Класифікація електротехнічних матеріалів

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.


Нажми чтобы узнать.
скачати

Самий неміцний вид зв'язку - молекулярна зв'язок (зв'язок Ван-дер-Ваальса). Такий зв'язок існує в деяких речовинах між молекулами з ковалентними внутрішньомолекулярними зв'язками.
Міжмолекулярна тяжіння обумовлюється узгодженим рухом валентних електронів в сусідніх, молекулах. У будь-який момент часу електрони максимально віддалені один від одного і максимально наближені до позитивних зарядам. При цьому сили тяжіння валентних електронів позитивно зарядженими кістяками сусідніх молекул виявляються сильнішими сил взаємного відштовхування електронів зовнішніх орбіт. Зв'язок Ван-дер-Ваальса спостерігається між молекулами деяких речовин (наприклад, парафіну) мають низьку температуру плавлення, що свідчить про слабкості їх кристалічної решітки.
Основним, характерним для будь-якого діелектрика процесом, що виникає при впливі на нього електричної напруги, є поляризація - обмежена зміщення зв'язаних зарядів або орієнтація дипольних молекул.
Дипольно-релаксаційна поляризація для стислості називається дипольної. Відрізняється від електронної та іонної поляризації тим, що вона пов'язана з тепловим рухом частинок. Дипольні молекули, що знаходяться у хаотичному тепловому русі, частково орієнтуються під дією поля, що і є причиною поляризації.
Дипольна поляризація можлива, якщо молекулярні сили не перешкоджають диполя орієнтуватися уздовж поля. Зі збільшенням температури молекулярні сили послаблюються, в'язкість речовини знижується, що повинно посилювати дипольних поляризацію, проте в той же час зростає енергія теплового руху молекул, що зменшує ориентирующее вплив поля. Тому зі збільшенням температури, дипольна поляризація спочатку зростає (поки ослаблення молекулярних сил позначається сильніше, ніж зростання хаотичного теплового руху), а потім, коли хаотичний рух стає інтенсивнішим, дипольна поляризація зі зростанням температури починає падати.
Поворот диполів в напрямку поля у в'язкому середовищі вимагає подолання деякого опору, а тому дипольна поляризація пов'язана з втратами енергії.
Діелектрична проникність твердих тіл залежить від структурних особливостей твердого діелектрика. У твердих тілах можливі всі види поляризації. Для твердих неполярних діелектриків характерні ті ж закономірності, що й для неполярних рідин і газів. Це підтверджується залежністю ξ r (t) для парафіну. При переході парафіну із твердого стану в рідкий (температура плавлення близько +54 ° С) відбувається різке зменшення діелектричної проникності внаслідок зниження щільності речовини.
Газоподібні речовини характеризуються малими плотностями. Тому діелектрична проникність всіх газів незначна і близька до одиниці. Якщо молекули газу полярні то поляризація може бути дипольної, однак і для полярних газів основне значення має електронна поляризація.
Поляризація рідин, що містять дипольні молекули, визначається електронної та дипольної поляризациями. Чим більше електричний момент диполів і число молекул в одиниці об'єму, тим більшою діелектричною проникністю володіють рідкі діелектрики. Діелектрична проникність рідких полярних діелектриків змінюється в межах від 3 до 5,5.
Тверді діелектрики, що представляють собою іонні кристали з щільною упаковкою частинок, мають електронної та іонної поляризациями і мають діелектричну проникність, що змінюється в широких межах. Для неорганічних стекол (квазіаморфних діелектриків) діелектрична проникність змінюється в межах від 4 до 20. Тверді діелектрики, що представляють собою іонні кристали з нещільної упаковкою часток, крім електронної та іонної поляризації мають іонно-релаксаційну поляризацію і характеризуються невисоким значенням діелектричної проникності. Так наприклад ξ r кам'яної солі має значення 6, корунду 10, рутил 110, а титанат кальцію 150. (Всі значення ξ r наведені для температури 20 ° С.)
Полярні органічні діелектрики виявляють дипольно-релаксаційну поляризацію в твердому стані. До таких діелектриків відносяться целюлоза і продукти її переробки, полярні полімери. Дипольно-релаксаційна поляризація спостерігається також в льоду. Діелектрична проникність зазначених матеріалів у великій мірі залежить від температури і від частоти прикладеної напруги, підкоряючись тим самим закономірностям, які спостерігаються для полярних рідин.
Можна відзначити, що діелектрична проникність льоду різко змінюється в залежності від температури і частоти. При низьких частотах і температурі, близькій до О ° С, лід, як і вода, має ξ r ~ 80, проте з пониженням температури ξ r швидко падає і доходить до 2,85.
Діелектрична проникність складних діелектриків, що представляють собою механічну суміш двох компонентів з різними діелектричними проницаемостями визначається, в першому наближенні, на підставі логарифмічного закону змішання.
Струм у газах може виникнути тільки при наявності в них іонів або вільних електронів. Іонізація нейтральних молекул газу виникає або під дією зовнішніх факторів, або внаслідок зіткнень заряджених частинок з молекулами.
Електропровідність рідких діелектриків тісно пов'язана з будовою молекул рідини. У неполярних рідинах електропровідність залежить від наявності дисоційованому домішок, в тому числі вологи. У полярних рідинах електропровідність визначається не тільки домішками, але іноді і дисоціацією молекул самої рідини. Струм в рідині може бути обумовлений як пересуванням іонів, так і переміщенням щодо великих заряджених колоїдних частинок.
Електропровідність твердих тіл обумовлюється пересуванням, як іонів самого діелектрика, так і іонів випадкових домішок, а у деяких матеріалів може бути викликана наявністю вільних електронів. Електронна електропровідність найбільш помітна при сильних електричних полях.
У діелектриках з атомної чи молекулярної гратами електропровідність пов'язана тільки з наявністю домішок, питома провідність їх дуже мала.
У системі СІ питомий об'ємний опір ρ v одно об'ємному опору куба з ребром в 1 м , Подумки вирізаного з досліджуваного матеріалу (якщо струм проходить крізь куб, від однієї його грані до протилежної), помноженому на 1 м .
Для плоского зразка матеріалу в однорідному полі питомий об'ємний опір (Ом-метр) розраховується за формулою
ρ = RS / h,
де
R - Об'ємний опір зразка, Ом;
S - площа електрода, м 2;
h - Товщина зразка, м.
Питома об'ємна провідність γ вимірюється в Сіменса на метр
Втрати в діелектрику (діелектричні втрати) - це потужність, що розсіюється в діелектрику при впливі на нього електричного поля і викликає нагрівання діелектрика. Втрати в діелектриках спостерігаються як при змінній напрузі, так і при постійному, оскільки в матеріалі виявляється наскрізний струм, обумовлений провідністю.
Від постійної напруги немає періодичної поляризації. Якість матеріалу при цьому характеризується значеннями питомого об'ємного і поверхневого опорів. При змінній напрузі необхідно використовувати якусь іншу характеристику якості матеріалу, так як в цьому випадку, крім наскрізного струму, виникають додаткові причини, що викликають втрати в діелектрику.
Діелектричні втрати в електроізоляційні матеріали можна характеризувати розсіюваною потужністю, віднесеної до одиниці об'єму, або питомими втратами; частіше для оцінки здатності діелектрика розсіювати потужність в електричному полі користуються кутом діелектричних втрат, а також тангенсом цього кута.
Неприпустимо великі діелектричні втрати в електроізоляційні матеріали викликають сильне нагрівання виготовленого з нього вироби і можуть призвести до його теплового руйнування. Навіть якщо напруга, прикладена до діелектрика, недостатньо, велике для того, щоб за рахунок діелектричних втрат міг статися неприпустимий перегрів, то і в цьому випадку великі діелектричні втрати можуть принести істотну шкоду, збільшуючи, наприклад, активний опір коливального контуру, в якому використаний даний діелектрик а, отже, і величину загасання.
Гума і папір є органічними діелектриками молекулярної структури з полярними молекулами. Ці речовини з-за властивою їм дипольно-релаксаційної поляризації володіють великими втратами. Тангенс кута втрат tgδ ~ 0,03, для сажових гум до 0,25.
Скло, неорганічні квазіаморфние речовини іонної структури представляють собою складні системи різних оксидів. Діелектричні втрати в таких речовинах пов'язані з явищем поляризації і електропровідності. Електричні властивості досить великою мірою залежать від їх складу. Для кварцового скла тангенс кута втрат tgδ ~ 0,0002.
Пінопласти - матеріали з комірчастою структурою, в яких газоподібні наповнювачі ізольовані один від одного і від навколишнього середовища тонкими шарами полімерного сполучного. Пінопласти на основі епоксидних смол мають тангенс кута втрат tgδ ~ 0,025 - 0.035. Пінопласти на основі пінополістиролу tgδ ~ 0,0004.
Таким чином, менші електричні втрати слід очікувати від скла.
Діелектрик, перебуваючи в електричному полі, втрачає властивості електроізоляційного матеріалу, якщо напруженість поля перевищить деяке критичне значення. Це явище носить назву пробою діелектрика або порушення його електричної міцності. Значення напруги, при якому відбувається пробій діелектрика, називається пробивним напругою, а відповідне значення напруженості поля - електричною міцністю діелектрика.
Пробивна напруга позначається U np і вимірюється найчастіше в кіловольт. Електрична міцність визначається пробивним напругою, віднесених до товщини діелектрика в місці пробою:
Е np = U np / h
де h - Товщина діелектрика
Зручні для практичних цілей чисельні значення електричної міцності діелектриків виходять, якщо пробивну напругу виражати в кіловольт, а товщину діелектрика - в міліметрах. Тоді електрична міцність буде в кіловольта на міліметр. Для збереження чисельних значень і переходу до одиниць системи СІ можна користуватися одиницею МВ / м:
Рідкі діелектрики відрізняються більш високою електричною міцністю, ніж гази в нормальних умовах. Гранично чисті рідини отримати надзвичайно важко. Постійними домішками в рідких діелектриках є вода, гази і тверді частинки. Наявність домішок і визначає в основному явище пробою рідких діелектриків і викликає великі труднощі для створення точної теорії пробою цих речовин.
Теорію електричного пробою можна застосувати до рідин, максимально очищеним від домішки. При високих значеннях напруженості електричного поля може відбуватися виривання електронів з металевих електродів і, як і в газах, руйнування молекул самої рідини за рахунок ударів зарядженими частинками. При цьому підвищена електрична міцність рідкого діелектрика в порівнянні з газоподібним обумовлена ​​значно меншою довжиною вільного пробігу електронів. Пробій рідин, що містять газові включення, пояснюють місцевим перегрівом рідини за рахунок енергії, що виділяється у відносно легко іонізуючих бульбашках газу, який призводить до утворення газового каналу між електродами. Вода у вигляді окремих дрібних крапельок, що знаходяться в трансформаторному маслі, при нормальній температурі значно знижує E пр. Під впливом тривалого електричного поля сферичні крапельки води сильно дипольної рідини поляризуються, набувають форму еліпсоїдів і, притягаючи між собою різнойменними кінцями, створюють між електродами ланцюжка з підвищеною провідністю, по яких і відбувається електричний пробій.
Обпалений фарфор має щільність 2,3-2,5 Мг / м 3. Межа міцності при стисненні 400-700 МПа, при розтягуванні 45-70 МПа, при вигині 80-150 МПа. З чого видно, що механічна міцність порцеляни вище при роботі на стиск.
Захисні властивості різних матеріалів до корпускулярним і хвильовим випромінюванням високої енергії зручно характеризувати поняттям шару десятикратного ослаблення, тобто товщиною шару речовини, після проходження, якого інтенсивність випромінювання послаблюється в десять разів. Ця характеристика значно полегшує розрахунки елементів захисту. Наприклад, для послаблення в 100 разів необхідно взяти товщину захисного речовини, що дорівнює двом верствам десятикратного ослаблення. Очевидно, п верств десятикратного ослаблення знизить інтенсивність випромінювання в 10 n раз.
Поглинання квантової енергії речовиною залежить від щільності цієї речовини. З перерахованих речовин найбільшу щільність має свинець. Для поглинання 1 МеВ квантового випромінювання товщина свинцю повинна бути ~ 30 мм, стали ~ 50 мм, бетону ~ 200 мм, води 400 мм. Таким чином, свинець має найменшу товщину шару десятикратного ослаблення.
Найважливішими практично застосовуваними твердими провідникові матеріали в електротехніці є метали і їх сплави. З них виділяються метали високої провідності, що мають питомий опір ρ при нормальній температурі не більше 0,05 мкОм * м, та сплави високого опору мають питомий опір ρ при нормальній температурі не менше 0,3 мкОм * м. Метали високої провідності використовуються для проводів, струмопровідних жил кабелів, обмоток електричних машин. До таких металів відносяться мідь (0,017 мкОм * м), Срібло (0,016 мкОм * м) Алюміній (0,028 мкОм * м)
Метали і сплави високого опору застосовуються для виготовлення резисторів електронагрівальних приладів, ниток ламп розжарювання. До металів і сплавів високого опору відносяться Манганин (0,42-0,48 мкОм * м), Константан (0,48-0,52 мкОм * м), Хромо-нікелівие сплави (1,1-1,2 мкОм * м ), Хромо-алюмінієві (1,2-1,5 мкОм * м), Ртуть, Свинець, Вольфрам.
У 1911 р . нідерландський фізик X. Камерлііг-Оннес досліджував електропровідність металів при досить низьких температурах, що наближаються до абсолютного нуля. Він виявив, що при охолодженні до температури, приблизно рівній температурі зрідження гелію, опір кільця із замороженої ртуті раптово, різким стрибком падає до надзвичайно малого, що не піддається вимірюванню, значення. Таке явище, тобто наявність у речовини практично нескінченної питомої провідності, було названо надпровідністю. Температура Т С, при охолодженні до якої речовина переходить в понад провідний стан, - температурою надпровідного переходу. Речовини, що переходять у надпровідні стан, - надпровідниками.
Явище надпровідності пов'язано з тим, що електричний струм, одного разу наведений в надпровідному контурі, буде тривалий час (роками) циркулюватиме по цьому контуру без помітного зменшення своєї сили, і притому без жодного підведення енергії ззовні.
В даний час відомо вже 35 надпровідникових металів і більше тисяч надпровідникових сплавів і хімічних сполук різних елементів. У той же час багато речовин, в тому числі і такі, які мають дуже малими значеннями ρ при нормальній температурі, метали як срібло, мідь, золото, платина та інші, при найбільш низьких досягнутих в даний час температурах (близько міллікельвіна) перевести в надпровідний стан не вдалося.
Методи, що використовуються в практиці напівпровідники можуть бути поділені на прості напівпровідники (їх основний склад утворений атомами одного хімічного елемента) і складні напівпровідникові композиції, основний склад яких утворений атомами двох або більшої кількості хімічних елементів. В даний час вивчаються також скловидні і рідкі напівпровідники. Прості напівпровідники, це: Бор, Кремній, Германій, Фосфор, Миш'як, Селен, Сірка, Телур, Йод. Складними напівпровідниками є сполуки елементів різних груп таблиці Менделєєва, відповідні загальними формулами A IV B, IV (наприклад, SiC), A III B V (InSb, GaAs, GaP), A II B IV (CdS, ZnSe), а також деякі оксиди (CU 2 O). До напівпровідниковим композиціям можна віднести матеріали з полупроводящей або проводить фазою з карбіду кремнію і графіту, зчеплених керамічної або інший зв'язкою.
У сучасній техніці особливе значення придбали кремній, германій і частково селен, що застосовується для виготовлення діодів, тріодів та інших напівпровідникових приладів.
Терморезистори (термістори) виготовляють у вигляді стерженьков, пластинок або таблеток методами керамічної технології. Опір і інші властивості терморезисторов залежать не тільки від-складу, але і від крупності зерна, від технологічного процесу виготовлення: тиску при пресуванні (якщо напівпровідник беруть у вигляді порошку) і температури випалу. Терморезистори використовуються для вимірювання, регулювання температури і термокомпенсации, для стабілізації напруги, обмеження імпульсних пускових струмів, вимірювання теплопровідності рідин, в якості безконтактних реостатів і струмових реле часу.
З напівпровідникової кераміки, яка має точкою Кюрі, виготовляються терморезистори, що відрізняються від всіх інших терморезисторов тим, що мають не негативний, а дуже великий позитивний температурний коефіцієнт опору (понад +20% / К) у вузькому інтервалі температур (близько 10 ° С). Такі терморезистори називають позисторами. Їх виготовляють у вигляді дисків невеликої товщини і призначають для контролю і регулювання температури, використання в системах пожежної сигналізації, запобігання двигунів від перегріву, обмеження струмів, вимірювання потоків рідин і газів.
Напівпровідникові оксиди використовуються в основному для виготовлення терморезисторов з великим негативним температурним коефіцієнтом питомого опору [- (З-4)% / К].
Для запам'ятовуючих пристроїв обчислювальної техніки застосовуються ферити, що володіють прямокутною формою петлі гістерезису. Основним з параметрів виробів цього типу є коефіцієнт прямокутності петлі гістерезису До п представляє собою відношення залишкової індукції В т до максимальної індукції У макс
До п = В т / У макс
Для виготовлення сердечників трансформаторів використовують магнитомягкие матеріали у вигляді набору тонких, ізольованих один від одного, аркушів. Дана конструкція сердечника трансформатора дозволяє значно зменшити втрати на вихрові струми (струми Фуко).
Магнітотверді матеріали використовують в основному для виготовлення постійних магнітів.
За складом, станом і способу отримання магнітотверді матеріали поділяють на:
1) леговані мартенситні стали,
2) литі магнітотверді сплави,
3) магніти з порошків,
4) магнітотверді ферити,
5) пластично деформуються сплави,
6) магнітні стрічки.
Характеристиками матеріалів для постійних магнітів служать коерцитивна сила, залишкова індукція і максимальна енергія, що віддається магнітом у зовнішній простір. Магнітна проникність матеріалів для постійних магнітів нижче, ніж магнитомягких матеріалів, причому, чим вище коерцитивна сила, тим менше магнітна проникність.
Найбільш простим і доступним матеріалом для виготовлення постійних магнітів є леговані мартенситні сталі. Вони легується добавками вольфраму, хрому, молібдену, кобальту. Значення W макс для мартенситних сталей становить 1-4 кДж / м 3. Магнітні властивості таких сталей гарантуються для мартенситних сталей після здійснення термообробки, специфічною для кожної марки сталі, і п'ятигодинної структурної стабілізації в киплячій воді. Мартенситні стали почали застосовувати для виробництва постійних магнітів раніше за всіх інших матеріалів. В даний час вони мають обмежене застосування, оскільки вони мають невисоких магнітних властивостей, але повністю від них не відмовляються, оскільки вони дешеві і допускають механічну обробку на металорізальних верстатах.
Для роботи у високочастотних установках найбільш підходящий матеріал - магнітотвердих ферит (барієвий ферит). На відміну від магнитомягких феритів він має не кубічну, а гексагональну кристалічну решітку з одноосной анізотропією. Магніти з фериту барію мають коерцитивної силу до 240кА / м, однак за залишковою індукції 0,38 Тл і запасеної магнітної енергії 12,4 кДж / м 3 вони поступаються сплавів системи альні. Питомий опір барієвої фериту 10 4 - 10 7 Ом * м, тобто в мільйони разів вище питомої опору литих металевих магнітотвердих сплавів.
Високим електричним опором а, отже, і малим тангенсом кута магнітних втрат, мають металлопластіческіе магніти (з досить низькими магнітними властивостями), що так само дозволяє використовувати їх в апаратурі з наявністю змінного магнітного поля підвищеної частоти.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Контрольна робота
42.8кб. | скачати


Схожі роботи:
Класифікація та основні властивості провідникових матеріалів
Склад і класифікація витрат по створенню і зберіганню запасу матеріалів
Конструкції та технологія виготовлення електротехнічних виробів
Особливості художнього конструювання електротехнічних виробів як обєктів дизайну
Особливості художнього конструювання електротехнічних виробів як об єктів дизайну
Критерії оцінки СКУД Класифікація засобів і систем контролю Класифікація СКУД
Технологія матеріалів
Аудит уч та матеріалів
Облік матеріалів 2
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru