 电阻率ρ改变。随着含硅量增加到 5%, 硅铁合金的电阻率急剧上升。

(3) 相对密度d 改变。随着含硅量的增加 , 比重几乎是直线地降低。

含 3% Si 的 Si-Fe 合金片由于其饱和磁通密度高 , 是电力变压器和配电变压器中大量采用的材料。

镍铁合金主要是含镍量为 30%～90% 的镍铁合金 , 通常称坡莫合金。镍铁合金由 Fe 、 Ni 、Mo 、 Cr 、 Cu 等元素组成。

镍铁合金有很高的起始磁导率μi 和最大磁导率μm , 电阻率在 50μΩ〃cm 左右 ,BS 较低。

软磁铁氧体是铁氧体材料中的一种 , 是一种容易磁化和退磁的铁氧体。其特点是起始的磁导率高 , 矫顽力小 , 损耗小 , 使用频率可达高频、超高频范围。软磁铁氧体属于半导体类 , 电阻率为 102～1012Ω〃cm 。

常用的软磁铁氧体有镍锌铁氧体和锰锌铁氧体。镍锌铁氧体在高频领域中是很重要的材料 , 由于电阻率高 , 可用于 1～200 MHz 的频率范围 , 在使用频率范围内 , 要求这种材料有尽可能小的磁损耗及起始磁导率的温度系数。锰锌铁氧体属于高导磁 ( 低频 ) 铁氧体 , 电阻率比较低 (≈102Ω〃cm), 适用于 1MHz 以下

硬磁材料是具有强的抗退磁能力和高的剩余磁感应强度的强磁性材料 , 又称永磁材料。 表征硬磁材料性能的主要参数是剩余磁感应强度Br、矫顽力HC和最大磁能积 (BH)max , 三者愈高 , 硬磁材料性能越好。由此引起这类材料具有大的磁滞损耗。

磁性材料的硬和软 , 也可以是指机械手段 , 因为任何提高磁性材料机械强度的手段 , 也往往产生出比较硬的磁性材料。更为确切的方法是用磁滞回线形状区分硬磁材料和软磁材料 , 磁性材料的软硬程度可以用 Br〃Hc 乘积来度量。

硬磁材料主要用于制造永久磁铁。永久磁铁一旦经外加磁场饱和

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