Електротехнічні матеріали

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

скачати

Електротехнічні матеріали
1. Класифікація електротехнічних матеріалів.
Всі тіла, в залежності від їх електричних властивостей, можуть бути віднесені до групи діелектриків, провідників чи напівпровідників. Різниця між провідниками, напівпровідниками і діелектриками найбільш наочно можна показати за допомогою енергетичних діаграм зонної теорії твердих тіл [3].
Енергетичні рівні.
Схема розташування.

Підпис:

Рис. 1. 1 - нормальний енергетичний рівень атома; 2 - заповнена електронами зона, 3 - рівні збудженого стану атома; 4 - вільна зона; 5 - заборонена зона.
Підпис: Рис. 1. 1 - нормальний енергетичний рі ¬ вень атома; 2 - заповнена електро ¬ нами зона, 3 - рівні збудженого стану атома; 4 - вільна зона; 5 - заборонена зона.
Дослідження спектрів випромінювання різних речовин у газоподібному стані, коли атоми відстоять один від одного на великих відстанях, показує, що для атомів кожного речовини характерні цілком певні спектральні лінії. Це говорить про наявність певних енергетичних станів (рівнів) для різних атомів. Частина цих рівнів заповнена електронами в нормальному, не збудженому стані атома, на інших електрони можуть знаходитися тільки тоді, коли атом піддасться зовнішньому енергетичному впливу; при цьому він порушений. Прагнучи прийти до стійкого стану, атом випромінює надлишок енергії в момент переходу електронів з порушених рівнів на рівні, при яких його енергія мінімальна. Сказане можна характеризувати енергетичної діаграмою атома, наведеної на рис. 3.1.
При конденсації газоподібного речовини в рідину, а потім освіту кристалічної решітки твердого тіла всі наявні у даного типу атомів електронні рівні (як заповнені електронами, так і незаповнені) дещо зміщуються внаслідок дії сусідніх атомів один на одного. Таким чином, з окремих енергетичних рівнів відокремлених атомів у твердому тілі утворюється ціла смуга - зона енергетичних рівнів.
Рис. 3.2. показує відмінність в енергетичних діаграмах (при температурі 0 ° К) металевих провідників, напівпровідників і діелектриків. Діелектриком буде таке тіло, у якого заборонена зона настільки велика, що електронною електропровідності в звичайних умовах не спостерігається. Напівпровідниками будуть речовини з вужчою забороненою зоною, яка може бути подолана за рахунок зовнішніх енергетичних впливів. У металевих провідників заповнена електронами зона впритул прилягає до зоні вільних енергетичних рівнів або навіть перекривається нею. Внаслідок цього електрони в металі вільні, тому що вони можуть переходити з рівнів заповненої зони на не зайняті рівні вільної зони під впливом слабких напруженостей прикладеної до провідника електричного поля.
При відсутності в напівпровіднику вільних електронів = 0 ° К) прикладена до нього різниця електричних потенціалів не викличе струму. Якщо ззовні буде підведена енергія, достатня для перекидання електронів через заборонену зону, то, ставши вільними, електрони зможуть переміщатися і під дією електричного поля, створюючи електронну електропровідність напівпровідника.
Енергетичне відмінність металевих провідників від напівпровідників і діелектриків

Рис. 3.2.
У заповненій зоні, звідки пішов електрон, утворилася «електронна дірка», а тому в напівпровіднику почнеться інше «естафетне» рух електронів, що заповнюють утворилася дірку, причому під впливом електричного поля дірка буде рухатися в напрямку поля як еквівалентний позитивний заряд.
Процес переходу електронів у вільний стан супроводжується і зворотним явищем, тобто поверненням електронів в нормальний стан. У результаті в речовині настає рівновага, тобто кількість електронів, що переходять у вільну зону, стає рівною кількості електронів, які повертаються назад в нормальний стан.
З підвищенням температури число вільних електронів в напівпровіднику зростає, а зі зниженням температури до абсолютного нуля - убуває аж до нуля.
Таким чином, речовина, що представляє собою діелектрик при одних температурах, при інших, більш високих, може придбати провідність; при цьому відбувається якісна зміна речовини.
Енергію, необхідну для перекладу електрона у вільний стан або для утворення дірки, можуть доставити не тільки теплове рух, але й інші джерела енергії, наприклад, поглинена матеріалом енергія світла, енергія потоку електронів і ядерних частинок, енергія електричних і магнітних полів, механічна енергія і т. д.
Збільшення числа вільних електронів чи дірок у речовині під впливом будь-якого виду енергії сприяє підвищенню електропровідності, збільшення струму, появи електрорушійних сил.
Електричні властивості визначаються умовами взаємодії атомів речовини і не є неодмінною особливістю даного атома. Наприклад, вуглець у вигляді алмазу є діелектриком, а у вигляді графіту він має велику провідністю.
Домішки та пов'язані з ними дефекти кристалічної решітки також грають велику роль в електричних властивостях твердих тіл.
2. Провідники.
В якості провідників електричного струму можуть бути використані тверді тіла, рідини, а при відповідних умовах і гази.
Твердими провідниками є метали. Металеві провідникові матеріали можуть бути розділені на матеріали високої провідності і матеріали високого опору. Метали з високою провідністю використовуються для проводів, кабелів, обмоток трансформаторів, електричних машин і т. д. Метали і сплави високого опору застосовуються в електронагрівальних приладах, лампах розжарювання, реостатах, зразкових опорах і т. п. [3].
До рідких провідникам відносяться розплавлені метали і різні електроліти. Як правило, температура плавлення металів висока, за винятком ртуті, у якої вона становить близько -39 ° С. Тому при нормальній температурі в якості рідкого металевого провідника може бути використана тільки ртуть. Інші метали є рідкими провідниками при більш високих температурах (наприклад, при плавці металів струмами високої частоти).
Механізм протікання струму по металах у твердому і рідкому станах обумовлений рухом вільних електронів, внаслідок чого їх називають провідниками з електронною провідністю, або провідниками першого роду. Провідниками другого роду, або електролітами, є розчини (в основному водні) кислот, лугів і солей. Проходження струму через ці провідники пов'язано з перенесенням разом з електричними зарядами частин молекули (іонів), внаслідок чого склад електроліту поступово змінюється, а на електродах виділяються продукти електролізу.
Іонні кристали в розплавленому стані також є провідниками другого роду. Прикладом можуть служити соляні гартівні ванни з електронагрівом. Всі гази і пари, в тому числі і пари металів, при низьких напруженостях електричного поля не є провідниками. Однак, якщо напруженість поля перевершила деяке критичне значення, що забезпечує початок ударної і фотоіонізації, то газ може стати провідником з наявністю електронної та іонної провідності. Сильно іонізований газ при рівності числа електронів і позитивних іонів в одиниці об'єму представляє собою особливу провідне середовище, що носить назву плазми.
Металеві провідники є основним типом провідникових матеріалів, застосовуваних в електротехніці.
Класична електронна теорія металів представляє твердий провідник у вигляді системи, що складається з вузлів кристалічної решітки іонної, всередині якої знаходиться електронний газ з колективізованих (вільних) електронів. У колективізоване стан від кожного атома металу відділяється від одного до двох електронів. При зіткненнях електронів з вузлами кристалічної решітки енергія, накопичена при прискоренні електронів в електричному полі, передається металевій основі провідника, внаслідок чого він нагрівається. В якості досвідченого факту було встановлено, що теплопровідність металів пропорційна їх електропровідності.
При обміні електронами між нагрітими і холодними частинами металу в відсутність електричного поля має місце перехід кінетичної енергії від нагрітих частин провідника до більш холодних, тобто явище, зване теплопровідністю. Так як механізми електропровідності і теплопровідності обумовлюються щільністю і рухом електронного газу, то матеріали з високою провідністю будуть також гарними провідниками тепла.
Ряд дослідів підтвердив гіпотезу про електронний газі в металах. До них належать такі:
1. При тривалому пропусканні електричного струму через ланцюг, що складається з одних металевих провідників, не спостерігається проникнення атомів одного металу в іншій.
2. При нагріванні металів до високих температур швидкість теплового руху вільних електронів збільшується, і найбільш швидкі з них можуть вилітати з металу, переборюючи сили поверхневого потенційного бар'єру.
3. У момент несподіваної зупинки швидко рухався провідника відбувається зміщення електронного газу за законом інерції в напрямку руху. Зміщення електронів призводить до появи різниці потенціалів на кінцях загальмованого провідника, і підключений до них вимірювальний прилад дає покидьок за шкалою.
4. Досліджуючи поведінку металевих провідників у магнітному полі, встановили, що внаслідок викривлення траєкторії електронів в металевій платівці, вміщеній в поперечне магнітне поле, з'являється поперечна е.. д. с. і змінюється електричний опір провідника.
До основних характеристик провідникових матеріалів відносяться:
1) питома провідність чи зворотна величина - питомий електричний опір;
2) температурний коефіцієнт питомого опору;
3) питома теплопровідність;
4) контактна різниця потенціалів і термоелектрорушійної сила
(Термо - е. Д. с);
5) межа міцності при розтягуванні і відносне подовження при розриві.
До найбільш широко поширеним матеріалами високої провідності слід віднести мідь і алюміній.
Переваги міді, що забезпечують їй широке застосування як провідникового матеріалу, наступні:
1) малий питомий опір (з усіх металів тільки срібло має дещо меншу питомий опір, ніж мідь);
2) досить висока механічна міцність;
3) задовільна в більшості випадків застосування стійкість по відношенню до корозії (мідь окислюється на повітрі, навіть в умовах високої вологості, значно повільніше, ніж, наприклад, залізо); інтенсивне окислення міді відбувається тільки при підвищених температурах;
4) добре обробляється - мідь прокочується в листи, стрічки і простягається в дріт, товщина якої може бути доведена до тисячних часток міліметра;
5) відносна легкість пайки та зварювання.
Другим за значенням, після міді, провідниковим матеріалом є алюміній. Це метал сріблясто-білого кольору, найважливіший представник так званих легких металів, алюміній приблизно в 3,5 рази легше міді. Температурний коефіцієнт лінійного розширення, питома теплоємність і теплота плавлення алюмінію більше, ніж у міді.
Внаслідок високих значень питомої теплоємності і теплоти плавлення, для нагріву алюмінію до температури плавлення та переведення у розплавлене стан потрібна велика витрата тепла, ніж для нагріву і розплавлювання такої ж кількості міді, хоча температура плавлення алюмінію нижче, ніж міді.
Алюміній має в порівнянні з міддю зниженими властивостями - як механічними, так і електричними. При однакових перетині й довжині електричний опір алюмінієвого проводу більше, ніж мідного, в 0,028: 0,0172 = 1,63 рази. Отже, щоб отримати алюмінієвий дріт такого ж електричного опору, як і мідний, потрібно взяти його перетин в 1,63 рази більшого діаметру мідного дроту. Алюмінієвий дріт, хоча і товщі мідного, легше його приблизно в два рази.
Звідси випливає просте економічне правило: для виготовлення проводів однієї і тієї ж провідності при даній довжині (тобто за інших рівних умов, при одних і тих же втрати переданої електричної енергії) алюміній вигідніше міді в тому випадку, якщо тонна алюмінію дорожче тонни міді не більше, ніж у два рази.
В даний час у нашій країні, виходячи з економічних міркувань, алюміній не тільки, як правило, замінив мідь для повітряних ліній передач, але починає впроваджуватися і у виробництво ізольованих кабельних виробів.
3.Діелектріческіе матеріали.
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.
Про явища, обумовлених поляризацією діелектрика, можна судити за значенням діелектричної проникності, а також за величиною кута діелектричних втрат, якщо поляризація діелектрика супроводжується розсіюванням енергії, що викликає нагрівання діелектрика [3].
Завдяки наявності в технічному діелектрику вільних зарядів, під впливом електричної напруги в ньому завжди виникає струм наскрізний провідності, малий за величиною, що проходить через товщу діелектрика і по його поверхні. У зв'язку з цим явищем діелектрик характеризується питомою об'ємною провідністю і питомої поверхневої провідністю, які є зворотними величинами відповідних значень питомого об'ємного та поверхневого опорів. Особливості поляризації дають можливість підрозділити всі діелектрики на кілька груп. Будь-діелектрик може бути використаний тільки при напругах, що не перевищують граничних значень, характерних для нього в певних умовах. При напругах вище цих граничних значень настає явище пробою діелектрика - повна втрата ним ізоляційних властивостей.
Електрична міцність матеріалу, тобто здатність його витримувати без руйнування прикладена напруга, характеризується величиною пробивний напруженості електричного поля. Електроізоляційні матеріали мають надзвичайно важливе значення для електротехніки. Ці матеріали використовуються для створення електричної ізоляції, яка оточує струмоведучі частини електричних пристроїв і розділяє одна від одної частини, що знаходяться під різними електричними потенціалами. Призначення електричної ізоляції - не допускати проходження електричного струму з яких-небудь небажаних шляхах, крім тих шляхів, які передбачені електричної схемою пристрою. Очевидно, що жодна, навіть найпростіше, електричний пристрій не може бути виконано без використання електроізоляційних матеріалів. Крім того, електроізоляційні матеріали використовуються в якості робочих діелектриків в конденсаторах. Нарешті, до електроізоляційних матеріалів належать і активні діелектрики, тобто діелектрики з регульованими електричними властивостями (сегнетоелектрики, п'єзоелектрики, Електрети та ін.) У різних випадках застосування до електроізоляційних матеріалів пред'являються найрізноманітніші вимоги. Крім електроізоляційних властивостей велику роль відіграють механічні, теплові та інші фізико-хімічні властивості, а також здатність матеріалів піддаватися тим або іншим видам обробки при виготовленні з них необхідних виробів. Тому для різних випадків застосування доводиться вибирати і різні матеріали.
Електроізоляційні матеріали утворюють найбільш численний розділ електротехнічних матеріалів взагалі; кількість окремих видів конкретних електроізоляційних матеріалів, застосовуваних у сучасній електропромисловості, обчислюється багатьма тисячами.
Електроізоляційні матеріали перш за все можуть бути поділені на їхню агрегатним станом на газоподібні, рідкі та тверді. В особливу групу можуть бути виділені тверднуть матеріали, які у вихідному стані, під час введення їх в виготовлено ізоляцію, є рідинами, але потім тверднуть і в готовій, що знаходиться в експлуатації ізоляції є тверді тіла (наприклад, лаки і компаунди).
Велике практичне значення має також поділ електроізоляційних матеріалів відповідно до їх хімічної природою на органічні і неорганічні. Під органічними речовинами маються на увазі з'єднання вуглецю (С); зазвичай вони містять також водень (Н), кисень (О), азот (N) чи інші елементи. Інші речовини вважаються неорганічними; багато з них містять кремній (Si), алюміній (А1) та інші метали, кисень і т. п.
Багато органічних електроізоляційні матеріали мають цінними механічними властивостями, гнучкістю, еластичністю; з них можуть бути виготовлені волокна, плівки і вироби інших різноманітних форм, тому вони знайшли досить широке застосування. Однак органічні електроізоляційні матеріали мають відносно низьку нагревостойкость.
Неорганічні електроізоляційні матеріали в більшості випадків не володіють гнучкістю і еластичністю, часто вони крихкі; технологія їх обробки порівняно складна. Однак, як загальне правило, неорганічні електроізоляційні матеріали мають значно більш високої нагревостойкость, ніж органічні, а тому вони з успіхом застосовуються в тих випадках, коли потрібно забезпечити високу робочу температуру ізоляції. В останні роки з'явилися матеріали з властивостями, проміжними між властивостями органічних і неорганічних матеріалів, - це елементоорганіческіе матеріали, в молекули яких, крім атомів вуглецю, входять атоми інших елементів, зазвичай не входять до складу органічних речовин і більш характерних для неорганічних матеріалів: Si, Al, P і ін
Оскільки величина допустимої робочої температури ізоляції має досить істотне практичне значення, електроізоляційні матеріали та їх комбінації («електроізоляційні системи» електричних машин, апаратів тощо) часто відносять до тих чи інших класів нагрівостійкості.
Електроізоляційні, а також механічні, теплові, вологісні та інші характеристики електроізоляційних матеріалів помітно змінюються в залежності від технології отримання та обробки матеріалів, наявності домішок, умов випробування і т. д..
Електроізоляційні матеріали більшою чи меншою мірою гігроскопічні, тобто мають здатність вбирати в себе вологу з навколишнього середовища, і вологопроникність, тобто здатні пропускати крізь себе пари води.
Вода є сильно дипольним діелектриком з низькою питомою опором, а тому попадання її в пори твердих діелектриків веде до різкого зниження їх електричних властивостей. Особливо помітно вплив вологості при підвищених температурах (30-40 ° С) і високих значеннях φв. близьких до 98-100%. Подібні умови спостерігаються в країнах з вологим тропічним кліматом, причому в період дощів вони можуть зберігатися протягом тривалого періоду часу, що важко позначається при експлуатації електричних машин та апаратів. У першу чергу вплив підвищеної вологості повітря відбивається на поверхневому опорі діелектриків. Для запобігання поверхні електроізоляційних деталей з полярних твердих діелектриків від дії вологості їх покривають лаками, не змочується водою.
Визначення вологості електроізоляційних матеріалів вельми важливо для уточнення умов, при яких здійснюється випробування електричних властивостей даного матеріалу.
4. Напівпровідникові матеріали
Велика група речовин з електронною електропровідністю, питомий опір яких при нормальній температурі лежить між питомими опорами провідників і діелектриків може бути віднесена до напівпровідників.
Електропровідність напівпровідників у сильному ступені залежить від зовнішніх енергетичних впливів, а також від різних домішок, іноді в незначних кількостях присутніх у тілі власного напівпровідника. Керованість електропровідністю напівпровідників температурою, світлом, електричним полем, механічними зусиллями покладена відповідно в основу принципу дії терморезисторов (термісторів), фоторезисторів, нелінійних резисторів (варисторів), тензорезисторів і т.д [3].
Наявність в напівпровідників двох типів електропровідності - «електронної» (n) * і «електронно-діркової» (р) дозволяє отримати напівпровідникові вироби з р-n - переходом.
При існуванні в напівпровіднику р-n - переходу виникає запірний шар, яким обумовлюється випрямний ефект для змінного струму. Наявність двох і більше взаємно пов'язаних переходів дозволяє отримувати керовані системи - транзистори.
На використанні можливостей р - n-переходів засновані найважливіші застосування напівпровідників у електротехніці. Сюди відносяться різні типи як потужних, так і малопотужних випрямлячів, підсилювачів та генераторів. Напівпровідникові системи можуть бути з успіхом використані для перетворення різних видів енергії в енергію електричного струму з такими значеннями коефіцієнта перетворення, які роблять їх порівнянними з існуючими перетворювачами інших типів, а іноді і перевершують їх. Прикладами напівпровідникових перетворювачів можуть бути «сонячні батареї» з к. п. д. близько 11% і термоелектричні генератори.
За допомогою напівпровідників можна отримати і охолодження на
кілька десятків градусів. В останні роки особливе значення набуло рекомбінаційні світіння при низькій напрузі постійного струму електронно-діркових переходів для створення сигнальних джерел світла. Крім вищевказаних основних застосувань напівпровідників вони можуть служити нагрівальними елементами (сілітовие стрижні), з їх допомогою можна порушувати катодне пляма в ігнітронних випрямлячах (ігнітронние палії), вимірювати напруженість магнітного поля (датчики Холла), вони можуть бути індикаторами радіоактивних випромінювань і т. д. Методи, що використовуються в практиці напівпровідникові матеріали можуть бути поділені на прості напівпровідники (елементи), напівпровідникові хімічні сполуки і напівпровідникові комплекси (наприклад, керамічні напівпровідники). В даний час вивчаються також скловидні і рідкі напівпровідники.
Простих напівпровідників існує близько десяти. Для сучасної техніки особливе значення отримали германій, кремній і селен.
Напівпровідниковими хімічними сполуками є з'єднання елементів різних груп таблиці Менделєєва.
До багатофазним напівпровідниковим матеріалів можна віднести матеріали з полупроводящей або проводить фазою з карбіду кремнію, графіту і т. п., зчеплених керамічної або інший зв'язкою. Найбільш поширеними з них є Тіріт, Сіліт та ін
Виготовлені з напівпровідникових матеріалів прилади мають цілу низку переваг, до них відносяться:
1) великий термін служби;
2) малі габарити і вага;
3) простота і надійність конструкції, велика механічна міцність (не бояться трясіння і ударів);
4) напівпровідникові прилади, які замінять електронні лампи, не мають ланцюгів напруження, споживають незначну потужність і володіють малою інерційністю;
5) при освоєнні в масовому виробництві вони економічно доцільні.
Вітчизняна наука і техніка напівпровідників розвивалася власним шляхом, збагачуючи світову науку своїми досягненнями та успіхами і в той же час, використовуючи все прогресивне, що давала зарубіжна наука і техніка, шляхом творчого освоєння практичних результатів іноземних праць.

5. Магнітні матеріали.
Магнетизм - це особливий прояв руху електричних зарядів усередині атомів і молекул, яка проявляється в тому, що деякі тіла здатні притягувати до себе і утримувати частинки заліза, нікелю та інших металів. Ці тіла називаються магнітними [4].
Навколо всякого намагніченого тіла виникає магнітне поле, що є матеріальним середовищем, в якій виявляється дія магнітних сил.
При внесенні в магнітне поле будь-якого тіла воно пронизує магнітними лініями, які певним чином впливають на поле. При цьому різні матеріали по-різному впливають на магнітне поле. У намагнічених тілах магнітне поле створюється під час руху електронів, що обертаються навколо ядра атома і навколо власної осі. Орбіти й осі обертання електронів в атомах можуть перебувати в різних положеннях один щодо іншого, так що в різних положеннях знаходяться магнітні поля, порушувані рухомими електронами. У залежності від взаємного розташування магнітних полів вони можуть складатися або відніматися. У першому випадку атом буде володіти магнітним полем або магнітним моментом, а в другому - не буде. Матеріали, атоми яких не мають магнітного моменту і намагнітити які неможливо, називаються діамагнітними. До них відносяться абсолютна більшість речовин, що зустрічаються в природі, і деякі метали (мідь, свинець, цинк, срібло та інші). Матеріали, атоми яких мають деяким магнітним моментом і можуть намагнічуватися, називаються парамагнітними. До них відносяться алюміній, олово, марганець та ін Виняток становлять феромагнітні матеріали, атоми яких мають великий магнітним моментом і які легко піддаються намагничиванию. До таких матеріалів відносяться залізо, сталь, чавун, нікель, кобальт, гадоліній і їх сплави.
Властивість електричного струму створювати магнітне поле широко використовується на практиці.
Залізний або сталевий стрижень, поміщений усередину соленоїда, при пропущенні струму по соленоїду набуває магнітні властивості.   Стрижень магнітотвердих сталі внаслідок великої величини коерцитивної сили, властивої цьому матеріалу, значною мірою зберігає магнітні властивості і після зникнення струму.
У пристроях електроніки та зв'язку часто застосовують поляризовані електромагніти, у яких або сердечник, або якір, або обидва разом представляють собою магніти.
Неполяризоване електромагніт притягує свій якір незалежно від напрямку посилається в його обмотку струму. Робота ж поляризованого електромагніту залежить від напрямку струму в його обмотці. Так, наприклад, у прямому поляризованому електромагніті струм одного напрямку посилює магнітне поле його осердя, а іншого - послаблює.
Електромагніти знайшли широке застосування в підйомних і гальмівних пристроях, для закріплення у верстатах сталевих оброблюваних деталей, в електроавтоматах, реле та інших пристроях.

Способи збудження електричних машин
Способи збудження машин постійного струму. Схема принципова.
а б в г

Рис а-незалежне збудження; б-послідовне збудження, по-паралельне збудження; р-змішане збудження
Способи збудження машин змінного струму. Схема принципова.
а б в

Рис а-колекторний двигун трифазний послідовного збудження; б-синхронний двигун трифазний з порушенням від постійного магніту, по-синхронний двигун трифазний з обмотками, з'єднаними в зірку з невиведенной нейтраллю
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Реферат
54кб. | скачати


Схожі роботи:
Електротехнічні та конструкційні матеріали
Матеріали
Конструкційні матеріали 2
Матеріали розслідування
Напівпровідникові матеріали
Лакофарбові матеріали
Матеріали в будівництві
Абразивні матеріали
Лакофарбові матеріали 2
© Усі права захищені
написати до нас