ответы ЭТМ. Роль электротехнических материалов
 Скачать 1.55 Mb.
|
|
10. Поляризация диэлектриков. Виды поляризации. Поляризация Поляризация — процесс ограниченного смещения связанных электрических зарядов под действием электрического поля, при этом электрический момент диэлектрика становится не равным нулю. Количественной характеристикой интенсивности процесса поляризации служит дипольный момент единицы объема диэлектрика, который называется поляризованностью:  где ∆V — единичный объем диэлектрика; рi — дипольный момент i-й частицы. Для пассивных (линейных) диэлектриков поляризованность пропорциональна напряженности внешнего электрического поля:  где ε0χ — абсолютная диэлектрическая восприимчивость; χ — электрическая восприимчивость (коэффициент пропорциональности). Кроме поляризованности и напряженности электрического поля вводят еще одну векторную величину электрическое смещение (электрическую индукцию) D.  В технике, рассматривая способность диэлектриков к поляризации, используют другой безразмерный параметр относительную диэлектрическую проницаемость ε:  Относительная диэлектрическая проницаемость не является постоянной величиной и зависит от многих факторов, основными среди которых является частота электрического поля и температура. Виды поляризации В зависимости от агрегатного состояния и структуры диэлектрика существуют упругие виды поляризаций, не связанных с тепловым движением, и неупругие виды поляризаций, связанных с тепловым движением атомных частиц. Различают пять основных видов поляризации: электронная, ионная, дипольная, спонтанная и миграционная. Электронная поляризация — упругое смещение электронов в атомах и ионах под действием электрического поля. Этот вид поляризации присущ абсолютно всем диэлектрикам (так как у них всех в составе есть электроны) и является единственным видом поляризации для неполярных диэлектриков, у которых ε = 2 – 2,5. Исключительно электронную поляризацию имеют кислород, водород, азот, многие нефтяные масла и ряд синтетических жидких углеводородов. Из твердых веществ сюда можно отнести: полиэтилен, полипропилен, фторопласт-4 и другие. Процесс электронной поляризации не сопровождается потерями энергии на преодоление сил внутреннего трения в веществе. Относительная диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков не зависит от частоты электрического поля, вплоть до резонансной При росте температуры величина ε уменьшается из-за уменьшения плотности вещества, для неполярных полимеров наблюдается резкий скачок при температуре плавления  Ионная поляризация — процесс смещения ионов в узлах кристаллической решетки диэлектрика с плотной ионной упаковкой  Время установления этого процесс меньше, чем у замедленных видов поляризации, но больше, чем у электронной поляризации, так как ионы значительно больше по размерам, чем электроны. Этот вид поляризации также относится к мгновенной поляризации. Относительная диэлектрическая проницаемость веществ, характеризующихся ионной поляризацией, также не зависит от частоты вплоть до резонансной При росте температуры величина ε обычно возрастает, так как из-за уменьшения величины силы упругих связей увеличивается подвижность ионов, однако если ионная поляризация в веществе по своей значимости уступает электронной, то зависимость ε от температуры может иметь спадающий характер.  Примером веществ с этим видом поляризации являются различные виды керамических материалов, а также слюда Ионная поляризация также, как и электронная не сопровождается потерями энергии в диэлектрике. Дипольная поляризация (неупругая) обусловлена смещением (ориентацией) полярных молекул и радикалов молекул, имеющих электрические моменты, под действием внешнего электрического поля. Этот вид поляризации относится к замедленным видам или релаксационным Дипольная поляризация сопровождается потерями энергии на преодоление сил внутреннего трения в веществе, в результате этого диэлектрик нагревается. Примерами веществ с таким типом поляризации являются полярные диэлектрики, например, такие, как касторовое масло, целлюлозные диэлектрики, полиэтилентерефталат (лавсан), поливинилхлорид (ПВХ) и другие Для полярных диэлектриков до частоты равной 10^6 – 10^8 Гц величина ε практически не меняется, но, когда период изменения внешнего электрического поля становится соизмеримым со временем установления дипольной поляризации, диэлектрическая проницаемость уменьшается до значения ε, соответствующего электронной поляризации. С ростом температуры вязкость вещества падает, следовательно, подвижность диполей, сегментов и радикалов увеличивается и ε возрастает, но при достижении определенной температуры Т*, тепловое движение будет настолько велико, что оно станет мешать ориентации диполей по направлению поля и ε постепенно станет уменьшаться. Спонтанная поляризация присуща сегнетоэлектрикам, величина ε, может достигать 10000 и более. С ростом температуры относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков растет вплоть до температуры Кюри (Тк), после достижения, которой ε резко падает.  Миграционная поляризация связана с продвижением зарядов на расстояние, близкое к толщине диэлектрического слоя, она присуща веществам с неоднородной структурой (слоистые пластики и слюдосодержащие диэлектрики). В массивных диэлектриках движутся ионы, которые поочередно захватываются в объеме диэлектрика и образуют объемный заряд. Произведение среднего значения этого заряда на расстояние, близкое к толщине диэлектрического слоя, создает электрический момент и дополнительный вклад в величину относительной диэлектрической проницаемости. Таким образом, суть ми- грационной поляризации заключается в том, что происходит накопление электрического заряда на границе раздела веществ с различными диэлектрическими свойствами. 13. Электропроводность диэлектриков. Носители заряда. Электрический ток — упорядоченное перемещение в веществе свободных электрических зарядов под действием электрического поля. Таким образом, необходимым условием возникновения электропроводности в диэлектриках является наличие свободных носителей заряда. В идеальном диэлектрике не содержится свободных зарядов, т. е. все заряды связаны. В реальном же диэлектрике содержится незначительное количество свободных носителей, так как на практике в материалах неизбежны загрязнения (примеси воды, солей, кислот, щелочей и т. д.), т. е. все диэлектрические материалы способны в той или иной степени проводить электрический ток. Природа носителей зарядов в диэлектриках Природа носителей зарядов в диэлектриках различна в слабых и сильных электрических полях. Различны и механизмы электропроводности диэлектриков в разных агрегатных состояниях. В газах свободные носители возникают под действием: внешних ионизирующих факторов (космических, радиоактивных, рентгеновских излучений и высоких температур); внутренних факторов (ударная ионизация под воздействием электрического поля). В диэлектрических жидкостях электропроводность обусловлена: ионами примесей (неполярные жидкости); диссоциацией молекул самого диэлектрика (полярные жидкости); молионами (коллоидными системами), представляющими собой заряженные молекулы. В твердых веществах носителями заряда являются: ионы примесей; слабосвязанные ионы и ионные вакансии самого материала (в керамических материалах и стеклах); свободные электроны и дырки (возникают крайне редко в некоторых видах керамики и полимеров при определенных внешних воздействиях). Резюме: электропроводность диэлектриков не является величиной постоянной и зависит помимо агрегатного состояния от наличия и количества ионогенных примесей, температуры, влажности, давления, величины напряженности электрического поля и т. д. При изучении электропроводности необходимо учитывать старение электрической изоляции — необратимое ухудшение диэлектрических характеристик материала в процессе его эксплуатации. 14. Удельные объемное и поверхностное сопротивления диэлектриков. Схемы измерения. Обратной величиной удельной электропроводности является удельное объемное электрическое сопротивление ρv, численно равное сопротивлению куба из исследуемого материала с ребром 1 м, через который проходит электрический ток от одной грани куба к противоположной. Д  ля плоского образца диэлектрика величина удельного объемного сопротивления определяется:  Удельное поверхностное сопротивление ρs , численно равно сопротивлению квадрата любого размера на поверхности материала при прохождении электрического тока через две его противоположные стороны. Д  ля плоского образца диэлектрика величина удельного поверхностного сопротивления определяется:  Основной причиной появления поверхностной проводимости является влага, оседающая на поверхности диэлектрика. П  олная проводимость твердого диэлектрика, соответствующая его сопротивлению изоляции, складывается из его объемной и поверхностной проводимости. Сопротивление изоляции вычисляется по следующей формуле: Характер электропроводности существенно различен в газах, жидкостях и твердых телах. 15. Относительная диэлектрическая проницаемость. Факторы, влияющие на относительную диэлектрическую проницаемость. Относительная диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков не зависит от частоты электрического поля, вплоть до резонансной (1016 – 1017 Гц) При росте температуры величина ε уменьшается из-за уменьшения плотности вещества, для неполярных полимеров наблюдается резкий скачок при температуре плавления  Относительная диэлектрическая проницаемость веществ, характеризующихся ионной поляризацией, также не зависит от частоты вплоть до резонансной. При росте температуры величина ε обычно возрастает, так как из-за уменьшения величины силы упругих связей увеличивается подвижность ионов , однако если ионная поляризация в веществе по своей значимости уступает электронной, то зависимость ε от температуры может иметь спадающий характер.  16. Основные требования к электрофизическим свойствам жидких диэлектриков. Электроизоляционные жидкости должны обеспечивать изоляцию токоведущих частей электрооборудования (трансформаторов, кабелей и др.), являться диэлектрической средой с высокой диэлектрической проницаемостью в конденсаторах, служить теплоотводящей средой, а также способствовать быстрому гашению электрической дуги в выключателях. Классификация и основные требования к жидким диэлектрикам По специфике применения. Жидкий диэлектрик для кабелей, конденсаторов, трансформаторов и т. д. По верхнему пределу допустимой рабочей температуры. Например, до 70 °С используются нефтяные конденсаторные масла; до 77-95 °С — нефтяные масла в трансформаторах; до 200 ÷ 250 °С — различные жидкости, содержащие кремний. По степени горючести. Жидкие диэлектрики делятся на горючие и негорючие. По степени высыхаемости. Высыхающее льняное масло и невысыхающее касторовое. По химической природе. Растительные масла; синтетические жидкости и нефтяные масла. Требования к жидким диэлектрикам определяются конструкцией оборудования, в котором они используются, а также условиями эксплуатации и экологической безопасностью. Общие требования к пропитывающим жидкостям можно сформулировать следующим образом. Жидкость должна обладать хорошими электрическими свойствами. Электрическая прочность пропитывающих жидкостей должна быть высокой. Это основное условие, без которого немыслимо применение жидкости в высоковольтном электроэнергетическом оборудовании. Пробивная напряженность жидкого диэлектрика является весьма важной характеристикой, определяющей его электроизоляционные свойства, она в значительной степени зависит от наличия в его составе тех или иных примесей. В связи с этим только для жидкостей высокой степени чистоты пробивная напряженность может характеризовать химическую природу жидкости. Наряду с примесями на электрическую прочность жидкостей оказывает влияние также вид, длительность и значение приложенного напряжения, а также форма, материал и состояние поверхности электродов. Величина тангенса диэлектрических потерь пропитывающей жидкости должна быть минимальной. В этом случае уменьшаются потери энергии в изоляции, снижается возможность ее перегрева в рабочем режиме. При технической частоте (50 Гц) диэлектрические потери в жидком диэлектрике определяются практически только проводимостью, потому что потери за счет дипольно-релаксационной поляризации в этих жидкостях не наблюдаются. Величина tgδ зависит как от химической природы жидкости, так и от степени ее загрязнения различными примесями. В зависимости от конструкции изоляции электрического аппарата требования к величине tgδ могут различаться, однако общее требование к tgδ пропитывающей жидкости при 100 0С — не более 0,03 при отсутствии ухудшения с ростом температуры и частоты напряжения. Электрическое сопротивление пропитывающей жидкости должно быть высоким. Электропроводность в жидких диэлектриках происходит в основном за счет движения положительных и отрицательных ионов, возникающих в результате диссоциации примесей или продуктов старения жидкости, а также наличия электронов, возникающих в результате эмиссии из катода при высоких значениях напряженности электрического поля. К ионной проводимости добавляется электрофоретическая, если жидкости содержат примеси в виде суспензии или эмульсии. Частицы этих примесей могут заряжаться от окружающей среды и участвовать в переносе электрического заряда. Величина относительной диэлектрической проницаемости пропитывающей жидкости выбирается в зависимости от особенностей изоляции электрооборудования. Для изоляции трансформаторов и кабелей важно, чтобы значения ε пропитывающей жидкости и твер- дого изоляционного материала были бы достаточно близкими. При этом условии обеспечивается равномерное распределение напряженностей электрического поля между компонентами изоляции. В ряде случаев (например, для кабельной изоляции) величина относительной диэлектрической проницаемости должна быть минимальной, чтобы способствовать снижению электрической емкости изоляции и, тем самым, увеличить пропускную способность кабеля. Наоборот, для электрических конденсаторов необходимы пропитывающие жидкости с максимальным значением ε, в результате чего достигается увеличение удельных параметров конденсаторов. Стойкость к воздействию электрического поля (газостойкость). При работе маслопропитанной изоляции в высоком электрическом поле при рабочем напряжении и, особенно, в случае перенапряжений в пропитывающей жидкости могут возникать частичные разряды (начальные и критические), которые вызывают ее разрушение, выражающееся в образовании газообразных продуктов старения — водорода, углеводородных соединений и окислов углерода. 17. Проводники. Термо-э.д.с. Сплавы для термопар. По химическому составу проводники подразделяются на четыре группы: По агрегатному составу проводники могут быть твердыми и жидкими. Газообразных проводников, состоящих из неионизированных газов, не существует. При нормальных условиях подавляющее большинство химических элементов, являющихся проводниками, твердые вещества (кроме ртути). Жидкие проводники — расплавы и электролиты. По электропроводности проводники подразделяются на: проводники с высокой электропроводностью (ρ20 °С менее 5·10- 8 Ом·м); с высоким удельным электрическим сопротивлением (10- 6 менее ρ20 °С более 10- 5 Ом·м); криопроводники (ρ менее 10 - 8 Ом·м при Т менее 80 К; при Т менее 80 К зависимость ρ от температуры — слабая); сверхпроводники (ρ = 0 при Т менее Тс, где Тс много меньше 20 °C). Различают проводники первого и второго рода. У проводников первого рода носители электрического заряда — электроны, у про- водников второго рода — ионы. Наиболее широко представлены проводники первого рода, т. е. с электронным типом проводимости. Проводники второго рода менее распространены, но тоже широко используются в технике. В частности, с помощью электролиза получают металлы с высокой степенью чистоты. Материалы с высокой электропроводностью применяются, в частности, для изготовления: монтажных проводов; кабелей; линий электропередачи; накопителей энергии; обмоток электромагнитов; интегральных схем; CD- и DVD-дисков. Криопроводники применяются в электрических машинах при температуре меньшей, чем 80 К. Сверхпроводники применяются при криогенных температурах в радиоэлектронике; термоядерных реакторах; ускорителях элементарных частиц; электрических кабелях. Металлы и сплавы различного назначения — проводники, для которых главными являются не электрические, а другие свойства, такие как: теплофизические, механические, радиационные, конструкционные и др. Проводники с высоким удельным сопротивлением применяются для изготовления: резисторов; нагревательных приборов; термопар. Термоэлектродвижущая сила В электрической цепи, составленной из двух различных проводников, контакты которых находятся при различных температурах, возникает термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС) . Причины возникновения термо-ЭДС:  1. Разность в работе выхода электронов в проводниках; 2. Различие концентраций квазисвободных электронов в соединенных проводниках. Т  ермо-ЭДС (u) в цепи, составленной из двух различных проводников А и В, определяется следующим выражением: Термо-ЭДС, возникающая в месте контакта двух проводников, может быть использована в двух вариантах: 1. Если надо создать термопару, используемую для измерения температуры, необходимо подобрать проводники так, чтобы величина u была максимальна. 2. Если надо избежать возникновения паразитных ЭДС в электрической схеме, то следует подбирать такие проводники, чтобы величина u была минимальна. Сплавы для термопар. Таких сплавов также существует большое количество. Наиболее известные и широко используемые в технике сплавы приведены ниже. Сплавы на основе меди. Константан — (60 % Cu + 40 % Ni). Кроме перечисленных компонентов в сплав входят также в небольших количествах кобальт и марганец. Этот сплав выпускается в виде провода или ленты с толщиной (диаметром) более 0,01 мм. Особенности константана: в контакте с медью он дает высокое значение термо-ЭДС, по- рядка 50 мкВ/°С. Интервал рабочих температур: (− 273 ÷ 400) ºС, кратковременно до 700 ºС; имеется слабая зависимость удельного электрического сопротивления от температуры. Отсюда название сплава, от греческого слова, означающего понятие «постоянный». При температуре 20 °С удельное электрическое сопротивление равно 50·10^- 8 Ом·м, т. е. так же, как для нихрома, и приблизительно в 5 раз выше, чем у железа. Копель — (56 % Cu + 44 % Ni). В сплав также входит небольшое количество кобальта. Сплавы на основе никеля. Алюмель — (95 % Ni + 5 % (Al, Si, Mn, Co)), его рабочая температура достигает 600 °С. Хромель — (90 % Ni + 10 % Cr + 1 % Co), его рабочая температура до 1000 °С.  18. Диэлектрические потери. Потери в постоянном поле Диэлектрические потери — та часть энергии электрического поля, которая рассеивается в диэлектрике в виде тепла и приводит его нагреву. В результате электроизоляционная конструкция постепенно теряет свои свойства, и может утратить тепловую устойчивость, вследствие чего произойдет тепловой пробой. Диэлектрические потери при постоянном напряжении В постоянном электрическом поле рассеиваемая мощность обусловлена только током электронной проводимости и определяется с помощью закона Джоуля – Ленца:  Таким образом, при постоянном напряжении потери обусловлены только направленным движением свободных носителей заряда: ионы и более крупные коллоидные частицы — молионы (в случае загрязненных жидкостей).Диэлектрические потери при переменном напряжении Диэлектрические потери при переменном напряжении складываются из четырех составляющих. Потери, обусловленные проводимостью (потери от сквозного тока через диэлектрик). Электропроводность и потери, связанные с электропроводностью, не являются постоянными величинами. Электропроводность зависит от ряда факторов, в частности от температуры, с ростом которой возрастает подвижность носителей, и может вырасти их число, например, из-за диссоциации на ионы молекул воды. Этот вид проводимости свойственен всем диэлектрикам (полярным и неполярным). Для неполярных он часто единственный вид диэлектрических потерь. Потери от релаксационных видов поляризации. В этом случае потери вызваны внутренним трением при ориентации диполей. Наиболее значимыми видами потерь данной группы являются дипольно-релаксационные потери для диэлектриков с молекулярным строением и ионно-релаксационные для диэлектриков ионного строения. Особую группу диэлектриков составляют полимеры, так как они состоят из длинных цепных молекул, каждая их которых содержит в себе повторяющиеся элементарные звенья. Подобное строение приводит к тому, что в полимерах могут присутствовать дипольно- сегментальные потери и дипольно-групповые потери. Дипольно-сегментальные потери вызваны дипольно- сегментальной поляризацией, т. е. смещением по направлению элек- трического поля отдельных отрезков молекул (сегментов). Проявляется этот вид поляризации при температуре большей, чем температура стеклования (температура при которой молекулы приобретают гибкость, а ее отрезки подвижность). Ионизационные потери (потери от частичных разрядов) — потери от ионизации газовых включений в твердых и жидких диэлектриках, в первых в виде трещин и пор, а во-вторых в виде пузырьков. Особое место среди диэлектриков занимает целлюлозные материалы и биополимер хитозан, которые содержат поры и воздух во всех своих структурных элементах. Целлюлозные диэлектрики (бумага и картон) используются в пропитанном состоянии для увеличения их электрической прочности. Резонансные потери проявляются при очень высоких частотах, порядка 1012 – 1015 Гц, когда период изменения электрического поля соизмерим со временем установления мгновенных типов поляризации. Таким образом, потери при переменном напряжении равны и больше потерь в постоянном электрическом поле и определяются более сложными закономерностями Факторы, влияющие на диэлектрические потери: 1)Температура 2)Частота эл.поля 3)Напряжение 4)Влажность 5)Электротепловое старение 19. Проводники. Общие сведения и классификация. Проводники — материалы с высокой и ярко выраженной электропроводностью и с учетом этих свойств они используются в технике. Представители проводников: твердые тела: металлы (серебро (Ag), медь (Cu), алюминий (Al) и др.) и сплавы; жидкие тела: расплавы и электролиты; газообразные тела: ионизированные газы (плазма). Применение проводников определяется, в первую очередь, передачей электрической энергии. По химическому составу проводники подразделяются на четыре группы: По агрегатному составу проводники могут быть твердыми и жидкими. Газообразных проводников, состоящих из неионизированных газов, не существует. При нормальных условиях подавляющее большинство химических элементов, являющихся проводниками, твердые вещества (кроме ртути). Жидкие проводники — расплавы и электролиты. По электропроводности проводники подразделяются на: проводники с высокой электропроводностью (ρ20 °С менее 5·10- 8 Ом·м); с высоким удельным электрическим сопротивлением (10- 6 менее ρ20 °С более 10- 5 Ом·м); криопроводники (ρ менее 10 - 8 Ом·м при Т менее 80 К; при Т менее 80 К зависимость ρ от температуры — слабая); сверхпроводники (ρ = 0 при Т менее Тс, где Тс много меньше 20 °C). Различают проводники первого и второго рода. У проводников первого рода носители электрического заряда — электроны, у про- водников второго рода — ионы. Наиболее широко представлены проводники первого рода, т. е. с электронным типом проводимости. Проводники второго рода менее распространены, но тоже широко используются в технике. В частности, с помощью электролиза получают металлы с высокой степенью чистоты. Материалы с высокой электропроводностью применяются, в частности, для изготовления: монтажных проводов; кабелей; линий электропередачи; накопителей энергии; обмоток электромагнитов; интегральных схем; CD- и DVD-дисков. Криопроводники применяются в электрических машинах при температуре меньшей, чем 80 К. Сверхпроводники применяются при криогенных температурах в радиоэлектронике; термоядерных реакторах; ускорителях элементарных частиц; электрических кабелях. Металлы и сплавы различного назначения — проводники, для которых главными являются не электрические, а другие свойства, такие как: теплофизические, механические, радиационные, конструкционные и др. Проводники с высоким удельным сопротивлением применяются для изготовления: резисторов; нагревательных приборов; термопар.  20. Проводниковые материалы. Применение в технике. К проводникам с высокой электропроводностью относятся элементы, у которых ρ20 °С меньше 5·10^- 8 Ом·м. Это — серебро, медь, золото и алюминий (проводники указаны в порядке увеличения удельного сопротивления и уменьшения электропроводности). Медь. Применение меди: для монтажных проводов; для радиочастотных, телевизионных и телефонных кабелей; для изготовления генераторов, излучающих СВЧ колебания (клистрон, магнетрон); для изготовления анодов в рентгеновских трубках. Сплавы меди. Цель создания сплавов из меди, в первую очередь, повышение механической прочности. Наиболее распространенными сплавами меди являются: бронза; латунь; медно-никелевый сплав. Бронза. 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 бериллиевая, используется в электрических контактах. Применение бронзы: изготовление конструкционных изделий с высокой механической прочностью, в том числе коллекторных пластин для электрических машин и пружинящих электрических контактов; изготовление скульптур, колоколов и различных предметов ин- терьера. Латунь Латунь, несмотря на высокую прочность, обладает относительно высокой пластичностью, поэтому из нее делают фасонные изделия (изделия сложной конфигурации), например, СВЧ волноводы, предназначенные для передачи электромагнитной энергии сверхвысокой частоты. СВЧ волноводы могут быть прямоугольной, круглой и Н-образной формы. Медно-никелевые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью. В то же время их удельное электрическое сопротивление много больше, чем у меди, бронзы и латуни. Медно-никелевые сплавы применяются для изготовления: резисторов, термопар, сплавов с нулевым коэффициентом термического расширения, медицинских инструментов и посуды. Медно-вольфрамовый сплав. Этот сплав применяется в высоковольтных и сильноточных коммутирующих устройствах, при разрыве таких цепей возникает электрическая дуга. Сплав, состоящий из меди и серебра, а также из меди, серебра и золота. Эти сплавы применяются для слаботочных контактов. Алюминий. Применение алюминия: для монтажных проводов; для силовых электрических кабелей; для изготовления оксидных конденсаторов; для изготовления CD- и DVD-дисков; в ЛЭП в композиции со стальным проводом. Применение алюминиевых сплавов: авиастроение; судостроение; автомобильная промышленность; строительство; емкости для жидкостей Серебро. Серебро широко используется в электротехнике и радиотехнике, а также и в других областях техники: электрические контакты, серебряный припой, серебряные пасты для металлизации керамики, слюды, стекол с целью создания металлических электродов, в частности, для изготовления резисторов, проводники в интегральных схемах; микропровод; рефлекторы и зеркала; фотография; медицина; ювелирные изделия. Золото. Применение золота: 90 % золота используется в банковском деле и ювелирных украшениях; 10 % используется в технике. Применение в области электро и радиотехники: электрические контакты для цепей со слабыми токам; проводники в интегральных схемах; золотые пласты для металлизации керамики, стекла; высокотемпературные припои Железо. Применение в качестве проводников: для ЛЭП на коротком расстоянии; для электротранспорта; алюмостальные провода для ЛЭП большой дальности. Применение в качестве магнитных материалов: электротехническая кремнистая сталь; сплавы ; магнитотвердые и магнитомягкие материалы. Конструкционное применение: машиностроение; строительство; наземный и морской транспорт; корпуса электродвигателей, турбо− и гидрогенераторов и др.; щиты управления; военная техника. Платина. Применение платины: электрические контакты; платиновые пасты для металлизации керамики; нагреватели для лабораторных нагревательных устройств в воздушных и кислородных средах; тигли для синтеза различных неорганических соединений при высоких температурах. сосуды для плавки алюмосиликатных стекол; порошкообразная платина один из лучших адсорбентов для газообразного водорода; платиновые термосопротивления; платинородиевые термопары; платина используется в качестве слитков 21. Твердые неорганические диэлектрики. Классификация. Так, например, углерод в модификациях алмаза и графита является неорганическим материалом, также и углекислый газ (СО2) и известняк (СаСО3), в составе которых тоже присутствует углерод. В табл. представлены данные по распространению органических и неорганических твердых диэлектриков в земной коре. Неорганические диэлектрики классифицируют по происхождению, по химическому составу и по агрегатному состоянию. Природные неорганические диэлектрики подразделяются на: слюду, асбест и кварц. Слюда представляет собой слоистый минерал, по химическому составу — водный алюмосиликат. Асбест — волокнистый водный магниевый силикат (3MgO • 2SiO2 • 2H2O). Кварц — SiO2.  К искусственным неорганическим диэлектрикам относятся слюдосодержащие композиционные материалы, стекло, керамика, ситаллы. Разделение неорганических диэлектриков по химическому составу производится следующим образом: Оксиды металлов, например, оксид магния (MgO) и оксид алюминия (Al2O3), а также их механические и химические смеси. Нитриды бора (NB), алюминия (NAl) и кремния (N4Si3). Углерод в модификации алмаза. Классификация неорганических диэлектриков по агрегатному составу: газы (чистые, неионизированные): азот, кислород, водород; жидкости: жидкие газы (гелий, азот, кислород, водород и т. д.) и расплавы некоторых оксидов, например, SiO2.; твердые материалы: слюда, керамика, стекло, ситаллы. К достоинствам неорганических диэлектриков относятся: высокая температура плавления: температура плавления SiO2 – плSiO2 Т =1728 °C; температура плавления Al2O3 – плAl O2 3 Т = 2040 °C; температура плавления MgO – ТплMgO = 2800 °C; высокая стойкость к окислению; высокая стойкость к радиации; высокая химическая стойкость; высокая стойкость к воде и газам; высокая механическая прочность; более высокая теплопроводность по сравнению с органическими диэлектриками; более высокая длительная электрическая прочность. В меньшей степени подвержены электрическому старению; недефицитность. Недостатками неорганических диэлектриков являются: дорогостоящая, сложная и энергоемкая технология изготовления, требующая высоких температур (более 1000 °С), высоких давлений (более 100 МПа) и громоздкого оборудования (печи, пресса, мельницы); сложная технология обработки изделий из-за высокой твердости неорганических материалов (твердость Al2O3 — 9,5 баллов) и хрупкости; отсутствие гибкости (эластичности) у изделий с массивными размерами. При микроразмерах неорганические диэлектрики могут быть эластичными, примером может служить оптоволокно (диаметр 4÷100 мкм), изготовленное из стекла; низкая ударная вязкость — стойкость к механическим ударам; низкое сопротивление тепловому удару — стойкость материала к резкому изменению температуры; высокая плотность. 22. Пробой диэлектриков. Виды пробоя. Ни один диэлектрик не способен выдержать приложенного к нему неограниченно высокого напряжения. При увеличении напряжения рано или поздно произойдет пробой при напряжении Uпр . При этом наблюдается местное увеличение проводимости из-за резкого увеличения концентрации носителей и сквозного тока, этот процесс завершается образованием проводящего канала пробоя. После пробоя материал утрачивает свои электроизоляционные свойства.   В случае пробоя газообразного или жидкого диэлектрика после снятия пробивного напряжения происходит восстановление электроизоляционных свойств. Для твердого диэлектрика такое восстановление после снятия напряжения отсутствует. Напряжение, вызывающее пробой называется пробивным Uпр, а соответствующая этому значению напряженность электрического поля — электрической прочностью диэлектрика Епр: В ряде случаев при напряжении ниже пробивного развивается поверхностный разряд, не распространяющийся вглубь материала, что связано с тем, что электрическая прочность твердого диэлектрика больше электрической прочности жидкости и электрической прочности газа. Электрическая прочность является важнейшей характеристикой материала, если уменьшаются другие характеристики, то изоляционная конструкция пусть не оптимально, но будет продолжать работать, а при рабочей напряженности большей, чем электрическая прочность произойдет отказ работы электрической изоляции.  Электрическая прочность определятся физическим состоянием и структурой диэлектрика. Пробой газообразных диэлектриков Пробой газов носит чисто электрический характер, поскольку начинается с ударной ионизации электронами. Воспроизведение разряда осуществляется вырыванием электронов из катода положительными ионами и фотонами. Развитие лавинообразного процесса идет в шесть стадий. Первая стадия. Незначительное количество свободных электронов и ионов под действием электрического поля получают добавочную скорость и начинают двигаться с приобретенной энергией Вторая стадия. Если приобретенная энергия велика, то при соударении движущейся частицы с нейтральной происходит: − возбуждение; - ионизация при энергии, большей энергии ионизации, т. е. происходит расщепление молекул на электроны и положительные ионы. Третья стадия. Одновременно развивается фотонная ионизация за счет поглощения нейтральными молекулами энергии фотонов, испускающих возбуждение, но не ионизированными атомами. Четвертая стадия. Появившиеся свободные электроны ионизируют или возбуждают нейтральные молекулы. Положительные ионы выбивают электроны при ударах о катод. Пятая стадия. Число свободных носителей лавинообразно нарастает, образуются стримеры — проводящие каналы. Отрицательный стример содержит электроны и отрицательные ионы, движущиеся от катода к аноду. Положительный стример содержит положительные ионы, движущиеся от анода к катоду. Шестая стадия. Стримеры мгновенно развиваются, происходит электрический пробой. Электрическая прочность газа в нормальных условиях не велика и зависит от следующих факторов: Химический состав. Форма электрического поля Расстояние между электродами. Атмосферное давление. Частота электрического поля. Влажность. Температура. Пробой жидких диэлектриков Процессы, происходящие в жидкостях, при пробое зависят от степени их чистоты и химического состава. К чистым жидкостям, полученных в лабораторных условиях, применима теория чисто электрического пробоя, т. е. при высоких значениях напряженностей поля происходит эмиссия электронов из электродов с последующим развитием ударной ионизации молекул жидкости. Длины свободного пробега электронов в жидкостях меньше, чем в газах, из-за их более высокой плотности, поэтому электрическая прочность жидкостей выше, составляет значения порядка 50 – 70 кВ/мм , при малых межэлектродных промежутках электрическая прочность жидкостей может достигать 150 - 250 кВ/мм . В технически чистых жидкостях присутствуют растворимые и нерастворимые естественные и искусственные примеси, снижающие электрическую прочность Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, связан с местным перегревом, за счет возникновения частичных разрядов. В месте начала ионизации резко увеличивается температура, что приводит к вскипанию жидкости, при этом увеличивается газовыделение, что приводит к образованию газового канала между электродами. По этому каналу собственно и проходит путь пробоя. Пробой увлажненных жидкостей связан с формированием мостиков, содержащих эмульгированную воду. Под воздействием электрического поля капли воды приобретают форму эллипсоидов и, ориентируясь по полю, образуют канал с повышенной проводимостью К факторам, влияющим на электрическую прочность жидкого диэлектрика, относятся: Химический состав. Частота приложенного напряжения. Количество пробоев Пробой твердых диэлектриков Различают три основных формы пробоя твердых диэлектриков: электрический, электротепловой (тепловой) и электрохимический (старение изоляции). Электрический пробой. Электрический пробой обусловлен ударной ионизацией электронами узлов кристалла или аморфного диэлектрика (атомов, ионов). В результате образуется электронная лавина, и может возникнуть стример. При этом в стадии потери электрической прочности твердый диэлектрик частично разрушается. Время разряда зависит от толщины диэлектрика. Такая форма пробоя имеет место при кратковременном (импульсном) воздействии напряжения, а механизм его развития определяется степенью однородности диэлектрика. Электрический пробой неоднородных (технических) диэлектриков с открытой и закрытой пористостью (бумага, картон и т. д.) также отличается быстротечностью, но начинается с пробоя воздушных включений. Электрическая прочность этих диэлектриков сравнима с электрической прочностью воздушных включений. С возрастанием толщины диэлектрика электрическая прочность уменьшается из-за увеличения числа и размеров дефектов Электротепловой (тепловой) пробой. Тепловой пробой заключается в разрушении диэлектрика под действием нагрева вследствие диэлектрических потерь, при этом количество тепла, выделяющееся в единицу времени превышает количество тепла отводимого. При нарушении теплового баланса создаются условия для возникновения термостарения, что ведет к увеличению диэлектрических потерь, а это ведет к дельнейшему увеличению нагрева и т. д. Таким образом, процесс приобретает лавинообразный характер, что ведет к необратимым изменениям структуры диэлектрика. Электрохимический пробой. Этот вид пробоя происходит в результате сложных физико-химических процессов, обусловленных длительным воздействием электрического поля и приводящих к необратимому уменьшению сопротивления изоляции. При переменном напряжении происходит ионизация воздушных включений из-за частичных разрядов. В этом случае пробой связан с постепенным химическим разрушением органического диэлектрика (пропитанная бумага, резина и т. д.). При постоянном напряжении электрохимическое старение обусловлено электролитическими процессами, протекающими особо интенсивно при повышенных температурах и влажности. 23. Сплавы алюминия. Применение. В РФ выпускают тринадцать марок алюминия, подразделяемых на три класса (алюминий — особо чистый, химически чистый и технически чистый) и содержащих от 99,999 % до 99,0 % Al. Алюминиевая фольга содержит более 99,95 % алюминия, алюминиевый провод — более 99,5 %, при этом диаметр провода лежит в интервале от 80 мкм до 10 мм. Алюминий, подвергнутый зонной плавке и используемый в полупроводниковой технике, имеет чистоту 99,9999 %. Сплавы алюминия. Цель создания сплавов из алюминия это, как и в случае сплавов меди, повышение механической прочности. Сплавы делятся на литейные и деформируемые (способные растягиваться). Ассортимент алюминиевых сплавов достаточно обширный. Поэтому ниже приведены только два наиболее используемых сплава. Дюралюминий (дюраль). Название сплава произошло от лат. «durus» — твердый. Дюраль состоит из Al, меньше 5 % Cu и меньше 2,5 % Mn. Предел механической прочности на разрыв дюраля составляет 300 МПа, но электропроводность дюраля много меньше, чем алюминия. Алдрей. Данный сплав состоит из Al, 1 %(Mg + Si) и (0,2 – 0,3) %Fe. Предел механической прочности на разрыв алдрея составляет 350 МПа. Удельное электрическое сопротивление при 20 °С равно 3,2·10- 8 Ом·м, то есть этот сплав имеет относительно высокую электропроводность при относительно высокой механической прочности. Применение алюминиевых сплавов: авиастроение; судостроение; автомобильная промышленность; строительство; емкости для жидкостей (например, канистры для бензина). 24. Магнитные материалы. Магнитомягкие материалы. Магнитные материалы. По применению в технике магнитные материалы подразделяются следующим образом: магнитомягкие материалы; магнитотвердые материалы; магнитные материалы специального назначения; магнитные жидкости. Магнитомягкие материалы— материалы, обладающие свойствами ферромагнетика или ферримагнетика, причём их коэрцитивная сила (значение напряженности маг.поля) по индукции составляет не более 4 кА/м.[1]Такие материалы также обладают высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями на гистерезис. (Свойство систем, мгновенный отклик которых на приложенные к ним воздействия зависит в том числе и от их текущего состояния, а поведение системы на интервале времени во многом определяется её предысторией.) Магнитомягкие материалы используются в качестве сердечников трансформаторов, электромагнитов, в измерительных приборах и в других случаях, где необходимо при наименьшей затрате энергии достигнуть наибольшей индукции. 25. Криопроводники. Криопроводники — такие проводники, которые при температуре меньшей, чем 77 К (температура испарения жидкого азота), обнаруживают резкое изменение удельного электрического сопротивления на три – четыре порядка относительно ρпри нормальных условиях, а также демонстрируют слабую зависимость сопротивления от температуры (рис. 5.13). Криопроводники — термоотожженные проводники с мини- мальным содержанием примесей. Только при этом можно достичь у проводника высокой электропроводности (табл. 5.4).  К криопроводникам относят обычно только два металла: алюминий и бериллий. Если в распоряжении имеется жидкий гелий, то целесообразно применять алюминий. В том случае, если по экономическим причинам используют жидкий азот, то следует применять бериллий, так как при температуре меньше 77,4 К удельное сопротивление бериллия более слабо по сравнению с алюминием зависит от температуры. Бериллий. Этот металл не встречается в виде самородков, только в виде соединений, например, в составе изумруда (Be – Al – Si – Cr – O). Физические свойства бериллия: температура плавления 1284 °С, плотность 1,83 г/см3 (меньше, чем плотность алюминия). Бериллий — легкий металл серебристого цвета. Порошок бериллия токсичен. Электрические свойства: удельное электрическое сопротивление при 20 °С равно 4·10- 8 Ом·м. Имеется сверхпроводимость при Тсравной 0,03 К. Применение бериллия: в качестве криопроводника; бериллиевая бронза. Из нее делают безыскровые электрические контакты. Изготавливают также инструменты для работы в шахтах, на газовых заводах, где нельзя использовать инструменты из обычной стали; легирующая добавка, повышающая механическую прочность легких сплавов. Это важно для авиации, ракетостроения. 26. Полимерные диэлектрики. Строение макромолекул. Степень полимеризации. Простейшие полимеры. Особую группу диэлектриков составляют полимеры, так как они состоят из длинных цепных молекул, каждая их которых содержит в себе повторяющиеся элементарные звенья. Подобное строение приводит к тому, что в полимерах могут присутствовать дипольно-сегментальные потери и дипольно-групповые потери. Высокомолекулярные соединения или полимерные вещества отличаются строением, сформированным длинными цепными молекулами (макромолекулами), состоящими из n раз повторяющихся элементарных звеньев (мономеров). Мономеры вдоль цепи соединены ковалентными связями. Количество звеньев в цепи (n) определяет величину степени полимеризации полимера (СП). Часто макромолекулу условно представляют, как систему бусин (сегментов жесткости), нанизанных на нить, при этом каждая бусина имеет форму эллипса, чтобы условно отразить возможную несимметричность звеньев. Любая молекула, включая макромолекулу, имеет химическое строение, которому соответствует определенное расположение атомов в пространстве, называемое конфигурацией. Полимерная молекула может иметь различную форму, например, линейную, разветвленную (рис. 4.25) или пространственную (сшитую).   27. Магнитные материалы. Магнитотвердые материалы. Магнитотвердые материалы — материалы с высокой коэрцитивной силой, которые намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сравнительно сильных магнитных полях напряжённостью в тысячи и десятки тысяч, а/м. После намагничивания магнитно-твердые материалы остаются постоянными магнитами из-за высоких значений коэрцитивной силы и магнитной индукции. Примерами являются редкоземельные магниты NdFeB и SmCo, бариевые и стронциевые магнитотвердые ферриты. Применяют магнитотвердые материалы для производства постоянных магнитов. Они являются источниками постоянных магнитных полей, используемых в различной аппаратуре в электро- и радиотехнике, автоматике, приборостроении, электронике, в устройствах электромагнитной записи, фокусирующих устройствах для телевизоров, микрофонах, электроизмерительных приборах, микроэлектронике, СВЧ-приборах и т.д. Их используют в электрических машинах малой мощности, для записи и хранения цифровой, звуковой и видеоинформации и др. Преимущества постоянных магнитов по сравнению с электромагнитами постоянного тока - повышенная работоспособность; экономия материалов и потребления энергии; экономическая и техническая выгода применения. 28. Сверхпроводники. |