электрика. Электрические свойства диэлектриков Диэлектрические материалы
 Скачать 30.67 Kb.
|
|
Электрические свойства диэлектриков Диэлектрические материалы Диэлектрики - вещества, способные поляризоваться и сохранять электростатическое поле. Это широкий класс электротехнических материалов: газообразных, жидких и твердых, природных и синтетических, органических, неорганических и элементоорганических. По выполняемым функциям они делятся на пассивные и активные. Пассивные диэлектрики применяются в качестве электроизоляционных материалов. В активных диэлектриках (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики и др.), электрические свойства зависят от управляющих сигналов, способных изменять характеристики электротехнических устройств и приборов. По электрическому строению молекул различают неполярные и полярные диэлектрики. Неполярные диэлектрики состоят из неполярных (симметричных) молекул, в которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Полярные диэлектрики состоят из несимметричных молекул (диполей). Механические и тепловые свойства диэлектриков К основным механическим свойствам относят упругость, прочность и вязкость. Упругость. Под действием механических напряжений а материал деформируется. При небольших механических напряжениях выполняется закон Гука, который устанавливает линейную зависимость между механическими напряжениями о и относительной деформацией хг В этом случае после снятия нагрузок форма образца восстанавливается. Прочность. Закон Гука справедлив только до определенного значения а . С некоторого значения механического напряжения а( деформация растет быстрее, чем по линейному закону. Происходит холодное пластическое течение материала, и после снятия напряжения форма образца не восстанавливается. Напряжение а называют пределом текучести. Дальнейшее повышение механического напряжения приводит к разрушению образца при напряжении апр, которое называется пределом прочности Вязкость. Вязкость присуща материалам, которые находятся в жидком агрегатном состоянии; она характеризует сопротивление их течению Вязкость сильно уменьшается с повышением температуры. Это особенно важно для заливочных и пропиточных электроизоляционных материалов. Заливку таких материалов производят в нагретом состоянии, когда они могут быстро заполнить мельчайшие отверстия. К основным тепловым свойствам диэлектрика относят нагревостойкость, теплопроводность, тепловое расширение и холодостойкость (морозостойкость). Нагревостойкость - это способность диэлектрика функционировать при повышенных температурах или при резкой смене температур без недопустимого ухудшения его свойств. Нагревостойкость определяется той температурой, при которой происходит недопустимое изменение эксплуатационных характеристик диэлектрика. Теплопроводность - это способность диэлектрика проводить теплоту. Теплота, возникающая при прохождении электрического тока в проводниках, окруженных диэлектрическим изолятором, передается изолятору. Вследствие диэлектрических потерь теплота выделяется в самом изоляторе. Тепловое расширение - это свойство диэлектрика изменять свои линейные размеры под действием температуры. Тепловое расширение оценивается температурным коэффициентом линейного расширения. Холодостойкость - это способность электрической изоляции работать при низких температурах без недопустимого ухудшения эксплуатационных характеристик. Влажностные свойства диэлектриков Влажностные свойства диэлектриков определяются гигроскопичностью (влагопоглощаемостью), водопоглощаемостью и влагопро- ницаемостью. Все изолирующие материалы поглощают влагу. Интенсивность и количество проникающей в материал влаги зависят в основном от состава и строения материала. Чем выше химическое «родство» молекул воды и изоляционного материала, тем сильнее их взаимодействие и выше влагопоглощение. Нанесение лакокрасочных покрытий, пропитка лаками, маслами и компаундами, опресовка пластмассами повышают влагостойкость материала, но полностью не исключают проникновения влаги в его объем Влагостойкость - это способность материала сохранять свои эксплуатационные свойства при воздействии влаги. Гигроскопичность. Электроизоляционный материал, находящийся в условиях влажности окружающей среды, постепенно поглощает влагу из воздуха. Способность материала поглощать водяные пары из окружающей атмосферы называется гигроскопичностью. Водопоглощаемость - это способность материала поглощать воду. Влагопроиицаемость. Большое практическое значение при оценке защитных покрытий имеет влагопроиицаемость, т.е. способность материала пропускать сквозь себя пары воды. Большинство материалов пропускают воду, только для стекол, хорошо обожженной керамики и металлов влагопроиицаемость равна нулю. физико-химические свойства диэлектриков К основным физико-химическим свойствам относят кислотное число, растворимость, химостойкость, светостойкость и радиационную стойкость. Кислотное число определяется количеством миллиграммов (мг) едкого кали (КОН), необходимого для нейтрализации свободных кислот, содержащихся в 1 г диэлектрика. Оно определяется у жидких диэлектриков, компаундов, лаков. Растворимость. Различные материалы при соприкосновении друг с другом в процессе изготовления или эксплуатации изделий могут частично или полностью проникать друг в друга. Такой переход называют растворимостью. Светостойкость. Способность материалов сохранять свои эксплуатационные характеристики под действием светового облучения называется светостойкостью. Радиационная стойкость - способность диэлектрика сохранять свои эксплуатационные характеристики при воздействии ионизирующего излучения называется радиационной стойкостью. Полимеры В качестве органических диэлектриков в промышленности применяют как природные, так и синтетические полимеры, которые получают методом химического синтеза. Часто их называют смолами. Линейные полимеры представляют собой сочетание звеньев одной определенной структуры. Линейные полимеры относят к термопластичным материалам. Пространственные полимеры относятся к термореактивным материалам По тепловым свойствам полимеры подразделяют на термопластичные и термореактивные. Термопластичные материалы (термопласты) характеризуются тем, что нагревание до температуры, соответствующей пластическому состоянию, не вызывает необратимых изменений их свойств. Они тверды при достаточно низких температурах, но при нагревании становятся пластичными и легко деформируются. В термореактивных (термоотверждающихся)материалах при достаточной выдержке при высокой температуре происходят необратимые процессы, в результате которых они теряют способность плавится и растворяться, становясь твердыми и механически прочными. Полистирол - твердый прозрачный материал, неполярный диэлектрик с высокими электроизоляционными свойствами. Полистирол - один из лучших высокочастотных диэлектриков. Он применяется для изготовления каркасов индуктивных катушек, корпусов радиоприемников и телевизоров, плат переключателей, для изоляции кабелей и конденсаторов. Полиэтилен - твердый белый или светло-серый материал без запаха, неполяѐрный диэлектрик, полученный в результате реакции полимеризации газа этилена. Благодаря высоким электроизоляционным свойствам полиэтилен широко применяется как конструкционный материал для изготовления каркасов катушек, деталей, работающих в цепях высокой частоты. Полипропилен - линейный неполярный полимер, полученный полимеризацией газа пропилена аналогично полимеризации этилена низкого давления. Поливинилхлорид (ПВХ) - белый мелкодисперсный порошок. Линейный полярный полимер, полученный в результате полимеризации газообразного мономера винилхлорида в присутствии эмульгаторов (желатина, поливинилового спирта) и инициаторов (перекиси водорода, перекиси ацетилена). Винипласт - твердый, не содержащий пластификатора полимер, который получают горячим прессованием порошкообразного или пленочного поливинилхлорида. Пленки из винипласта применяют для изоляции водопогруженных электродвигателей, разделения катодных и анодных пластин, в аккумуляторных батареях и другой электрической аппаратуре, работающей в условиях повышенной влажности и воздействия кислот. Полиметилметакрилат (оргстекло, плексиглас) - прозрачный бесцветный материал, полярный диэлектрик, который получают в результате полимеризации эфиров метакриловой кислоты. Электроизоляционные пластмассы Пластические массы (пластмассы) объединяют группу твердых или упругих материалов, которые состоят полностью или частично из полимерных соединений и формуются в изделия методами, основанными на использовании их пластических деформаций. Пластмассы получают на основе различных натуральных и искусственных смол, они успешно заменяют металлы, фарфор, каучук, стекло, шелк, кожу и другие материалы. В большинстве случаев пластмассы состоят из связующего вещества и наполнителя. В их состав вводят пластификаторы, стабилизаторы и красители. Электроизоляционные материалы на основе каучуков Полимеры, которые при нормальной температуре подвержены большим обратимым деформациям растяжения (до многих сотен процентов), называются эластомерами. Эластомерами являются все каучуки и резины. На основе каучука получают также твердые резины, которые имеют относительное удлинение на разрыв всего несколько процентов (2...6%). Такими являются пластмассы на основе каучука Каучуки бывают натуральные и искусственные (синтетические). Натуральный каучук (НК) получают из млечного сока (латекса) тропических растений гевеи, каучуконосных кустарников и др. Лаки, эмали и компауды Лаки - это коллоидные растворы пленкообразующих веществ в соответствующих летучих растворителях. Основными составляющими лака являются: - пленкообразующие вещества, способные давать пленку (растительные высыхающие масла, смолы, битумы, эфиры целлюлозы, полиэфирные и кремнийорганические соединения); - растворители (бензол, толуол, спирт, сероуглерод, ацетон и др.); пластификаторы - вещества, придающие пленке пластичность (касторовое масло); - сиккативы - твердые или жидкие вещества, которые вводятся в некоторые лаки для ускорения высыхания; красители; - разжижжители, добавляемые в лак для получения консистенции в соответствии с требованиями технических условий (лаковый керосин, бензин, скипидар). При сушке лака растворитель улетучивается, а пленкообразователь в результате химических реакций переходит в твердое состояние, образуя лаковую пленку. По режиму сушкиэлектроизоляционные лаки делят на лаки холодной и горячей сушки. Стекло Стекла - твердые неорганические аморфные вещества, представляющие собой сложные системы различных оксидов, атомы которых не могут свободно перемещаться друг относительно друга. Иногда такое состояние вещества называют стекловидным. Как и другие аморфные материалы, стекла не имеют резко выраженной температуры плавления. При нагревании вязкость стекла уменьшается и оно постепенно переходит в жидкое состояние. Стекло получается при быстром охлаждении расплавленной смеси оксидов (стекломассы). В этом случае молекулы не успевают образовывать кристаллическую решетку и остаются закрепленными в случайных положениях в момент повышения вязкости. Изделия из стекла подвергаются отжигу для устранения механических напряжений, которые возникают в стекле при быстром и неравномерном его остывании. В процессе отжига изделие нагревают до определенной температуры, а затем медленно охлаждают. Свойства стекол меняются в широких пределах в зависимости от их состава и режима тепловой обработки. К основным параметрам, характеризующим стекла, относят плотность, механическую прочность, твердость, электрические и тепловые свойства, химическую стойкость. Керамика и слюда Керамика - твердый плотный материал, который получают спеканием неорганических солей с минералами и оксидами металлов В качестве исходных материалов используют непластичные кристаллообразующие компоненты и пластичные компоненты. К кристаллообразующим компонентам относят неорганические соли (хлористый алюминий, хлористое железо, хлористый магний и др.), минералы (кварц, глинозем и тальк), а также карбонаты. К пластичным компонентам относят различные глинистые материалы. Глина является необходимым компонентом при изготовлении большинства изделий из керамики. Общее название всех видов изделий из обожженной глины происходит от греческого слова «keramos» - глина. Керамические материалы представляют собой многофазовую систему, состоящую из кристаллической, аморфной или стекловидной и газовой фаз. Для обеспечения высоких изоляционных свойств желательно иметь только кристаллическую фазу. Но аморфная составляющая играет исключительно важную роль в технологическом процессе изготовления керамических изделий. Вследствие сложных реакций она цементирует отдельные зерна исходного порошка и обеспечивает материалу необходимую механическую прочность. Керамические материалы обладают нагревостойкостью, влагостойкостью, механической прочностью, высокими диэлектрическими свойствами, стабильностью и надежностью параметров при эксплуатации, возможностью получения заранее заданных электрофизических параметров материала. Жидкие диэлектрики Жидкие диэлектрики представляют собой низкомолекулярные вещества органического происхождения, которые бывают полярными и неполярными. Их электрофизические свойства в значительной степени зависят от строения молекул и наличия примесей. Примеси образуются при окислении и разложении углеводородных фракций, при поглощении воды и попадании частичек волокнистых материалов. В качестве жидких электроизоляционных материалов в электротехнических устройствах используют нефтяные (минеральные) масла (трансформаторное, кабельное, конденсаторное), синтетические жидкие диэлектрики (хлорированные углеводороды, кремний- и фторорганические жидкости, сложные эфиры различных типов) и растительные масла. К жидким диэлектрикам относят нефтяные электроизоляционные масла (трансформаторное, кабельное, конденсаторное), синтетические жидкие диэлектрики (хлорированные углеводороды, кремнийорганические жидкости, фторорганические жидкости). Основные характеристики магнитных материалов Магнитные свойства материалов характеризуются петлей гистерезиса, кривой намагничивания, магнитной проницаемостью, потерями энергии при перемагничивании. При циклическом изменении напряженности постоянного магнитного поля от 0 до +Н, от + Н до -Н и снова от-Н до + Н кривая изменения индукции (кривая перемагничивания) имеет форму замкнутой кривой - петли гистерезиса. Для слабых полей петля имеет вид эллипса (рис. 4.1). При увеличении значения напряженности магнитного поля Н получают серию заключенных одна в другую промежуточных петель гистерезиса. Когда все векторы намагниченности доменов сориентируются вдоль направления поля, процесс намагничивания закончится состоянием технического насыщения намагниченности материала. Петлю гистерезиса, полученную при условии насыщения намагничивания, называют предельной петлей гистерезиса. Она характеризуется максимально достигнутым значением индукции Bs, называемым индукцией насыщения. При уменьшении напряженности магнитного поля от + Н до 0 магнитная индукция сохраняет остаточную индукцию Вс. Чтобы получить остаточную магнитную индукцию, равную нулю, необходимо приложить противоположно направленное размагничивающее поле определенной напряженности -Нс. Отрицательная напряженность магнитного поля -Нс называется коэрцитивной силой материала. При достижении напряженности магнитного поля значения -Я, а затем 0 вновь возникает остаточная индукция -Вс. Если повысить напряженность магнитного поля до + Нс, то остаточная магнитная индукция Вс будет равна 0. Магнитомягкие и магнитотвердые материалы Электроматериалы, применяемые в технике с учетом их магнитных свойств, разделяют на магнитомягкие и магнитотвердые. Термины «магнитомягкие» и «магнитотвердые» не относятся к механическим свойствам материала. Некоторые механически твердые материалы являются магнитомягкими, а механически мягкие материалы могут относиться к магнитотвердым. Основанием для деления магнитных материалов на магнитомягкие и магнитотвердые являются следующие особенности. Процессы намагничивания материалов обеих групп протекают одинаково: на первом этапе происходит смещение границ доменов, на втором - вращение магнитных моментов доменов в направлении намагничивающего поля, на третьем - парапроцесс. Согласно кривой намагничивания смещение границ доменов требует меньших энергетических затрат, чем процессы вращения магнитных моментов и парапроцесс. В магнитомягких материалах намагничивание происходит в основном за счет смещения границ доменов. Магнитотвердые материалы намагничиваются преимуществено за счет вращения векторов намагничивания и парапроцесса. Форма петли гистерезиса обеих групп материалов, индукция насыщения Bs и остаточная индукция Вс примерно одинаковы, однако разница в коэрцитивной силе Нс достигает очень большого значения. Основные характеристики полупроводниковых материалов Для полупроводников характерна большая зависимость проводимости от температуры, электрического поля, освещенности, сжатия и т.д. В отличие от проводников они имеют не только электронную, но и так называемую дырочную проводимость. В качестве полупроводниковых материалов выступают германий, кремний. Управляемость электропроводностью проводников посредством температуры, света, электрического поля, механических усилий положена в основу принципа действия соответственно терморезисторов (термисторов), фоторезисторов, нелинейных резисторов (варисторов), тензорезисторов и т. д. Все полупроводниковые материалы могут быть распределены по кристаллической структуре на две группы. Изделия из полупроводниковых материалов Изделия из полупроводниковых материалов называют полупроводниковыми элементами или приборами. По характеру выполняемой ими работы в электротехнических устройствах они весьма многообразны. К ним в первую очередь относятся полупроводниковые выпрямители (диоды) и усилители (триоды). Работа полупроводникового выпрямителя иллюстрируется его вольтамперной характеристикой, представленной на рис. 5.1. Она показывает, что при малых величинах напряжения (до 0,8В) прямой ток Iпр пропускаемый выпрямителем достигнет сравнительно больших величин (больше 100мА). При приложении к выпрямителю обратного напряжения (Uобр), когда плюс батареи присоединен к п-полупровднику, а минус – к р-полупроводнику, полупроводниковый выпрямитель практически тока не пропускает до величины обратного напряжения примерно 20В. Только, начиная с 20В обратного напряжения, р-п-переход начинает пропускать очень малые величины тока (микроамперы) обратного тока Iобр. Если же увеличивать обратное напряжение (Uобр), то обратный ток с некоторого момента начнет возрастать и может достигнуть такой величины, при которой произойдет пробой р-п-перехода |