ответы ЭТМ. Роль электротехнических материалов

• Название: Роль электротехнических материалов
• Дата: 17.06.2021
• Размер: 1.55 Mb.
• Имя файла: ответы ЭТМ.docx
• Тип: Документы; #218593
• страница: 4 из 13

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВЕРХПРОВОДНИКАХ

Явление сверхпроводимости (СП) было открыто в 1911 году Х. Камерлинг–Оннесом (Голландия). В 1913 г. за открытие этого явления ему была присуждена Нобелевская премия по физике.

В 1908 году Х. Камерлинг−Оннесу впервые в мире удалось получить жидкий гелий с температурой испарения 4,2 К.

Получив жидкий гелий, Х. Камерлинг–Оннес стал применять его в качестве охлаждающей жидкости (хладагента) для исследования свойств материалов при криогенных температурах. Измерение электрического сопротивления ртути привело к открытию совершенно нового эффекта — сверхпроводимости (рис. 6.1). При температуре жидкого гелия сопротивление ртути «исчезло».

СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Сверхпроводниковые материалы в зависимости от величины Т_с делятся на две группы:

низкотемпературные («холодные») сверхпроводники; высокотемпературные («теплые») сверхпроводники. Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) имеют Т_смного большую, чем Т_с«холодных» сверхпроводников, но в то же время она меньше 20 °С (состояние на 2013 год).

По поведению в магнитном поле сверхпроводники делятся на: сверхпроводники первого рода (чистые металлы); сверхпроводники второго рода (сплавы, керамика, химические, соединения).

Сверхпроводники первого рода

Сверхпроводников первого рода из чистых химических элементов существует порядка тридцати штук при условии, что толщина сверхпроводника больше, чем λ(лондоновская глубина проникновения), при давлении 760 мм рт. ст. В табл. 6.1 указаны данные для некоторых сверхпроводников первого рода при указанных условиях.

Сверхпроводники второго рода

Сверхпроводники второго рода — это сверхпроводники, у которых длина когерентности βменьше λ(лондоновская глубина проникновения). Сверхпроводники второго рода — сплавы или химические соединения. Сверхпроводников этого типа существует порядка тысячи штук. В табл. 6.2 приведены данные для некоторых сверхпроводников второго рода при условии, что толщина сверхпроводника больше, чем λ, и давление 760 мм рт. ст.



В технике в настоящее время в основном применяются сверх- проводники второго рода. Наиболее широко используются композиционные сверхпроводники (рис. 6.9). Сверхпроводники используют в реакторах с магнитным удержанием плазмы и для магнитных систем коллайдеров.



Помимо этого, сверхпроводники нашли следующее применение:

накопители электроэнергии, которые располагают шахте в земле, так как, когда протекают большие токи в соленоиде, возникают распирающие силы (возникающее усилие порядка 500 МПа), стремящиеся разорвать обмотку;

проект Маглев (магнитная левитация). В Японии (2006 г.) с использованием явления магнитной левитации была достигнута скорость электротранспорта 581 км/ч. При этом транспортное средство находилось над рельсами на высоте около 10 см;

ЭВМ с высоким быстродействием (не используются в персо- нальных компьютерах, так как требует применения криогенных температур) и СКВИД;

Электромагнитное оружие (катапульты, пушки), которое позволяет иметь скорость вылета более высокую, чем при использовании обычных взрывчатых веществ типа пороха. Находится в стадии разработки и планируется для использования в качестве оружия, а также для запусков космических аппаратов.

Применение ВТСП:

слаботочное применение в электронике и микроэлектронике

(антенны, резонаторы, СКВИД и т. д.); сильноточное применение в электротехнике.

29. Материалы на основе слюды.

Слюда

Слюды представляют группу сложных слоистых алюмосиликатов щелочных и щелочноземельных металлов, имеющих кристаллическую структуру. Характерной особенностью кристаллов слюды является способность расщепляться на тонкие платины толщиной до 5 мкм. Существует около тридцати различных типов слюды, однако лишь три из них находят широкое промышленное применение. Мусковит и флогопит применяются в электро- и радиотехнике как диэлектрики, вермикулит используется в строительстве как теплоизоляционный материал.

Мусковит. Химическая формула К₂O•3Al₂O₃•6SiO₂•2Н₂О — калиево-алюминиевая слюда. Название «мусковит» произошло от наименования Древней Руси («Московия»), откуда слюда экспортировалась в Западную Европу в качестве светопрозрачного материала. Второе название мусковита «белая слюда», так как он прозрачен в оптическом спектре.

Флогопит (от греческого «флого» — огонь). Химическая формула — калиево-магнезиальная слюда. Второе название флогопита «янтарная слюда», так как он непрозрачен и рыжеватого цвета.

Фактически химический состав природных слюд значительно сложнее, в результате замещений в них присутствуют также другие элементы (оксиды металлов, фтор, хлор). Крайне нежелательные примеси — магнитные окиси железа (магнетит). Примеси в основном залегают по плоскостям спайности, что ведет к резкому снижению свойств в этом направлении. По электрическим свойствам мусковит превосходит флогопит. Однако флогопит более нагревостойкий материал. Мусковит сохраняет свои свойства до 600 °С, флогопит — до 800 °С. При дальнейшем росте температуры выделяются химически связанная вода и резко снижаются все характеристики.

Помимо высокой нагревостойкости слюдам присуща высокая короностойкость. По величине короностойкости все диэлектрики делятся на десять классов, при этом слюды имеют самый высокий десятый класс. Данное качество очень важно для материалов, применяемых в высоковольтных установках. Для слюд характерна высокая стойкость к механическому истиранию, что имеет большое значение для изоляции электрических машин из-за наличия в них вращающихся деталей.

К достоинствам слюд следует отнести их широкое распространение в природе.

Из лучших сортов мусковита изготавливают штамповкой пластин прямоугольного формы (слюда конденсаторная), а также фасонные детали для различных электронных приборов и телевизоров.

30. Угол диэлектрических потерь. Тангенс угла диэлектрических потерь.

К оличественно диэлектрические потери в переменном электрическом поле оцениваются величиной удельных потерь чаще тангенсом угла диэлектрических потерь (tgδ).

Если проводник поместить в электрическое поле, то вектора напряжения и тока для него совпадут. Ток в этом случае чисто активный (I_a) и угол сдвига между этими векторами φ= 0.

Е сли в цепь переменного синусоидального напряжения вклю- чить конденсатор с идеальным диэлектриком (нет потерь от сквозной проводимости), то ток в этом случае чисто емкостной I_c, а угол сдвига фаз равен 90° (рис. 4.12), следовательно, мощность равна нулю ( P = UIcos = 0 ).



Если в ту же цепь включен конденсатор с диэлектриком с потерями, то угол φбудет меньше 90°.

Угол δназывается углом диэлектрических потерь. Очевидно, что тангенс этого угла равен отношению активного и емкостного токов:

Таким образом, углом диэлектрических потерь называется угол дополняющий угол сдвига фаз между током и напряжением до 90^о. Угол диэлектрических потерь — важный параметр, как для диэлектрика, так и для электрической изоляции. Чем больше угол δ, тем больше диэлектрические потери и тем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в тепло. Обычно в качестве параметра материала или конструкции используют тангенс угла диэлектрических потерь. Значение tgδдля лучших диэлектрических материалов, применяемых в технике высоких частот и высоких напряжений — порядка тысячных и даже десятитысячных долей, для материалов более низкого качества, применяемых в менее ответственных случаях tgδможет быть намного меньше.

31. Электропроводность газов.

Атомы и молекулы газов являются нейтральными частицами, но в земной атмосфере на эти частицы действуют ионизирующие факторы: ультрафиолетовое излучение, космические лучи, радиоактивное излучение земли. При этом образуются электроны и положительные ионы. В земной атмосфере электроны прилипают к электроотрицательным молекулам (кислород, пары воды), и образуются отрицательные ионы. Зависимость тока от напряжения для газов имеет три выраженных участка (рис. 4.8).

В области очень слабых полей от 0 до U_носновную роль играет рекомбинация ионов. При этом происходит насыщение, ток прямо пропорционален проложенному напряжению (выполняется закон Ома).



С ростом напряжения электроны устремляются к электродам, не успевая рекомбинировать (происходит процесс ионизации), и при некотором значении U_нвсе ионы, создаваемые в газовом промежутке, будут нейтрализованы на электродах.

Дальнейший рост напряжения уже не вызывает роста тока, главную роль играет уход ионов на электроды. Величина I_насопределяется источником естественной ионизации.

При дальнейшем росте напряжения ток начинает расти быстрее, чем по закону Ома, что связано с появлением ударной ионизации. Электроны, приобретая в сильном поле большую скорость, при столкновении с нейтральными молекулами ионизируют их, т. е. выбивают из них электроны, которые, разгоняясь полем, сами становятся источниками ионизации. Этот процесс носит лавинообразный характер и завершается пробоем газового промежутка.

32. Магнитные материалы.

Магнитные материалы. По применению в технике магнитные материалы подразделяются следующим образом:

магнитомягкие материалы; магнитотвердые материалы;

магнитные материалы специального назначения; магнитные жидкости.

Магнитные материалы, Магнетики — материалы, вступающие во взаимодействие с магнитным полем, выражающееся в его изменении, а также в других физических явлениях — изменение физических размеров, температуры, проводимости, возникновению электрического потенциала и т. д. В этом смысле к магнетикам относятся практически все вещества (поскольку ни у какого из них магнитная восприимчивость не равна нулю), большинство из них относится к классам диамагнетиков(имеющие небольшую отрицательную магнитную восприимчивость — и несколько ослабляющие магнитное поле) или парамагнетиков (имеющие небольшую положительную магнитную восприимчивость — и несколько усиливающие магнитное поле); более редко встречаются ферромагнетики (имеющие большую положительную магнитную восприимчивость — и намного усиливающие магнитное поле), о ещё более редких классах веществ по отношению к действию на них магнитного поля.

Магнитными материалами могут быть различные сплавы, химические соединения, жидкости.

Ферромагнетики делятся на две большие группы — Магнитотвёрдые материалы и Магнитомягкие материалы.

Некоторые области применения полимерных магнитов:

1. 
   Акустические системы, реле и бесконтактные датчики
   
2. 
   Электромашины, магнитные сепараторы, холодильники
   
3. 
   Магнитные элементы кодовых замков и охранной сигнализации
   
4. 
   Тахогенераторы, датчики положения, электроизмерительные приборы
   
5. 
   Медицина ( магнитотерапия, магнитные матрацы)