ЭМИИ 1 лек. Лекция 1 Общие понятия и термины. Основные понятия. Классификация электротехнических материалов
 Скачать 0.99 Mb.
|
Электротехнические материалы и изделияЛекция 1: Общие понятия и термины . Основные понятия. Классификация электротехнических материалов. Исполнитель ст. пр. Мукашева Р.Т. r.mukasheva@aues.kz Литература 1. Серебряков А.С. Электротехническое материаловедение. Электроизоляционные материалы. – М.: Маршрут, 2005. – 280 с. 2. Суюндукова Б.К., Тугерова Г.Б, Арапова Г.Б., Келазев А.В. Электротехнические материалы Учебное пособие. — Астана: НАО Холдинг Кəсіпқор, 2018. — 150 с. 3. Алиев И.И. Электротехнические материалы и изделия: Справочник. – М.: Academia, 2005 – 270 с. 4. Бекмагамбетова К.Х. Электротехническое материаловедение. –Алматы: «Ғылым», 2001.-256 с 5. Привалов Е.Е. Электротехническое материаловедение Учебное пособие. — Москва; Берлин: Директ-Медиа, 2015. — 234 с. 6. Клюжев , В. Скворцов , М. Кайырбаев; под ред. Г. Г. Бондаренко. - 2-е изд., перераб. и доп. - Астана : Фолиант, 2017. - 224 с. 7. Амиров Ж.Х., Бекмагамбетова К.Х. Электротехническое материаловедение. Алматы, АИЭС. 2009. Курс «Электротехнические материалы и изделия» включает в себя:
МАТЕРИАЛЫ КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ прочность МАГНИТНЫЕ сильномагнитные слабомагнитные ПРОВОДНИКИ ПОЛУПРОВОДНИКИ ДИЭЛЕКТРИКИ Основные понятия об электроматериалах. Классификация. Электротехническими называются материалы, которые характеризуются определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяются в технике с учетом этих свойств. По поведению в электрическом поле материалы делятся на следующие виды: По поведению в магнитном поле материалы делятся на Физической константой, характеризующей материалы в электрическом поле, является удельное сопротивление r, в магнитном поле – магнитная проницаемость µ. диэлектрики или электроизоляционные материалы полупроводниковые; проводниковые диамагнетики парамагнетики ферромагнетики Диэлектрики - вещества с высоким удельным сопротивлением r. Они используются в качестве электроизоляционных материалов. Их назначение - разделять электрические цепи друг от друга, изолировать проводящие, но не токонесущие части от токонесущих частей. В конденсаторах диэлектрические материалы служат для создания заданной емкости. Активные диэлектрики - отличаются от обычных диэлектриков (электроизоляционных материалов) тем, что их свойствами можно управлять. Они могут служить для генерации, усилия, модуляции, преобразования электрических сигналов. К ним относятся: материалы для лазеров и мазеров, сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электрооптические и нелинейно оптические материалы, электреты и др. Полупроводниковые материалы применяются в тех случаях, когда их проводимость g управляется и изменяется напряжением, температурой, освещением и другими факторами. Из этих материалов изготавливают диоды, транзисторы, термисторы, фоторезисторы и другие полупроводниковые приборы. Проводниковые материалы служат в качестве проводников электрического тока. Они обладают малым удельным сопротивлением r. К ним относятся также сверхпроводниковые и криопроводниковые материалы, r которых при очень низких температурах (криогенных) весьма мало, и материалы высокого сопротивления, применяемые для изготовления резисторов, нагревательных элементов и др. Магнитные материалы обладают способностью намагничиваться, а некоторые из них сохраняют намагниченность и после прекращения действия магнитного поля. Из них изготавливают сердечники катушек индуктивности и трансформаторов, магнитные системы электрических машин, запоминающие устройства, постоянные магниты и т.д. Основы строения вещества. Типы химической связи и ее влияние на свойства материалов Вещества с разными типами связей резко различаются по электрическим и другим свойствам. Существуют следующие типы химических связей между частицами вещества: ионные, атомные (или ковалентные), металлические и молекулярные. Ионные связи обусловлены кулоновским притяжением противоположно заряженных ионов. Такие связи присущи неорганическим диэлектрикам, имеющим в своем составе ионы противоположных знаков, например: Na + — Cl- Li+ — F- Виды химической связи Атомные (ковалентные) связи возникают путем образования общих пар валентных электронов - по одному от каждого атома. Такой вид связи имеют: кристаллы Ge , Si , C (алмаз); соединения SiC, BN; газы H 2, O2, N2, Cl2;; молекулы многих органических соединений, например (С2 H4)n – полиэтилен, (С2 F4)n – политетрафторэтилен. Ковалентная связь. Это связь атомов друг с другом за счет электронов, которые становятся общими для этой пары атомов Схематическое изображение строения атома и молекулы водорода: а – квантовомеханическая модель электронной структуры изолированных атомов водорода; б – квантовомеханическая модель электронной структуры молекулы водорода Металлические связи - связи между положительно заряженными ионами металла и образуемыми в результате отрыва от атомов коллективизированными валентными электронами. «Электронный газ» оказывает цементирующее действие на кристаллическую структуру металлов и определяет их высокую электропроводность и теплопроводность. ○ - Атомный остов ● - Электрон Молекулярные связи существуют между отдельными молекулами за счет электростатического притяжения имеющимися в них зарядами противоположных знаков (силы Ван-дер-Ваальса). Такая связь существует у ряда веществ между молекулами с ковалентными внутримолекулярными связями. Межмолекулярное притяжение в этом случае обуславливается согласованным движением валентных электронов в соседних молекулах. Схема строения металлического проводника Твердые тела обладают упругостью формы, т.е. способностью сохранять при неизменной температуре форму и размеры. Они необходимы для производства проводников, диэлектриков, полупроводников, пьезоэлектриков, сегнетоэлектриков и магнитных материалов. Жидкие тела, характеризуются, с одной стороны, наличием определенного объема, а с другой - отсутствием определенной формы. Первое обстоятельство сближает их с твердыми телами, второе - с газами. Важнейшей особенностью жидкостей является сильное межмолекулярное взаимодействие, делающее жидкости практически несжимаемыми Давление внутри жидкости распространяется равномерно во всех направлениях (закон Паскаля). Газы - обширный класс веществ, находящихся в таком физическом состоянии, когда силы, действующие между громадным большинством частиц, очень малы, вследствие этого и при отсутствии внешних (сжимающих) сил, газы равномерно распределяются по всему доступному объему, приобретая соответствующую плотность. Кроме этих 3-х основных агрегатных состояний вещества, имеются переходные агрегатные состояния между жидкими и твердыми: вещества типа воска, парафина, гудрона и др., а также между жидкостями и газами: пары жидкостей. Агрегатное состояние вещества Аморфные и кристаллические структуры Твердые материалы по структуре могут быть монокристаллическими, поликристаллическими, аморфными и смешанными. Аморфное состояние - состояние твердых тел, в котором они обладают изотропией. Кристаллические структуры состоят из кристаллов. Кристаллы - это твердые однородные анизотропные тела, имеющие собственную форму многогранника, которые характеризуются правильным порядком в расположении атомов во всем объеме и состоят из периодически повторяющихся одинаковых элементарных кристаллических ячеек. Кристаллическая структура твердых тел. Кристаллы обладают наиболее высоким порядком как ближнего (в пределах элементарной ячейки) так и дальнего (на больших расстояниях) расположения частиц. Геометрически возможны 14 различных пространственных кристаллических решеток, являющихся основой 6 кристаллических систем
В реальных условиях всегда есть отклонения от регулярного расположения частиц, которые называются дефектами структуры. Они используются для получения различных материалов и приборов. Атомные дефекты: вакансии (незанятые узлы решетки), смещение атома из узла решетки в междоузлие, внедрение в решетку чужеродного атома или иона. Дефекты в кристаллах Протяженные дефекты: дислокации (смещение плоскостей решетки), поры (воздушные включения), трещины, границы между кристаллитами (зернами), микровключения другой фазы. Наиболее распространенными из динамические дефектов являются фононы – временные искажения регулярности решетки, вызванные тепловым движением атомов. Дефекты кристаллической решетки а- пустой узел (вакансия); б- собственный атом в междуузлии; в - чужеродный атом Классификация веществ по электрическим свойствам. Элементы зонной теории твердого тела. Отдельные атомы какого-либо вещества имеют дискретный энергетический спектр, то есть электроны в этих атомах могут занимать лишь вполне определенные энергетические уровни. При образовании кристаллической решетки твердого тела все электронные уровни у данного типа атомов несколько смещаются из-за действия соседних атомов друг на друга, и из отдельных энергетических уровней уединенных атомов в твердом теле образуется их целая полоса – зона энергетических уровней. То есть при обменном взаимодействии электронов энергетические уровни расщепляются на «зоны» ( валентная зона, зона проводимости и запрещенная зона, в которой электроны находиться не могут). Часть электронов при энергетическом воздействии перебрасывается через запрещенную зону из валентной зоны в зону проводимости и, становясь свободными, электроны могут перемещаться под действием электрического поля, создавая электронную проводимость материала. В валентной зоне, откуда ушел электрон, образуется так называемая «дырка» – энергетическая вакансия, которая ведет себя во внешнем электрическом поле как положительный заряд, то есть двигается в противоположную от электрона сторону (по направлению поля) и в полупроводнике происходит эстафетное движение электронов, заполняющих образующиеся дырки. Электроны из зоны проводимости могут возвращаться в валентную зону, то есть рекомбинировать с дырками. Деление веществ по ширине запрещенной зоны: а, б — проводники; в — полупроводники; г — диэлектрики Самая верхняя из заполненных электронами зон – валентная зона. Ближайшая к ней незаполненная электронами зона – зона проводимости. Эти зоны отделены друг от друга запрещенной зоной, в которой электроны находиться не могут. Классификация веществ по магнитным свойствам По магнитным свойствам вещества делят на диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные. Ферромагнетики – вещества, имеющие m >> 1, относительная магнитная проницаемость зависит от напряженности магнитного поля Н. Магнитные свойства материалов обусловлены внутренними формами движения электрических зарядов, представляющих элементарные круговые токи. Ферромагнетики играют огромную роль в технике. К классическим ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт и их сплавы. Контрольные вопросы:
Спасибо за внимание! |