Теория 1. 1. Основные понятия об электроматериалах. Классификация Электротехническими называются материалы
 Скачать 0.69 Mb.
|
|
1. 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: диэлектрики или электроизоляционные материалы; полупроводниковые; проводниковые. По поведению в магнитном поле материалы делятся на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Физической константой, характеризующей материалы в электрическом поле, является удельное сопротивление , в магнитном поле – магнитная проницаемость µ. Диэлектрики - вещества с высоким удельным сопротивлением . 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 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 . К ним относятся также сверхпроводниковые и криопроводниковые материалы, 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. 1.2 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-. 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. 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. Рисунок 1.1- Схема строения металлического проводника 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.  Рисунок 1.2 - Схематическое изображение двух взаимодействующих молекул Ввиду слабости молекулярных связей эти вещества легко разрушаются при тепловом движении молекул и имеют низкие температуры плавления. 1.3 Агрегатное состояние вещества По агрегатному состоянию электротехнические материалы разделяются на твердые, жидкие и газообразные. Твердые тела обладают упругостью формы, т.е. способностью сохранять при неизменной температуре форму и размеры. Твердые тела 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 (для воды коэффициент сжимаемости при 200С 45106атм1). 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. 1.4 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.  а) кубическая решетка; б) гексогональная решетка. Рисунок 1.4 - Ячейки кристаллической решетки Электрические и магнитные свойства кристаллов различных систем качественно различны. 1.5 Дефекты в кристаллах «Дефекты» строения вещества, определяющие особые физические свойства, используются для получения различных материалов и приборов. К дефектам кристаллического твердого тела относятся любые нарушения периодичности электростатического поля кристаллической решетки. 1.6 Классификация веществ по магнитным свойствам По магнитным свойствам вещества делят на диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные. Ферромагнетики – вещества, имеющие 1, относительная магнитная проницаемость которых 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. Лекция №2. Физические процессы в диэлектриках. Поляризация и электропроводность диэлектриков Содержание лекции: определение явлений поляризации и электропроводности, их количественные характеристики и методы определений. Цель лекции: изучить физические явления в диэлектрике, находящемся в электрическом поле: поляризация и электропроводность диэлектрика. При разработке изделий электропромышленности необходим рациональный выбор ЭТМ. Этот выбор приходится делать из большого количества диэлектрических материалов. Чтобы правильно выбрать нужный материал, надо знать критерии выбора. К ним относятся электрические и физико-химические свойства диэлектриков. К электрическим свойствам относятся относительная диэлектрическая проницаемость, которая является количественной характеристикой явления поляризации, удельное сопротивление, которое определяет электропроводность диэлектриков, тангенс угла диэлектрических потерь, диэлектрические потери и электрическая прочность, пробой диэлектриков. 2.1 Диэлектрическая проницаемость и ее связь с электрической поляризацией Все диэлектрики имеют связанные электрические заряды: электронные оболочки атомов, заряженные отрицательно, и атомные ядра, несущие положительный заряд. При отсутствии электрического поля эти заряды расположены концентрически, поэтому атомы электрически нейтральны. Под действием внешнего электрического поля (Е) электронные оболочки атомов смещаются в сторону, обратную направлению поля, образовывая поляризованные атомы.  а) нейтральный атом: б) поляризованный атом. Рисунок 2.1 Смещение зарядов тем больше, чем больше вектор Е. При снятии электрического поля заряды возвращаются в прежнее состояние. В полярных диэлектриках происходит ориентация диполей в направлении поля; при отсутствии поля диполи дезориентируются вследствие теплового движения. Большинство диэлектриков имеют линейную зависимость электрического смещения от Е поля. Особую группу составляют диэлектрики, у которых поляризованность (Р) изменяется нелинейно от изменения напряженности Е поля, такие диэлектрики называются сегнетоэлектриками. Любой диэлектрик с нанесенными на него электродами, включенный в электрическую цепь, может рассматриваться как конденсатор определенной емкости. Заряд всякого конденсатора равен Q = CU, (2.1) где U - приложенное напряжение; С - емкость конденсатора. Количество электричества - заряд Q слагается из 2-х составляющих: QО, которое было бы на электродах, если бы их разделял вакуум, и QД, которое обусловлено поляризацией диэлектрика, разделяющего электроды. Q= QО + QД . (2.2)  а) б) Рисунок 2.2 - Диэлектрик сложного состава с разными механизмами поляризации в электрическом поле (а) и его эквивалентная схема (б) На рисунке 2.2: U - источник напряжения, Со и QО - емкость и заряд в вакууме; прочие С и Q - соответственно емкости и заряды от электронной, ионной, дипольно-релаксационной, ионно-релаксационной, электроннорелаксационной, миграционной и спонтанной поляризации; ґ - с соответствующими индексами - сопротивления, эквивалентные потерям энергии при этих механизмах поляризации, R - сопротивление изоляции сквозному току через диэлектрик. Важнейшей характеристикой диэлектрика, имеющей особое значение для техники, является относительная диэлектрическая проницаемость- , которая представляет отношение заряда на конденсаторе, содержащем данный диэлектрик к заряду, который был на конденсаторе тех же размеров, если бы между электродами был вакуум или воздух: Q/ QО= (QО+ QД) / QО =1 + QД / QО, (2.3) из (2.3) следует, что для любого вещества больше единицы. Соотношение (2.2) может быть представлено Q=QО=CU=COU, (2.4) где С - емкость конденсатора, если бы его электроды разделял вакуум. Относительная диэлектрическая проницаемость зависит от структуры диэлектрика, от агрегатного состояния, частоты и напряженности поля, температуры, давления и др. Диэлектрическая проницаемость твердых сложных диэлектриков (смесь компонентов) может быть определена на основании логарифмического закона смешения (в общем случае применим для расчета самых различных свойств - теплопроводности, показателя преломления и др.) х1 х1 + 22х, (2.5) где 1,2,3 – диэлектрическая проницаемость отдельных компонентов; 1,2 - объемные концентрации компонентов; (1 + 2) = 1; (2.6) Х - константа, характеризующая распределение компонентов и принимает значение от +1 до -1. 2.2 Методы экспериментального определения и расчета является важнейшей характеристикой диэлектрика. Для определения находят емкость Сх конденсатора с диэлектриком из испытуемого материала. В случае плоской формы образца расчет производят по формуле: = Сх4π / Sо, (2.7) где - толщина образца, м; S - его площадь, м2 ; 0- электрическая постоянная, равная 8,85·10-12 Ф/м. Для определения Сх применяется мостовой метод. Измерения производятся на переменном напряжении низкой частоты по схеме в соответствии с рисунком 2.3.  Рисунок 2.3 - Переменное напряжение низкой частоты Сх считается определенным, если сопротивления цепей Сх·r3 = Сэ·(r4+С4) будут равны; в этом случае ток через гальванометр G будет минимальным или равным 0. Равенство сопротивлений в цепях достигается регулированием сопротивления r3 и емкости С4. В этом случае Сх Сэ r4 1 tg. (2.8)  r3 1 В уравнении (2.8) величина потерь в диэлектрике (о чем речь будет идти дальше) находится в пределах от 0.01 до 0.0001, а квадрат будет близок к 0., поэтому множителем 1/ 1+ tg в первом приближении можно пренебречь. 2.3 Электропроводность диэлектрика Все диэлектрические материалы под воздействием постоянного напряжения пропускают некоторый весьма незначительный ток, называемый “током утечки”. Общий ток утечки через изоляцию составит I = Iv + Is , (2.9) где Iv- объемный ток; Is- поверхностный ток. I Следовательно, проводимость G складывается из объемной U  I v Is проводимости Gs и поверхностной проводимости Gs , отсюда  U U G = Gv +Gs. (2.10)  Рисунок 2.4 - Виды электрического тока в диэлектрике Величины, обратные проводимостям, называются сопротивлениями изоляции – объемным, поверхностным и результирующим R 1 Rv Rs . (2.11)  G Rv Rs Для сравнительной оценки объемной и поверхностной проводимости пользуются значениями удельного объемного сопротивления - ρν и удельного поверхностного сопротивления- ρs. В системе СИ ρν [Ом·м] рассчитывается по формуле: v Rv S , (2.12)  h где Rv - объемное сопротивление образа, Ом; S - площадь электрода, м2; h - толщина образца, м. ρs [Ом] определяется из выражения: s Rs d , (2.13) l  где Rs - поверхностное сопротивление образа, Ом; d - ширина электродов на поверхности образца, м; l - расстояние между электродами, м. Удельная электропроводность диэлектриков зависит от агрегатного состояния, химического состава и структуры, от воздействия внешних факторов: температуры, Е, влажности и др. 3 Лекция №3. Физические процессы в диэлектриках. Диэлектрические потери и пробой диэлектриков Содержание лекции: характеристики диэлектрических потерь; - определение пробоя диэлектриков и электрической прочности; - методы определений. Цель лекции: изучение явлений диэлектрических потерь и пробоя диэлектриков. |