Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Технология конструкционных материалов

Материаловедение.

(курс лекций)

Учебное пособие

для студентов специальности 140610

"Электрооборудование и электрохозяйство предприятий,

организаций и учреждений"

 

 

Липецк 2007

УДК

 

Ш 835

 

Шпиганович А.Н. Материаловедение. Технология конструкционных материалов (курс лекций) [Текст]: учебное пособие/А.Н. Шпиганович, К.Д. Захаров. – Липецк: ЛГТУ, 2007. – 20 с.

 

 

Учебное пособие предназначено для студентов очной, очно–заочной и заочной форм обучения специальности 140610 "Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений"

 

Табл. 1. Ил. 5. Библиогр.: 8 назв.

 

 

Рецензент Е.П. Зацепин, канд. техн. наук, доцент

 

 

© А.Н. Шпиганович, К.Д. Захаров, 2007

© ГОУ ВПО "Липецкий государственный

технический университет, 2007

ВВЕДЕНИЕ

 

Цели и задачи курса:

– рассмотрение технических основ, из которых надо исходить при изучении и испытании электротехнических материалов;

– установление классификации электротехнических материалов по их назначению составу и свойствам;

– рассмотрение основных характеристик служащих для оценки пригодности электротехнических материалов при их использовании в электротехнике;

– изложение основных особенностей технологии производства электротехнических материалов.

 

Лекция 1

 

План лекции

1.1. Изложение целей и задач курса "Материаловедение. Технология конструкционных материалов

1.2. Классификация веществ по электрическим свойствам. Основные положения зонной теории твёрдых тел

1.3. Классификация веществ по магнитным свойствам

1.4. Поляризация диэлектриков. Основные понятия и определения.

1.5. Электропроводность диэлектриков. Основные положения

 

1.1. Цели и задачи курса

 

Перед курсом лекций "Материаловедение. Технология конструкционных материалов" ставятся следующие цели и задачи:

– рассмотрение технических основ, из которых надо исходить при изучении и испытании электротехнических материалов;

– установление классификации электротехнических материалов по их назначению составу и свойствам;

– рассмотрение основных характеристик служащих для оценки пригодности электротехнических материалов при их использовании в электротехнике;

– изложение основных особенностей технологии производства электротехнических материалов.

 

1.2. Классификация веществ по электрическим свойствам

 

Все вещества в зависимости от их электрических свойств относят к диэлектрикам, проводникам или полупроводникам. Различие между проводниками, полупроводниками и диэлектриками наиболее наглядно можно показать с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердых тел. Исследования спектров излучения различных веществ в газообразном состоянии, когда атомы расположены относительно друг друга на больших расстояниях, показывает, что для атомов каждого вещества характерны вполне определенные спектральные линии. Это говорит о наличие определенных энергетических состояний (уровней) для различных атомов.

Часть этих уровней (рис.1.1) заполнена электронами в нормальном, невозбужденном состоянии атома, на других уровнях электроны могут находится только после того, как атом испытает внешнее энергетическое воздействие; при этом он возбуждается. Стремясь прийти к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии в момент возвращения электронов на уровни, при которых энергия атома минимальна. При переходе газообразного вещества в жидкость, а затем при образовании кристаллической решетки твердого тела все имеющиеся у данного типа атомов электронные уровни (как заполненные электронами, так и незаполненные) несколько смещаются вследствие действия соседних атомов друг на друга. Таким образом, из отдельных энергетических уровней уединенных атомов в твердом теле образуется целая полоса – зона энергетических уровней.

Энергетические диаграммы диэлектриков, полупроводников и проводников различны (рис. 1.2). Диэлектриками будут такие материалы, у которых запрещенная зона настолько велика, что электронной электропроводности в обычных случаях не наблюдается. Полупроводниками будут вещества с более узкой запрещенной зоной, которая может быть преодолена за счет внешних энергетических воздействий. Проводниками будут материалы, у которых заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывается ею. Вследствие этого электроны в металле свободны, т.е. могут переходить с уровней заполненной зоны на незанятые уровни свободной хоны под влиянием слабой напряженности приложенного к проводнику электрического поля.

При отсутствии в полупроводнике свободных электронов (при нуле Кельвина) приложенная к нему разность электрических потенциалов не вызывает тока. Если извне будет подведена энергия, достаточная для переброса электронов через запрещенную зону, то, став свободными, электроны смогут перемещаться под действием электрического поля, создавая электронную электропроводность полупроводника.

В заполненной зоне, откуда ушел электрон, образовалась “электронная дырка”, а поэтому в полупроводнике начинается другое, “эстафетное”, движение электронов, заполняющих образовавшуюся дырку, причем под воздействием электрического поля дырка будет двигаться в направлении поля, как эквивалентный положительный заряд. Процесс перехода электронов в свободное состояние сопровождается и обратным явлением, т.е. число электронов, переходящих в свободную зону, становится равным числу электронов, возвращающихся обратно в заполненную хону.

С повышением температуры число свободных электронов в полупроводнике возрастает, а с понижением температуры до абсолютного нуля – убывает вплоть до нуля. Таким образом, электропроводность веществ при различных температурах может быть существенно различной. Энергию, необходимую для перехода электрона в свободное состояние или для образования дырки, может доставить не только тепловое движение, но и другие источники энергии, например свет, поток электронов и ядерных частиц, электрические и магнитные поля, механические воздействия и т.д.

Электрические свойства определяются условиями взаимодействия атомов вещества и не являются непременной особенностью данного атома. Например, углерод в виде алмаза является диэлектриком, а в виде графита обладает большой проводимостью. Примеси и дефекты кристаллической решетки сильно влияют на электрические свойства твердых тел.

 

 

1.2. Классификация веществ по магнитным свойствам

 

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

Диамагнетиками являются вещества с магнитной проницаемостью μr<1, значение которой не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К ним относятся водород, инертные газы, большинство органических соединений, каменная соль и некоторые металлы (медь, цинк, серебро, золото, ртуть), а также висмут, галлий, сурьма.

К парамагнетикам относятся вещества с магнитной проницаемостью μr>1, а также не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. К ним относятся кислород, оксид азота, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов, щелочные металлы, алюминий, платина.

Диамагнетики и парамагнетики имеют магнитную проницаемость, близкую к единице, и по магнитным свойствам нашли себе ограниченное применение в технике.

У сильномагнитных материалов μr>>1 и зависит от напряженности магнитного поля. К ним относятся железо, никель, кобальт и их сплавы, сплавы хрома и марганца, гадолиний, ферриты различного состава.

 

 

1.4. Поляризация диэлектриков. Основные понятия и определения

 

Поляризация – свойство диэлектрика, возникающее при воздействии на него электрического напряжения и вызывающее ограниченное смещение связанных зарядов. Поляризация характеризуется диэлектрической проницаемостью и углом диэлектрических потерь. Ток сквозной проводимости – ток, возникающий под воздействием электрического напряжения из-за наличия в диэлектрике свободных зарядов. Он, как правило, не большой по величине, течёт сквозь толщу диэлектрика и на его поверхности. Диэлектрик характеризуется удельной объёмной и удельной поверхностной проводимостями, а также величинами обратными первым. Диэлектрик может быть использован на определённое напряжение, величина которого для каждого диэлектрика своя и может меняться в зависимости от внешних условий – такое напряжение называется предельным. Если напряжение, приложенное к диэлектрику, превышает предельное, то в этом случае наступает пробой. Пробой диэлектрика – полная потеря им электроизоляционных свойств. Электрическая прочность материала - это его способность выдерживать без разрушения приложенное напряжение. Она характеризуется пробивной напряжённостью электрического поля.

При внесении в электрическое поле каких-либо диэлектриков электрическое поле изменяется. На первоначально незаряженных диэлектриках в электрическом поле возникают электрические заряды. На диэлектрике появляются электрические полюсы, отчего и само явление получило название поляризации диэлектриков. Заряды, возникающие на диэлектриках в электрическом поле, называются поляризационными зарядами.

Явление поляризации диэлектриков имеет сходство с индукцией в проводниках. Однако между обоими явлениями имеется и важное различие. Разделяя в электрическом поле проводник на части, можно отделить друг от друга индукционные заряды, и поэтому после исчезновения поля, разъединенные части проводника остаются заряженными. Разделяя же в электрическом поле диэлектрик, мы обнаружим, что после устранения поля каждая часть диэлектрика остается по-прежнему незаряженной. Отделить друг от друга поляризационные заряды невозможно. Это различие объясняется тем, что в металлах отрицательный заряд существует в подвижном состоянии в виде электронов проводимости, которые могут перемещаться на значительные расстояния. Поэтому индукционные заряды в металлах можно отделить друг от друга. В диэлектриках же заряды обоих знаков связаны друг с другом и могут только смещаться на малые расстояния в пределах одной молекулы.

Неполяризованный диэлектрик (в отсутствие электрического поля) можно схематически изобразить в виде собрания молекул, в каждой из которых равные положительные и отрицательные заряды распределены равномерно по всему объему молекулы, что показано на рис. 3.1, а. При поляризации диэлектрика заряды в каждой молекуле смещаются в противоположные стороны, и на одном конце молекулы появляется положительный заряд, а на другом — отрицательный. Это показано на рис 3.1, б. При этом каждая молекула превращается в электрический диполь. Смещение зарядов внутри молекул будет проявляться как возникновение некоторых зарядов на диэлектрике. При этом внутри диэлектрика по-прежнему количество положительного заряда будет равно количеству отрицательного, но на одном из концов диэлектрика возникнет тонкий слой с неcкомпенсированным положительным зарядом, а на другом появится неcкомпенсированный отрицательный заряд, т. е. возникнут поляризационные заряды.

 

 

1.5. Электропроводность диэлектриков. Основные положения

 

Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в веществе для получения равновесного состояния создают поляризационные токи, которые также называют токами смещения. Обычно токи смещения очень кратковременны, и зарегистрировать их приборами, как правило, не удаётся. Существуют также токи замедленного смещения, которые наблюдаются у большинства технических диэлектриков. Такие токи называют абсорбционными. Если электрическое поле имеет постоянный характер, то абсорбционные токи протекают только в начальный и конечный моменты, т.е. при появлении и исчезновении электрического поля. Если электрическое поле носит переменный характер, то абсорбционные токисуществуют постоянно.

Наличие в диэлектрике свободных зарядов приводит к тому, что в них существуют токи сквозной проводимости, или токи утечки. Таким образом, полная плотность тока в диэлектрике будет складываться из плотности токов сквозной проводимости и плотности абсорбционных токов:

 

,

 

где jск – плотность токов сквозной проводимости; jаб – плотность абсорбционных токов.

Плотность тока смещения будет равна:

 

,

 

где D – вектор индукции (смещения), включающий в себя мгновенное (электрическое и ионное) смещение зарядов.

На рис. 3.2. представлен график зависимости тока протекающего через диэлектрик от времени. В начальный момент времени при появлении поля ток, протекающий через диэлектрик, будет сравнительно велик. По мере того как проходит время поляризация диэлектрика завершается и токи смещения уменьшаются и, наконец, в определённый момент времени токи смещения равны нулю и через диэлектрик протекает только ток сквозной проводимости. Поэтому при измерении сопротивления диэлектрика, для того чтобы получить наиболее точные значения, необходимо чтобы прошло определённое время. Обычно оно равно одной минуте.

Проводимость диэлектрика при постоянном напряжении определяют по сквозному току, который сопровождается выделением и нейтрализацией зарядов на электронах. При переменном напряжении активная проводимость определяется как сквозным током, так и активной составляющей поляризационных токов. Сопротивление диэлектрика определяет величину тока сквозной проводимости. Оно находится из выражения:

 

 

где U – приложенное напряжение; i – наблюдаемый ток; iп – сумма токов замедленной поляризации.

Для твёрдых изоляционных материалов необходимо рассчитывать как объёмную так и поверхностную электропроводимость которая определяется удельным объёмным сопротивлением диэлектрика (ρ) и удельным поверхностным сопротивление диэлектрика (ρs). В свою очередь, зная удельное и поверхностное сопротивления можно найти удельные и поверхностные проводимости. Которые соответственно равны:

 

;

.

Сами объёмные и поверхностные сопротивления находят из выражений:

 

;

,

 

где R-объёмное сопротивление; S-площадь электрода; h-толщина образца; Rs- сопротивление образца материала между параллельно поставленными электродами шириной d, находящимися друг от друга на расстоянии l.

Большое значение в определении электропроводности изоляционных материалов имеет их агрегатное состояние (твёрдые, жидкие или газообразные). Уменьшение тока со временем в жидкостях или газах говорит о том, что электропроводность материалов была обусловлена наличием примесей. Увеличение тока со временем в диэлектриках говорит об участии в нём зарядов, являющихся структурными элементами самих материалов и о процессе старения в диэлектриках под действием приложенного напряжения, которое приводит в конце концов к пробою (разрушению диэлектрика).

Важной величиной, характеризующей электропроводность диэлектрика является также постоянная времени саморазряда конденсатора – произведение сопротивления изоляции конденсатора и его ёмкости:

 

.

 

 

Лекция 2

 

План лекции

2.1. Электропроводность газов

2.2. Электропроводность жидких диэлектриков

2.3. Электропроводность твёрдых тел

2.4. Пробой диэлектриков. Общая характеристика явления пробоя

2.5. Пробой газов

 

2.1. Электропроводность газов. Газы, как правило, обладают исключительно малой электропроводностью. Ток в них возникает только при наличии ионов или свободных электронов. Ионизация нейтральных молекул возникает либо за счёт внешних воздействий, либо за счёт соударений молекул с заряженными частицами. К внешним воздействиям относят: рентгеновское, ультрафиолетовое космическое, радиационное и инфракрасное излучения и т.д.

Электропроводность, возникающую за счёт действия внешних факторов, называют не самостоятельной. Электропроводность, возникающую за счёт соударения заряженных частиц с молекулами газа, т.е. когда кинетическая энергия заряженных частиц под действие электрического поля становится большой, называется несамостоятельной. Процесс объединения положительных ионов с отрицательными частицами называется рекомбинацией. Она ограничивает безграничную ионизацию газов при воздействии внешних факторов. Предположим ионизированный газ, находится между двумя электродами, находящимися под напряжением. Под влиянием напряжения электроны начнут двигаться, и возникнет ток, часть электронов будут нейтрализованы на обкладках электродов, часть исчезнет за счёт рекомбинации. На рис. 3.3 представлен график зависимости тока протекающего через газ от напряжения приложенного к обкладкам электродов. В первой части графика приложенное напряжение больше нуля, но меньше напряжения насыщения Uн. В этом случае число положительных и отрицательных ионов постоянно. На этом участке выполняется закон Ома. На втором участке напряжение больше напряжения насыщения Uн и меньше критического Uкр. В этом случае все вновь создаваемые в газовом промежутке ионы рекомбинируются и разряжаются на электродах, поэтому ток на этом участке не зависит от напряжения и называется током насыщения. На третьем участке напряжение больше критического Uкр. В этом случае возникает ударная ионизация, ток начинает резко расти и если процесс не остановить образуется плазма.

 

 

2.2. Электропроводность жидких диэлектриков

 

В нейтральных жидкостях электропроводность определяется наличием примесей, в том числе влаги. В полярных жидкостях электропроводность определяется не только примесями, но и молекулами самой жидкости. Ток в жидкости может быть обусловлен как движением ионов, так и движением других заряженных частиц. Невозможность полного удаления из жидкостей примесей приводит к тому, что жидкостный диэлектрик редко используется как электроизоляционный материал. Полярные жидкости всегда имеют наивысшую проводимость, причём возрастание диэлектрической проводимости всегда приводит к росту электропроводности. Сильно полярные жидкости отличаются настолько высокой электропроводностью, что могут рассматриваться не как диэлектрики, а как проводники с ионной проводимостью. Очистка жидких диэлектриков от примесей помогает улучшить их диэлектрические свойства. В этом случае используется электрическая очистка, когда к обкладкам электродов прикладывается определённое напряжение и постепенно ионы примеси, содержащиеся в жидкости, нейтрализуются на этих обкладках. При длительном пропускании электрического тока наблюдается повышение сопротивления за счёт переноса ионов к электродам.

Удельная проводимость любой жидкости сильно зависит от температуры, чем выше температура, тем становится меньше вязкость, проводимость увеличивается. В коллоидных системах наблюдается молионная или электрофоретическая электропроводность, при которой носителями заряда становится группа молекул, которая называется молионом. Коллоидные системы бывают двух видов: эмульсии (две фазы жидкости); суспензии (одна фаза жидкость, другая – твёрдое вещество). При наложении электрического поля на такую жидкость происходит смещение одной фазы относительно другой, возникает явление, носящее название электрофореза. Это явление отличается от электролиза тем, что при электрофорезе новых веществ не появляется, а лишь меняется концентрация составляющих в различных слоях жидкости.

 

2.3. Электропроводность твёрдых тел

 

Обуславливается как движением ионов самого твёрдого тела, так и движением ионов примесей, а в некоторых материалах вызвано движением свободных электронов. Электропроводность особенно сильно проявляется в электрических полях. Её вид устанавливается экспериментально. Ионная проводимость сопровождается переносом вещества на электроды, при электронной – этого не происходит. В процессе прохождения электрического тока через твёрдый диэлектрик содержащиеся в нём электроны, частично удаляются, нейтрализуясь на электродах. Это явление приводит к тому, что при длительном пропускании тока электропроводность уменьшается, а сопротивление возрастает. В твёрдых диэлектриках ионного типа, где электропроводность обусловлена перемещением ионов, при низких температурах перемещаются только слабо закреплённые ионы. При высокой температуре электропроводность возрастает. В диэлектриках с атомно-молекулярной структурой электропроводность определяется наличием примесей.

 

2.4. Пробой диэлектриков. Общая характеристика явления пробоя

 

Пробой диэлектрика или нарушение его электрической прочности, это явление при котором диэлектрик теряет свойства электроизоляционного материала вследствие превышения своей напряжённости критического значения. Пробивное напряжение – это напряжение, при котором происходит пробой. Пробивная напряженность или электрическая прочность диэлектрика – значение напряженности, при котором происходит пробой диэлектрика

 

,

 

где h – толщина диэлектрика.

Пробой газа обуславливается ударной и фотоионизацией. В однородной среде происходит мгновенно, в неоднородной ему предшествует явление короны. Пробой жидких диэлектриков происходит в результате тепловых и ионизационных процессов. Причины явления – наличие примесей в жидкостях. Пробой твёрдых тел может быть вызван как электрическим током, так и тепловыми явлениями, возникающими под действием электрического тока. Электрический пробой – связан с внезапным, резким возрастанием плотности тока. Тепловой пробой – возникает в связи с уменьшением активного сопротивления диэлектрика, вследствие чего происходит рост тока, затем увеличивается нагрев, после чего наступает разрушение диэлектрика. Электрохимический пробой – вызван электрохимическими процессами, возникающими под действием электрического поля.

 

 

2.5. Пробой газов

 

Во многих видах электрических конструкций естественной изоляцией является воздух. Электрическая прочность которого в нормальных условиях не высока. Небольшое количество положительных и отрицательных ионов, а также электронов находится в хаотическом тепловом движении и при наложении электрического поля, получает дополнительную энергию

 

,

 

где q – заряд; Ul – падение напряжения на длине пробега заряженной частицы.

Если электрическое поле однородно, то в этом случае напряжение Ul будет равно

,

 

где E – напряжённость электрического поля; – средний пробег частицы.

Добавочная энергия сообщается молекулам, вследствие чего происходит их ионизация или возбуждение (переход электрона на более отдалённый от ядра уровень). Условия ионизации регулируются следующими соотношениями:

 

,

 

или

 

,

 

где Wи – энергия ионизации.

Напряжение ионизации можно найти как

 

=4…25 В.

 

Начальная напряжённость – это напряженность, при которой происходит начальная ионизация газов (кислород, углекислый газ, пары воды). Электроны, столкнувшись с молекулой, присоединяются к ней, тогда величина энергии такого отрицательного заряженного иона может быть меньше величины энергии молекулы. В отличие от электронов, соударяющихся с нейтральными молекулами, при соударении положительных и отрицательных зарядов с молекулами ионизация не возникает, потому что электроны имеют большую подвижность. В ряде случаев электрон, разогнанный электрическим полем может не ионизировать молекулу, а привести её в возбуждённое состояние, то есть вызвать изменение движения электронов связанных с молекулами. Далее эта возбуждённая молекула отдаёт энергию в виде излучения, испуская фотоны, фотон поглощается другой молекулой в результате, происходит ионизация. Такая внутренняя фотонная ионизация благодаря большой скорости излучения приводит к быстрому развитию разрядных промежутков, которые обладают повышенной проводимостью и называются стримерами.

Если длительность воздействия мала, то пробивное напряжение повышается, это характеризуется коэффициентом , который можно найти из выражения:

,

 

где– пробивное напряжение при данных условиях (данной частоте), – напряжение пробоя при частоте 50 Гц.

Явление пробоя газов зависит от степени однородности поля, в котором осуществляется пробой. Однородное поле получают между плоскими проводниками, закруглёнными на концах, а также сферами большого диаметра расстояние между которыми много меньше их диаметра. В таком поле пробой наступает практически мгновенно и при строго определённой величине напряжённости. Величина пробивного напряжения зависит в этом случае от температуры и давления, между электродами возникает искра, которая затем переходит в электрическую дугу. Пробивное напряжение зависит от величины произведения давления газа на расстояние между электродами.

Закон Пашина: электрическая прочность в однородном поле зависит от расстояния между электродами (рис. 3.4). Из графика видно, что электрическая прочность по мере удаления одного электрода от другого будет уменьшаться. Это связано с тем, что в данном случае речь идёт об однородном поле и поэтому расстояние h – для случая сфер–электродов будет ограничено размерами самих электродов. В обычных условиях температура и давление для расчета пробивного напряжения в воздухе учитывается в соответствии со следующими выражениями:

 

,

 

где Uпр0 – пробивное напряжение при нормальных условиях; d – относительная плотность воздуха; которая равна

 

,

 

где P – давление; T – абсолютная температура.

На величину электрической прочности влияют давление, температура, а также химический состав газа. Неоднородное поле возникает между двумя остриями, между остриём и плоскостью, между электрическими проводами и между сферами расстояние между которыми превышает их диаметры. Особенностью пробоя газа в неоднородном поле является возникновение частичного разряда в виде корон, в местах, где напряжённость поля достигает своего критического значения. После этого явление короны переходит в искровой разряд, а затем при возрастании напряжения – в электрическую дугу.

 

Лекция 3

 

План лекции

 

3.1. Пробой жидких диэлектриков

3.2. Пробой твёрдых диэлектриков

3.3. Диэлектрические потери. Потери в постоянном и переменном электрическом полях

3.4. Тангенс угла диэлектрических потерь. Схемы замещения диэлектрика

3.5. Расчет полных и удельных диэлектрических потерь на переменном напряжении

3.6. Коэффициент диэлектрических потерь

3.7. Виды диэлектрических потерь

 

3.1. Пробой жидких диэлектриков

 

Жидкие диэлектрики в отличие от газов отличаются значительно большей электрической прочностью. Предельно чистые жидкости получить чрезвычайно трудно. В связи с примесями затруднено создание обобщённой теории пробоя жидких диэлектриков, поэтому в настоящее время получили развитие три теории:

тепловая теория – связывает пробой с частичным перегревом жидкости и её вскипанием в местах наибольшего скопления примесей, что приводит к образованию газового мостика между электродами;

–теория ионизационного пробоя – справедлива для жидкостей, которые получили максимальную очистку. Она схожа с теорией ионизационного пробоя газа, а повышенная электрическая прочность объясняется меньшей свободой пробега заряженных частиц у жидкости.

–чисто электрический пробой – явление пробоя связано с вырыванием электронов из металла электродов или с разрывом молекул жидкости.

 

 

3.2. Пробой твёрдых диэлектриков

 

Для твёрдых диэлектриков существуют четыре вида пробоя:

– электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков;

– электрический пробой неоднородных диэлектриков;

– тепловой пробой;

– электрохимический пробой.

Электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков. Этот пробой характеризуется быстрым развитием 10-7 -10-8 сек, и не обусловлен тепловой энергией, хотя величина электрической прочности в некотором смысле зависит от температуры. Данный вид пробоя чисто электрический процесс и имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обуславливающих нагрев диэлектрика, а также когда отсутствует ионизация газовых включений.

Электрический пробой неоднородных диэлектриков. Он характерен для диэлектриков, содержащих примеси и газовые включения, также быстро развивается. Пробивное напряжение в этом случае не высоко.

Тепловой пробой. Электрическая прочность твёрдых неоднородных диэлектриков практически не зависит от температуры до её определённого значения. После этого значения температура начинает оказывать влияние на её величину и при определённом значении наступает тепловой пробой.

Электрохимический пробой. Имеет особо существенное значение при высоких температурах и высокой влажности воздуха. Он наблюдается при постоянном и переменном напряжении низкой частоты, тогда в электроизоляционных материалах начинают развиваться электрохимические процессы, обуславливающие необратимые изменения в изоляции. Это явления называют старением изоляции, оно приводит к постепенному снижению прочности диэлектрика и к пробою при напряжении, которое значительно ниже напряжения полученного при кратковременном воздействии.

 

 

3.3. Диэлектрические потери. Потери в постоянном и переменном

электрическом полях

 

Диэлектрические потери – это та часть энергии электрического поля, которая рассеивается в диэлектрике в виде тепла. Нагрев диэлектрика в постоянном электрическом поле зависит от значений удельных объемного и поверхностного сопротивлений (или удельной проводимости). Если известно сопротивление диэлектрика, то потери мощности в нем Р можно подсчитать по известному соотношению P=U2/R, где U – напряжение. Для сопоставления потерь различных материалов лучше пользоваться удельными потерями, которые для единичного объема диэлектрика в виде куба со стороной 1м будут определяться по формуле

 

Pуд=E2/r,

или

Pуд = E2 g,

 

где E – напряженность электрического поля; r – удельное электрическое сопротивление; g – удельная электрическая проводимость.

Если r измеряется в Ом м, g в Ом-1м-1, Е в В/м, U в В, то Руд измеряется в Вт/м3. В переменном электрическом поле диэлектрические потери (диэлектрическое поглощение) связаны в основном с процессами установления поляризации. Упругие, быстропротекающие виды поляризации – электронная и ионная вызывают поглощение энергии электрического поля на частотах инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, когда частоты собственных колебаний ионов и электронов совпадают с частотой электрического поля. Основным источником диэлектрических потерь в широкой области радиочастот в большинстве случаев являются релаксационные виды поляризаций, связанные с тепловым движением ионов, электронов и полярных молекул, радикалов, доменов или объемных зарядов, локализованных на неоднородностях.

При рассмотрении потерь на переменном напряжении закономерности получаются более сложные, чем на постоянном напряжении. Когда говорят о диэлектрических потерях, то, обычно, имеют в виду потери при переменном напряжении.

 

 

3.4. Тангенс угла диэлектрических потерь. Схемы замещения

диэлектрика

 

В диэлектрическом конденсаторе с идеальным диэлектриком, то есть диэлектриком без потерь, вектор тока Ic опережает вектор напряжения на 90o. В реальных диэлектриках угол между током, протекающим через емкость, и напряжением меньше 90o за счет потерь, которые вызывает протекание активного тока Ia, совпадающего по фазе с напряжением. Векторные диаграммы и схемы замещения для идеального диэлектрика и диэлектрика с потерями показаны на рис. 3.5. Угол, дополняющий угол сдвига фаз между током и напряжением, называется углом диэлектрических потерь б. В расчётах и при анализах диэлектрических потерь как правило используют величину не самого угла, а его тангенса – tgб. У материалов, применяемых на повышенных частотах и при высоких напряжениях, тангенс угла диэлектрических потерь tgб лежит в пределах 10-3 – 10-4; для низкочастотных диэлектрических материалов – полярных диэлектриков значения tgб обычно 10-1 – 10-2, для слабополярных – до 10-3. Для хорошо осушенных газов, не содержащих влаги, значения tgб могут достигать 10-5 – 10-8.

 

 

3.5. Расчет полных и удельных диэлектрических потерь на

переменном напряжении

 

Используя рис. 3.1, получим выражение для расчета полных диэлектрических потерь

 

P = U. Ia = U. Ic. tgб;

Ic = U. w. C;

P = U2. w. C. tgб,

 

где w = 2πf - угловая частота.

В системе СИ диэлектрические потери Р выражаются в Ваттах, если частота f – в Герцах (w – в рад/с), ёмкость С – в Фарадах. Формулу для удельных диэлектрических потерь получим, если в качестве диэлектрика возьмем куб со стороной грани в 1м. При этом считаем, что напряжение приложено к двум противоположным граням. Тогда с учетом того, что емкость единичного куба можно подсчитать по формуле

 

С = εεOS/d,

 

где площадь S = 1 м2, толщина диэлектрика d = 1м, диэлектрическая проницаемость εO=1/36 109 Ф/м и напряжённость E= U/d.

Учитывая это, получим

 

;

P = E2 ε.f tgб/1,8 1010, Вт/м3

 

или, сопоставляя с выражением для удельных потерь на постоянном напряжении, получим

 

P = E2a, γa,

 

где γa – активная проводимость (при переменном напряжении), которая будет определяться выражением

 

γa=f. tgб / 1,8 1010, См/м.

 

Можно видеть, что диэлектрические потери и активная проводимость на переменном напряжении больше соответствующих параметров на постоянном напряжении. Аналогичным образом можно получить выражение для диэлектрических потерь с использованием последовательной схемы замещения. В этом случае получается

 

.

 

Видно, что для диэлектриков с малым tgб величиной (tgб)2 можно пренебречь, тогда будет наблюдаться равенство формул потерь для параллельной и последовательной схем замещения и Cs > C, а емкость и диэлектрическая проницаемость становятся неопределенными.

 

 

3.6. Коэффициент диэлектрических потерь

 

Для упрощения расчетов часто пользуются комплексными величинами. Комплексная диэлектрическая проницаемость записывается в виде

 

e* = e' - j e",

 

где действительная часть e' имеет физический смысл относительной диэлектрической проницаемости, а e" характеризует потери. Тогда можно записать, что

 

e" = e' tgб

 

и называется коэффициентом диэлектрических потерь.

3.7. Виды диэлектрических потерь

 

Можно выделить следующие основные виды диэлектрических потерь:

– потери на электропроводность – характерны для всех без исключения диэлектриков. Наблюдаются при постоянном и переменном напряжении. В однородных неполярных диэлектриках являются единственным видом потерь;

– релаксационные потери – обусловливаются поляризацией диэлектриков. Вызываются активными составляющими абсорбционных токов замедленных поляризаций;

– потери, обусловленные неоднородностью – вызываются проводящими и газовыми включениями, слоистостью и т.п. Эти потери являются дополнительными релаксационными потерями. Наиболее часто они проявляются в виде потерь, обусловленных миграционной поляризацией, характерной в основном для композиционных и слоистых диэлектриков;

– ионизационные потери – возникают в диэлектриках, содержащих поры или газовые включения;

– резонансные потери – характерны для частот, совпадающих с собственными частотами колебаний электронов и ионов.

 

Лекция 4

 

План лекции

4.1. Общие сведения об изоляционных материалах электроустановок

4.2. Электроизоляционная бумага

4.3. Электрокартон

4.4. Электроизоляционные лакоткани

4.5. Электротехнический гетинакс

4.6. Электротехнический текстолит

4.7. Бумажно-бакелитовые изделия

4.8. Трансформаторное масло

4.9. Электроизоляционные лаки и эмали

4.10. Жидкие негорючие диэлектрики

 

4.4. Электроизоляционные лакоткани

 

4.1. Общие сведения об изоляционных материалах электроустановок

 

Электроизоляционные материалы служат для изоляции токоведущих частей электроустановки, находящихся под разными потенциалами, друг от друга и заземленных конструкций, находящихся под напряжением. Качество электроизоляционных материалов при прочих равных условиях определяет срок службы электроустановки и характеризуется: пробивным напряжением, электрической прочностью, диэлектрическими потерями, диэлектрической проницаемостью, высоким электрическим сопротивлением и другими свойствами.

Изоляционные материалы должны обладать рядом других свойств, обеспечивающих их длительную и надежную работу в: нагревостойкостью, механической прочностью, эластичностью, гибкостью, масло- и влагостойкостью и химической стойкостью. При длительном воздействии на изоляцию повышенной температуры, механических сил, влаги, химических и других веществ она должна не ухудшать своих свойств и обеспечивать срок службы, установленный ГОСТом.

По нагревостойкости электроизоляционные материалы делят на семь классов: У, A, F, В, Е, Н, С. Для каждого класса установлена предельно допустимая температура нагрева, при которой материал может длительно работать. Большинство изоляционных материалов, применяемых в электроустановках, относится к классу А (например, пропитанные или погруженные в жидкий диэлектрик волокнистые материалы из целлюлозы или шелка, а также другие материалы и их сочетания); их предельная длительно допустимая температура нагрева 105°С.

 

 

4.2. Электроизоляционная бумага

 

Для изоляции обмоточных проводов и отводов, а также межслоевой изоляции обмоток и других устройств применяют различные электроизоляционные бумаги, изготовляемые из химически обработанной древесной целлюлозы на специальных бумагоделательных машинах. Они обладают высокой электрической и механической прочностью, высокой маслостойкостью – относятся по нагревостойкости к классу А. Электроизоляционные бумаги разделяют по видам и толщине.

Например в трансформаторах применяют электроизоляционную трансформаторную бумагу марок Т-080, Т-120, ТМ-120, ТМП-120, ТВ-120 и ТВУ-080 толщиной 80 и 120 мкм. Буквы в марках бумаги означают: Т — трансформаторная обычная, В — высоковольтная, М — многослойная, П — упрочненная, У — уплотненная. Выбор марки этой бумаги зависит от класса напряжения трансформатора. Бумагу поставляют в рулонах шириной 500—1000 мм. Электрическая прочность сухой трансформаторной бумаги 6—9 кВ/мм, а пропитанной в сухом трансформаторном масле в зависимости от толщины — 70—90 кВ/мм; диэлектрическая проницаемость сухой бумаги 2,2—2,7.

Для витковой изоляции обмоточных проводов и межслоевой изоляции обмоток трансформаторов мощностью до 100 кВ∙А используют телефонную бумагу КТ-50, выпускаемую толщиной 50 мкм в рулонах шириной 500, 700 и 750 мм. Для изолирования отводов применяют крепированную электроизоляционную бумагу ЭКТМ с поперечным крепом (гофрировкой); выпускают ее толщиной 0,44 мм и поставляют в рулонах шириной 1000 мм. Она обладает высокой электрической прочностью (25 кВ/мм в трансформаторном масле при (90±5) °С), маслостойкостью и эластичностью.

 

 

4.3. Электрокартон

 

Другим основным изоляционным материалом служит электрокартон, который изготовляют, как и кабельную бумагу, из древесной целлюлозы. В зависимости от толщины электрическая прочность картона в воздухе от 7 до 15 кВ/мм, в горячем (при 90° С) трансформаторном масле (после предварительной вакуумной сушки и пропитки в сухом трансформаторном масле при (100±5)° С) от 30 до 55 кВ/мм; его диэлектрическая проницаемость 4,3—4,5.

Электрокартон, предназначенный для работы в масле при рабочей температуре 105° С, отличается высокой механической прочностью, малой усадкой после сушки, стойкостью к воздействию напряжения в направлении, перпендикулярном поверхности, а также к воздействию поверхностных разрядов и выпускается пяти марок: AM, А, Б, В, Г. Электрокартон марки AM, характеризуемый эластичностью, гибкостью и высокой стойкостью к действию поверхностных разрядов, применяется для изготовления деталей главной изоляции высоковольтных масляных трансформаторов от 750 кВ и выше; марки А, отличающийся в основном от марки AM меньшей стойкостью и воздействием поверхностных разрядов, — для изготовления деталей главной изоляции высоковольтных масляных трансформаторов до 750 кВ включительно; марки Б, обладающий средней плотностью и повышенными электрическими характеристиками,— для изготовления деталей главной изоляции масляных трансформаторов до 220 кВ включительно; марки В, обладающий повышенной плотностью и малой сжимаемостью,— для изготовления деталей продольной изоляции в масляных трансформаторах; марки Г, отличающийся средней плотностью с повышенным сопротивлением расслаиванию,— для изготовления склеенных изоляционных деталей в масляных трансформаторах. Листовой электрокартон изготовляют толщиной 1; 1,5; 2; 2,5 и 3 мм размером от 850X1000 до 3000X4000 мм (второй размер соответствует продольному направлению волокон), а также толщиной 0,5 мм в рулонах шириной (1000 ±5) мм.

 

 

4.4. Электроизоляционные лакоткани

 

Электроизоляционные лакоткани, представляющие собой хлопчатобумажную или шелковую ткань, пропитанную электроизоляционным лаком, отличаются высокой электрической и механической прочностью и эластичностью и по нагревостойкости относятся к классу А. В зависимости от пропитывающего лака лакоткани разделяют на черные и светлые (желтые). Например для масляных трансформаторов применяют светлую лакоткань ЛХММ-105 толщиной 0,17; 0,2; 0,24 мм с пробивным напряжением 7,5; 8,3 и 9,2 кВ соответственно (при 15—35°С и относительной влажности воздуха 45—75 %). Для работы на воздухе при нормальных климатических условиях используют лакоткани ЛХМС-105 и ЛХМ-105.

Стеклолакоткань марки ЛСММ-105/120 применяют для сухих трансформаторов напряжением более 1000 В, марки ЛСБ-120/130 — для тех же трансформаторов, но до 1000 В (для изолирования отводов и мест спая). Стеклолакоткань выпускают толщиной от 0,12 до 0,24 мм в рулонах шириной от 690 до 1140 мм. Буквы и цифры в марках лакотканей означают: Л — лакоткань, X — на хлопчатобумажной основе, М — пропитка на основе масляного лака, Б — на основе битумно-масляного лака, вторая буква М — маслостойкая; С — на основе стеклоткани; 105 — температура по нагревостойкости. Изоляционные ленты применяют для механической защиты. Изоляционную тафтяную хлопчатобумажную ленту марок от Т-10-18 до Т-50-39 толщиной 0,25 и шириной от 10 до 50 мм и киперную марок от К-10-2 до К-50-17 (с киперным переплетением нитей в «елочку») толщиной 0,45 и шириной от 10 до 50 мм используют в масляных трансформаторах. В сухих трансформаторах применяют стеклоленту в основном тех же размеров, что и в масляных. В обозначении марки первая цифра указывает ширину, вторая — номер заправки пряжи. Ленты поставляют в рулонах длиной 50 м.

 

 

4.5. Электротехнический гетинакс

 

Электротехнический гетинакс получают прессованием специальной пропиточной бумаги и применяют для изготовления деталей переключающих устройств, крепления обмоток и отводов. Для этих целей используют листовой электротехнический гетинакс марок У-1 и У-2 толщиной от 8 до 50 мм, отличающийся высокой механической и электрической прочностью. Электрическая прочность гетинакса в поперечном направлении составляет 16—80 кВ/мм, вдоль слоев — в несколько раз ниже.

 

 

4.6. Электротехнический текстолит

 

Электротехнический текстолит, получаемый из пропитанной лаком хлопчатобумажной ткани, имеет большую удельную ударную вязкость, чем гетинакс, поэтому его используют для изготовления изоляционных деталей, несущих механическую нагрузку. В масляных и сухих трансформаторах применяют текстолит марки А толщиной от 0,5 до 50 мм и электрической прочностью 5—8 кВ/мм в трансформаторном масле при (90 ±2)° С. Стеклотекстолит изготовляют так же, как текстолит, но его основой служит стеклоткань. Он обладает высокими нагрево- и влагостойкостью и механической прочностью. При изготовлении сухих трансформаторов в основном применяют стеклотекстолит СТ толщиной 1,5— 30 мм и СТЭФ толщиной 1,5—50 мм.

 

 

4.7. Бумажно-бакелитовые изделия

 

Бумажно-бакелитовые изделия, изготовляемые в виде трубок и цилиндров из лакированной намоточной бумаги, применяют для работы на воздухе и в трансформаторном масле при 105° С. Трубки служат для изоляции отводов и стяжных шпилек магнитной системы, а также изготовления приводных штанг переключателей, а цилиндры — для изо­ляции обмоток друг от друга и от стержней магнитной системы, а также для изоляции переключателей.

 

 

4.8. Трансформаторное масло

 

Трансформаторное масло (продукт перегонки нефти) используют в трансформаторах в качестве изоляционного материала, а также хорошей теплоотводящей среды. Оно не должно содержать влаги, механических примесей, смолообразующих и других веществ, не обладающих изоляционными свойствами. Масло, из которого удалена влага, резко снижающая его электрическую прочность, называют сухим.

В масляных трансформаторах в основном применяют масло ТКп, выпускаемое с добавкой антиокислительной присадки – дибутилпаракрезола ДБК (не менее 0,2 %) и ТК (без присадки), которое изготовляют только по специальным заказам.

 

 

4.9. Электроизоляционные лаки и эмали

 

Для пропитки обмоток, изолирования пластин магнитопроводов, окраски деталей и сборочных единиц применяют лаки и эмали. Электроизоляционный лак ГФ-95, представляющий собой раствор глифталевой смолы, растительного масла и канифоли, применяют для пропитки с последующей запечкой обмоток трансформаторов. Время его высыхания – запечки 15 ч при 105 – 10 °С. Электроизоляционный лак МЛ-92, получаемый добавлением к лаку ГФ-95 15 % меламиноформальдегидной смолы, применяют для тех же целей, что и ГФ-95. Время его высыхания 10 – 12 ч при 95 – 100°С.

Бакелитовый лак, представляющий собой раствор бакелитовой смолы в этиловом спирте, имеет цвет от красноватого до красно-бурого, запекается при 120—130° С, выпускается марок ЛБС-1 и ЛБС-2 и используется в трансформаторах для склеивания электрокартонных полос, колец и других деталей. Склеенные и запрессованные они имеют высокую механическую и электрическую прочность. Для склеивания электрокартона применяют также водный клей на основе метилцеллюлозы МЦ-16.

Изоляционный лак № 302, изготовляемый из канифоли, тунгового масла, керосина и других составляющих, применяют для изолирования пластин магнитной системы. В качестве растворителя лака служит чистый фильтрованный керосин. Лак № 202 используют для тех же целей, что и лак № 302, но в отличие от последнего его приготовляют на льняном масле. Вместо дорогостоящих дефицитных лаков № 302 и 202 чаще применяют изоляционный лак КФ-965.

Масляно-битумный лак № 458 черного цвета, печной сушки применяют для пропитки обмоток сухих трансформаторов низкого напряжения. Растворителем лака служит бензин, толуол, бензол. Время его запечки не более 4 ч при 105°С. Глифталево – масляная эмаль ГФ-92-ГС серого цвета, горячей сушки, маслостойкая запекается в течение 3 ч при 105 – 110°С и применяется для покрытия пропитанных лаком ГФ-95 и МЛ-92 обмоток и окраски стальных деталей сухих трансформаторов. Для этих же целей используют эмаль серого цвета ХВ-124.

Маслостойкая эмаль ГФ-92-ХС серого цвета, холодной сушки высыхает в течение 24 ч при 18 – 22°С и применяется в качестве покровной для сухих трансформаторов. Маслостойкая эмаль ГФ-92-ХК красного цвета, не требующая запечки, используется для окраски неизолированных отводов и стальных конструкционных частей и деталей.

Нитроэмаль 624С серого цвета, воздушной сушки высыхает за 10 – 12 мин при 20° С и применяется для окраски внутренней поверхности баков трансформаторов. Нитроэмали 1201 и 1202 воздушной сушки высыхают за 10 – 15 мин при 20 °С и используются для покрытия неизолированных токоведущих шин и стальных конструкционных деталей.

Эмаль ПФ-133 черного и серого цвета применяют для окраски наружных поверхностей баков, радиаторов, термосифонных фильтров и других поверхностей трансформаторов, не соприкасающихся с маслом. Для окраски эмалями ПФ-133 детали и части трансформаторов (баки, расширители, крышки, охладители) предварительно покрывают грунтом ФЛ-ОЗ-К [13].

 

 

4.10. Жидкие негорючие диэлектрики

 

Жидкий негорючий диэлектрик (наполнитель) – совтол (полихлорбифинил – ПХБ). Достоинством совтола являются негорючесть и хорошие диэлектрические свойства, сохраняющиеся в течение всего срока работы электрооборудования. Применение совтола взамен традиционно используемого трансформаторного масла позволило в свое время значительно уменьшить стоимость строительной части электротехнических помещений, повысить пожарную безопасность объектов и снизить затраты на эксплуатацию электрооборудования. Электрооборудование с совтоловым заполнением снято с производства в 1985 г. и запрещено к применению ввиду высокой токсичности для человека и окружающей среды и больших трудностей утилизации совтола. Совтол (зарубежные жидкие аналоги: аскарель, клюфен, пиранол, делор и др.) представляет собой пожаро- и взрывобезопасную электроизоляционную жидкость, обладающую токсическими свойствами. Длительное вдыхание его паров может вызвать хроническое отравление организма человека. По внешнему виду это прозрачная, бесцветная или желтоватая жидкость, не содержащая воды и механических примесей.

В ряде стран широко применяются трансформаторы, диэлектриком в которых служат экологически нейтральные негорючие синтетические и кремнийорганические жидкости (КОЖ) собственного производства. Например, жидкость «Формел НФ» (Великобритания), обладающая полной невозгораемостью и допустимым уровнем токсичности. В России ОАО «Уралэлектротяжмаш» выпускает силовые трансформаторы, заполняемые негорючим экологически чистым диэлектриком «Midel 7131». Эта электроизоляционная охлаждающая жидкость прошла сертификацию в Минздраве России и рекомендована для электротехнической промышленности. Для жидкости «Midel 7131» характерны следующие основные

свойства: биологическая расщепляемость, низкая токсичность, беспроблемная утилизация; низкий коэффициент термического расширения; небольшая зависимость диэлектрических свойств от

влажности; высокая температура воспламенения; отсутствие токсичных газов при горении.

 

Лекция 5

 

План лекции

5.1. Классификация проводниковых материалов

5.2. Основные свойства и характеристики проводников

5.2.1. Механические свойства

5.2.2. Физико-химические свойства

 

 

5.1. Классификация проводниковых материалов

 

По агрегатному состоянию проводниковые материалы разделяют на газообразные, жидкие и твердые. К газообразным проводниковым материалам относят все газы и пары, в том числе и пары металлов. При достаточно малых значениях напряженности электрического поля Е они являются диэлектриками и обладают очень высоким удельным электрическим сопротивлением ρ. Однако при напряженности электрического поля, которое обеспечивает начало ионизации, газ может стать проводником, в котором перенос электрических зарядов осуществляется электронами и ионами. Если в единице объема сильно ионизированного газа наступает равенство между числом электронов и положительных ионов, то такой газ представляет собой особую проводящую среду, называемую плазмой. Проводимость газов и паров используют в различных газоразрядных приборах.

К жидким проводникам относят расплавы металлов и растворы (в частности, водные) и расплавы солей, кислот и других веществ с ионным строением молекул. Механизм прохождения электрического тока через твердые и жидкие металлы обусловлен направленным движением свободных электронов под воздействием электрического тока, который создается приложенным извне напряжением. Поэтому твердые и жидкие металлы называют проводниками с электронной (металлической) электропроводностью или проводниками первого рода. Растворы и расплавы солей, кислот и щелочей, проводящие электрический ток, называют электролитами или проводниками второго рода. При прохождении электрического тока через электролит, в который погружены электроды, электрические заряды переносятся вместе с частицами молекул (ионами) электролита. На электродах происходит выделение веществ из раствора. Большинство металлов имеют высокую температуру плавления. Только ртуть и некоторые специальные сплавы (например, сплавы системы индий – галлий) могут быть использованы в качестве жидких проводников при нормальной температуре. Электролиты используют в технологии изготовления различных элементов радиоэлектронных устройств.

К твердым проводникам относят металлы и сплавы. В Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева 75% элементов – металлы. В твердом состоянии металлы имеют кристаллическую структуру, для которой характерен особый вид металлической связи между атомами. При прохождении электрического тока через контакт различных металлов не происходит переноса вещества одного металла в другой, как это имеет место при прохождении тока в электролитах, поскольку перенос электрических зарядов осуществляется только электронами.

По характеру применения в радиоэлектронных приборах металлические материалы разделяют на материалы высокой проводимости (удельное электрическое сопротивление ρ≥0,3 мкОм·м). Материалы с высокой проводимостью (железо, медь, алюминий, золото, серебро и др.) используют как основу в контактных материалах и припоях, для изготовления проводов, микропроводов, проводящих покрытий и пленок, различных токопроводящих деталей.

Материалы с высоким сопротивлением используют в качестве резистивных материалов и материалов для термопар. Наиболее известные сплавы с высоким сопротивлением: медно-марганцевые (манганиты), медно – никелевые (константаны), сплавы железа, никеля и хрома (нихромы). Материалы, обладающие ничтожно малым удельным электрическим сопротивлением ρ при очень низких температурах называются сверхпроводниками. Свойством сверхпроводимости обладают ртуть, алюминий, свинец, ниобий, соединения ниобия с оловом, титаном и др.

 

 

5.2. Основные свойства и характеристики проводников

 

5.2.1. Механические свойства. К механическим свойствам относят твердость, упругость, вязкость, пластичность, линейное расширение, хрупкость, прочность, усталость.

Твердость – это способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Существуют различные методы определения твердости: вдавливание, царапанье, упругая отдача. Наибольшее распространение получил метод вдавливания в материал стального шарика (твердость по Бриннелю), вдавливания конуса (по Роквеллу), вдавливания пирамиды (по Виккерсу).

Упругость – это свойство материала восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил, которые вызывают их изменение.

Вязкость – это способность материала оказывать сопротивление динамическим (быстровозрастающим) нагрузкам. Вязкость оценивают с помощью прибора, который называется маятниковым копром.

Ударная вязкость – это способность материала оказывать сопротивление ударным нагрузкам. Испытаниям на ударную вязкость подвергают те материалы, из которых изготавливают сталь, применяемую в условиях ударных нагрузок. Для проведения такого испытания берут стандартный образец, на котором делают надрез. Испытания образцов проводят на специальных установках – копрах маятникового типа.

Пластичность – это свойство материала деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия этих сил. Для количественной оценки пластичности электрорадиоматериалов используют относительное удлинение образца при разрыве Δl/l и относительное сужение площади поперечного сечения образца Δs/s.

Для проводников, используемых в электровакуумных приборах, важной механической характеристикой материала является температурный коэффициент линейного расширения ТКl, который позволяет определять изменения любых геометрических размеров изделий (длины, ширины, толщины) при нагревании. Однако наиболее легко изменение размеров изделия при нагревании фиксируются по максимальному размеру длины. Значение TKl твердых металлов возрастает при повышении температуры и приближении ее к температуре плавления. Минимальные значения TKl характерны для тугоплавких металлов, которые используют для вакуум-плотных спаев со стеклом, керамикой и другими диэлектрическими материалами.

Хрупкость – это способность материалов разрушаться при приложении резкого динамического усилия. У таких хрупких материалов явление пластической деформации не наблюдается, т.е. разрушение образца происходит при равенстве предела текучести σt и предела прочности при растяжении σр. Значения относительного удлинения и относительного сужения для хрупких материалов близки к нулю. К хрупким материалам относят стекло, керамику, фарфор, хром, марганец, кобальт, вольфрам.

Прочность – это способность материала сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь. Прочность определяют с помощью статического воздействия на материал на специальных испытательных установках, называемых разрывными машинами. Для испытания на растяжение изготавливают образцы в виде круглых стержней или пластин строго установленных размеров. Образцы закрепляют в зажимах разрывной машины и прикладывают к ним растягивающую нагрузку.

Усталость – это разрушение материала под действием небольших повторных или знакопеременных нагрузок (вибраций). Такие нагрузки испытывают, например, контакты, пружины. Под действием многократных повторно-переменных (изменяющихся только по значению) и знакопеременных нагрузок (сжатие и растяжение) металл разрушается при напряжениях, значительно меньших чем предел прочности, т.е. наступает усталость. Свойство металла выдерживать, не разрушаясь, большое число повторных или знакопеременных напряжений называется выносливостью.

5.2.2. Физико-химические свойства. К физико-химическим свойствам относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, электропроводность, магнитные свойства, поглощение газов, коррозионную стойкость и др. Физико-химические свойства оценивают удельным электрическим сопротивлением ρ, удельной электрической проводимостью γ, температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления TKρ и коэффициентом теплопроводности.

По плотности металлы разделяются на легкие и тяжелые. К легким относят те металлы, плотность которых меньше 5 Мг/м3. Одним из наиболее легких металлов считается натрий, плотность которого меньше плотности воды. К тяжелым относят подавляющее большинство металлов, используемых в технике (железо, медь, никель, олово и др.). Удельное электрическое сопротивление для образцов правильной формы:

 

, (3.1)

 

где R – сопротивление образца, Ом; S – площадь поперечного сечения образца, м2; l – длина образца, м.

Величину ρ измеряют в Омах на метр (Ом·м), однако для практических целей 1 Ом·м слишком большое значение, поэтому этот параметр чаще всего выражают в более мелких единицах, например в микроомах на метр. Сопротивление проводников Rs на высоких частотах существенно больше их сопротивления на постоянном токе вследствие того, что высокочастотное поле проникает в проводник на небольшую глубину. Чем выше частота поля, тем на меньшую глубину оно проникает в проводник. Это явление получило название поверхностного эффекта. За глубину проникновения тока в проводник на данной частоте условно принимают глубину, на которой плотность тока уменьшается в 2,7 раза по сравнению

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Корреляционная зависимость | Перспективы применения сверхпроводников
Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-07; Просмотров: 799; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.413 сек.