ответы ЭТМ. Роль электротехнических материалов
 Скачать 1.55 Mb.
|
43. Сплавы на основе меди. Бронза. Латунь. С 130Сплавы меди. Цель создания сплавов из меди, в первую очередь, повышение механической прочности. Наиболее распространенными сплавами меди являются: бронза; латунь; медно-никелевый сплав. Различают две группы медных сплавов: латуни– сплавы меди с цинком, бронзы – сплавы меди с другими (кроме цинка) элементами. Механические свойства бронзы: предел механической прочности при разрыве σр = 800 – 1100 МПа; относительное удлинение ( l ∆l ) бронзы меньше, чем меди. Электрические свойства: удельное электрическое 130 сопротивление при 20 °С равно (10 – 26)·10- 8 Ом·м, т. е. больше, чем у меди. Бронза бывает по химическому составу разных типов. Некоторые из бронз перечислены ниже: оловянная бронза (Cu + Sn); бериллиевая бронза (Cu + Be) применяется для изготовления электрических контактов, так как хорошо пружинит и не искрит; кадмиевая бронза (Cu + Cd). Эта бронза так же, как и бериллие- вая, используется в электрических контактах. Бронзы обладают высокой стойкостью против коррозии, хорошими литейными и высокими антифрикционными свойствами и обрабатываемостью резанием. Малый коэффициент трения и устойчивость к износу делает бронзы незаменимыми при изготовлении вкладышей подшипников Применение бронзы: изготовление конструкционных изделий с высокой механиче- ской прочностью, в том числе коллекторных пластин для электриче- ских машин и пружинящих электрических контактов; изготовление скульптур, колоколов и различных предметов ин- терьера. Латунь — сплав, состоящий из Cu и (10 - 40) % Zn (обычно ме- ди в латуни содержится порядка 65 %). Латуни могут иметь в своем составе до 45 % цинка. Повышение содержания цинка до 45 % приводит к увеличению предела прочности до 450 МПа. Максимальная пластичность имеет место при содержании цинка около 37 %. Когда меди в соединении больше 80 %, то такой сплав называется «томпáк». В латунь вводят следующие добавки: порядка 1 – 2 % алюминия (алюминиевая или морская латунь), олово, свинец и др. Механические свойства латуни: предел механической прочности на разрыв σр = 800 – 900 МПа. Электрические свойства: удельное электрическое сопротивление при 20 °С равно (4 – 33)·10- 8 Ом·м. Латунь, несмотря на высокую прочность, обладает относительно высокой пластичностью, поэтому из нее делают фасонные изделия (изделия сложной конфигурации), например, СВЧ волноводы, пред- назначенные для передачи электромагнитной энергии сверхвысокой частоты. СВЧ волноводы могут быть прямоугольной, круглой и Н-образной формы. 44. Полные потери энергии в диэлектрике. Эквивалентные схемы замещения диэлектрика с потерями.Потери энергии в диэлектрикахКогда в диэлектрике происходят процессы поляризации, через него протекает электрический ток, вызванный этими процессами, поскольку при поляризации перемещаются электрические заряды. Ток, сопутствующий электронной поляризация, протекает в очень малые промежутки времени и может считаться мгновенным. Он получил название тока смещения (/см). Другие же виды поляризации (дипольная, объемно-зарядная) осуществляются в большие промежутки времени. Электрический ток, вызванный этими видами поляризации, называется током абсорбции (/абс). Кроме этих двух токов, через каждый диэлектрик проходит еще ток проводимости (/пр). Таким образом, в диэлектрике под действием приложенного напряжения протекает общий ток, состоящий из трех отдельных токов: I =/см+/абс + /пр. Изменение этого тока в зависимости от времени его протекания (т) в диэлектрике (с момента приложения постоянного напряжения) показано на рис. 17.5. В первый момент приложения напряжения величина тока значительно больше, чем спустя некоторое время, когда в диэлектрике остается лишь ток проводимости (/пр). Это объясняется тем, что ток смещения и ток абсорбции быстро прекращаются, так как они были вызваны быстро заканчивающимися поляризациями. Так обстоит дело при постоянном напряжении. Если же диэлектрик включить под переменное напряжение, то все эти три тока будут протекать через диэлектрик в течение всего времени, пока он будет находиться под переменным напряжением. Все три тока в диэлектрике можно наглядно изобразить в виде векторной диаграммы, показанной на рис. 17.6. Здесь напряжение Uотложено в виде горизонтально расположенного вектора, ток смещения /см (как опережающий напряжение на полпериода, 90°) изображается вектором, перпендикулярным к вектору напряжения U. Поскольку ток абсорбции не является мгновенным, он изображается вектором /aдс , который тоже опережает вектор напряжения U, но меньше чем на полпериода. Ток же проводимости /пр совпадает по времени (по фазе) с напряжением U. Пользуясь правилом геометрического сложения векторов, сложим три тока, перенося векторы Iабс и Iпр параллельно самим себе. В результате сложения получим общий ток в диэлектрике в виде вектора /об (рис. 60). Угол между векторами общего тока /об и напряжения U обозначают греческой буквой φ (фи) и .называют углом сдвига фаз. Угол, дополняющий φ до 90°, т. е. угол между общим током /об и током смещения /см, обозначают греческой буквой б (дельта) и называют углом диэлектрических потерь.   Рис. 17,5. Изменение тока в диэлектрике от времени приложения постоянного напряжения. Рис. 17.6. Векторная диаграмма токов в диэлектрике под переменным напряжением. Из векторной диаграммы токов (рис. 17.6) находим, что Ia/ Ip = tgδ Из этого соотношения следует, что величина активного тока в диэлектрике: Ia=Iptgδ. Формула для подсчёта активной мощности имеет вид: Ра = U2ωC tgδ, вт (16), где ω – круговая частота = 2πf; f – частота переменного тока. Из этой формулы (16) следует, что при заданной величине напряжения, его частоте и емкости потери энергии в изоляции 6yдут зависеть от значенияtgδ. Диэлектрические потери представляют собой часть энергии электрического поля, которая превращается в диэлектрике в теплоту и нагревает его. При частотах свыше 20 кГц величина потерь становится одним из самых важных параметров диэлектрика. Для определения потерь диэлектрика удобно рассматривать как конденсатор в цепи переменного тока. У идеального конденсатора угол сдвига фаз между током и напряжением равен 90°, поэтому активная мощность равна нулю. Диэлектрик не является идеальным конденсатором, и угол сдвига фаз у него меньше 90° на угол δ. Этот угол называется углом диэлектрических потерь. Тангенс угла δ и диэлектрическая постоянная ε характеризуют удельные потери (на единицу объема диэлектрика), Вт/м3: Р= kE2f ε tg δ , Где k - коэффициент; Е - напряженность электрического поля, В/м; f - частота поля, Гц. Произведение εtgδ называют коэффициентом диэлектрических потерь. По величине tg δдиэлектрики подразделяют на низкочастотные (tg δ = 0,1-0,001) и высокочастотные (tg δ< 0,001). К основным источникам потерь диэлектрика относятся его поляризация и электропроводимость, ионизация газов в имеющихся порах и неоднородность структуры из-за примесей и включений. Величина tgδназывается тангенсом угла диэлектрических потерь, т.к. она определяет величину активной мощности, теряемой в диэлектрике, работающем под переменным напряжением. Эта величина является электрической характеристикой каждого диэлектрика. Для современных электроизоляционных материалов tgδ находится в пределах от 0,0001 до 0,05. Чем меньше значение tgδ, тем лучше диэлектрик, т.к. в нём будут меньшие потери энергии. Последние же могут вызывать нагрев диэлектрика и преждевременное его разрушение. Величина tgδ, как и величина диэлектрической проницаемости ε зависит от температуры диэлектрика и частоты приложенного переменного напряжения. На рис. 17.7 показан общий вид зависимости tgδ от температуры для полярного и нейтрального диэлектриков. С увеличением температуры облегчается поворот полярных молекул ( диполей) в результате снижения вязкости диэлектрика, т.е. ослабления сил взаимодействия между полярными молекулами. На этот поворот всё увеличивающегося числа полярных молекул расходуется энергия, и величина tgδ возрастает. Достигнув наибольшей величины (точка а на кривой), tgδ начинает уменьшаться, потому что дальнейшее повышение температуры усиливает хаотическое тепловое движение полярных молекул и тем самым затрудняет их поворот в электрическом поле. Поэтому величина tgδ падает до наименьшей величины (точка b), Затем вновь происходит увеличение tg δ, но это вызвано увеличением тока проводимости (/пр) в диэлектрике. Потери энергии в диэлектрике в этой области температур происходят вследствие увеличения тока проводимости. В нейтральных диэлектриках с ростом температуры tg δ всё время возрастает в связи с увеличением тока проводимости в нагревающемся диэлектрике.  Рис. 17.7. Зависимость тангенса угла диэлелектрических потерь от температуры: 1 – нейтральный диэлектрик, 2 – полярный диэлектрик. Рис, 17.8. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от частоты приложенного напряжения : 1 – нейтральный диэлектрик, 2 – полярный диэлектрик Зависимость tgδ от частоты приложенного переменного напряжения для полярного и нейтрального диэлектриков представлена графиками на рис, 17.8. Здесь с увеличением частоты нарастают потери энергии а диэлектрике в результате того, что диполи чаще вынуждены ориентироваться и на это будет затрачиваться все большая энергия. Но это происходит лишь до определенной частоты fмакс , соответствующей наибольшей величине tgδ, после которой диполи уже не успевают следовать за переменным напряжением и потери энергии в диэлектрике уменьшаются. Уменьшение tgδ у нейтрального диэлектрика с ростом частоты объясняется уменьшением тока проводимостив диэлектрике, т.к. ионы не успевают за изменением направления электрического поля. Поэтому величина тока проводимости в диэлектрике с ростом частоты все время уменьшается, а вследствие этого уменьшается и мощность, затрачиваемая в диэлектрике. Это характеризуется уменьшением tgδ.  Для изучения диэлектрических потерь какого-либо диэлектрика, необходимо рассмотреть конденсатор с этим материалом в цепи переменного напряжения. Реальный конденсатор имеет некоторую емкость C, в нем рассеивается некоторая мощность Р, а угол сдвига фаз между током и напряжением равняется φ. Эквивалентная схема реального конденсатора будет содержать идеальный конденсатор, и активное сопротивление, включенное параллельно или последовательно с конденсатором. По этому признаку рассматривают два вида эквивалентной схемы: параллельную и последовательную схемы. Параметры этих эквивалентных схем должны быть выбраны так, чтобы расходуемая в них активная мощность была равна мощности потерь Р, а ток опережал бы напряжение на угол φ.Последовательная схема замещения диэлектрика изображена на рис. 4.2. Активная составляющая напряжения Ua совпадает по фазе с током, реактивная составляющая напряжения Ur отстает от тока на угол 90 град. Если напряжения в треугольник напряжений разделить на модуль вектора тока I, то получим треугольник сопротивлений, 3.2, в. Из треугольника сопротивлений получаем  Величина рассеиваемой мощности для последовательной схемы замещения:  (1)Параллельная схема замещения диэлектрика и векторная диаграмма токов в ней изображены на рис. 4.3.  Из треугольника токов определим выражение для tgδ. (2)Для параллельной схемы замещения величина рассеиваемой мощности равна  (3)Выражения для рассеиваемой мощности согласно формулам (1) и (3) не совпадают. Это связано с тем, что эквивалентные схемы вводятся условно, не объясняя полностью механизма диэлектрических потерь. Так как рассеиваемая в диэлектрике мощность не может зависеть от выбранной схемы замещения, то различаться будут параметры разных схем замещения. Емкости и активные сопротивления параллельной и последовательной схем замещения связаны между собой выражениями:  Для высококачественных диэлектриков квадрат тангенса угла диэлектрических потерь пренебрежимо мал по сравнению с единицей и параметры схем замещения совпадают. Однако для случая диэлектриков с высоким значением tgδ параметры схемы замещения становятся зависящими от выбора того или иного типа схемы замещения. А вот величина tgδ для диэлектрика от выбранной схемы замещения не зависит. Но этот показатель зависит от природы материала, частоты приложенного напряжения и температуры окружающей среды. Таким образом, следует понимать, что схема замещения диэлектрика является нелинейной, параметры ее элементов существенно зависят от температуры и частоты приложенного напряжения. Из формулы (2) следует, что рассеиваемая в диэлектрике мощность пропорциональна квадрату приложенного напряжения и его частоте, а также зависит от диэлектрической проницаемости, определяющей емкость диэлектрика, и tgδ материала. Диэлектрические потери существенно возрастают для диэлектриков, работающих в установках высокого напряжения или повышенной частоты. Эти потери вызывают дополнительный нагрев изоляции, ограничивая тем самым допустимые режимы нагрузки оборудования по току. Вспомним классы нагревостойкости оборудования. 45. Диэлектрические стекла. Ситаллы. Диэлектрические стекла – сложные системы оксидов квазиаморфной структуры, обладающие термопластическими свойствами. Основа стекла – оксид стеклообразователь, который при охлаждении расплава не должен кристаллизоваться.
Название класса определяется названием основного стеклообразующего оксида: Силикатные (на основе SiO2) Германатные (на основе GeO2) Боратные (на основе B2O3) Фосфатные (на основе Р2О5) Силикатные стекла являются наиболее важным для техники классом, так как обладают высокой химической устойчивостью и являются недорогими, потому что содержат самые распространенные в Земной коре элементы. Диэлектрические свойства силикатных стекол лежат в очень широком диапазоне, т.к. зависят от состава и технологии получения стекла. Кварцевое стекло (100 % SiO2). Температура получения этого стекла 1700 – 2000 °С. Основу микрокристаллической структуры кварцевого стекла составляют кремнекислородный тетраэдр [SiO4]4-. Эти тетраэдры, соединяясь друг с другом через кислородные ионы, образуют сплошные трехмерные сетки. Дальний порядок (строгая периодичность) в расположении тетраэдра отсутствует, что является признаком аморфного тела. Кварцевые стекла обладают рядом высочайших свойств: 1. У них минимальный из всех известных веществ температурный коэффициент линейного расширения , меньше в 10 – 20 раз, чем у остальных. 2. Обладают очень высоким пределом прочности на сжатие, в 4 – 5 раз выше, чем у остальных стекол. 3. Высокий предел прочности при растяжении. 4. Высокая стойкость к тепловым импульсам. 5. Высокая химическая стойкость. Благодаря этому свойству эти стекла получили широкое применение в технологии получения чистых веществ, из них изготавливают различные реакторы, ампулы, тигли. 6. Высокая прозрачность для излучения инфракрасной и ультрафиолетовой областей светового диапазона, до длины волны порядка 4 мкм, поэтому являются ценным оптическим материалом (линзы, призмы и т.д.). 7. По электрическим свойствам относятся к хорошим высокочастотным диэлектрикам, у них ε = 3,8; tgδ = 2·10-4 (на частоте 106 Гц); ρv > 1016 Ом. Для улучшения технологических характеристик в состав стекол вводят оксиды щелочных металлов, при этом существенно снижаются электрические свойства, что связано с изменением структуры материала (происходит разрыхление пространственной сетки (обрыв связей) и образование тупиковых ветвей).  Разрыхление кислородного каркаса вызывает понижение температуры размягчения стекла, с другой стороны слабосвязанные щелочные ионы под действием теплового движения могут срываться с мест закрепления и перемещаться из одной ячейки сетки в другую, при этом усиливается ионно-релаксационная поляризация (рост tgδ и ε) и одновременно уменьшается ρv материала. Изменение электрических свойств стекла зависит от радиуса щелочного иона (чем меньше радиус иона, тем больше его подвижность). Ион натрия имеет меньший размер, чем ион калия, следовательно, отрицательное влияние оксида натрия (Na2O) сильнее. При одновременном присутствии оксида натрия и оксида калия (K2O) электрические свойства стекла могут быть значительно лучше, чем при присутствии одного из оксидов – полищелочной эффект (нейтрализующий эффект). Стекла, содержащие в больших количествах окислы тяжелых металлов (титан, свинец и т.д.). Эти стекла характеризуются малыми диэлектрическими потерями, т.к. атомы многовалентных металлов, встраиваясь в структурную сетку стекла, не образуют тупиковых ветвей и, более того, становясь в месте обрыва ветвей, такие ионы могут соединять оборванные концы и укреплять пространственную сетку. |