Методы и принципы конструирования в радиоэлектронных системах
Создание материалов с заданными свойствами привело к изменениям в
Классификация материалов по электрическим свойствам
При изучении хаотического теплового и направленного под действием силы электрического поля движения электронов был выведен закон Ома. Связь плотности тока J в амперах на квадратный метр и напряженности электрического поля в вольтах на метр в проводнике дается известной формулой: Классическая электронная теория металлов представляет твердый проводник в виде системы, состоящей из узлов кристаллической ионной решетки, внутри которой находится электронный газ из коллективизированных свободных электронов. В свободное состояние от каждого атома металла переходит от одного до двух электронов. К электронному газу применялись представления и законы статистики обычных газов. При столкновениях электронов с узлами кристаллической решетки энергия, накопленная при ускорении электронов в электрическом поле, передается металлической основе проводчика, вследствие чего он нагревается. Таким образом, электронная теория металлов дала возможность аналитически описать и объяснить найденные ранее экспериментальным путем основные законы электропроводности и потерь электрической энергии в металлах. Оказалось возможным также объяснить и связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов. Кроме того, некоторые опыты подтвердили гипотезу об электронном газе в металлах, а именно: При длительном пропускании электрического тока через цепь, состоящую из одних металлических проводников, не наблюдается проникновения атомов одного металла в другой. При нагреве металлов до высоких температур скорость теплового движения свободных электронов увеличивается, и наиболее быстрые из них могут вылетать из металла, преодолевая силы поверхностного потенциального барьера. В момент неожиданной остановки быстро двигавшегося проводника происходит смещение электронного газа по закону инерции в направлении движения. Смещение электронов приводит к появлению разности потенциалов на концах заторможенного проводника, и стрелка подключаемого к ним измерительного прибора отклоняется по шкале. Исследуя поведение металлических проводников в магнитном поле, установили, что вследствие искривления траектории электронов в металлической пластинке, помещенной в поперечное магнитное поле, появляется поперечная ЭДС и изменяется электрическое сопротивление проводника. Классификация и основные свойства проводниковых материалов. К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов, относятся: Удельная проводимость и удельное сопротивление проводников. Удельная проводимость металлических проводников согласно классической теории металлов может быть выражена следующим образом: Преобразование выражения 3 на основе положений квантовой механики приводит к формуле 4: Для различных металлов скорости хаотического теплового движения электронов v T при определенной температуре примерно одинаковы. К такому же выводу можно прийти, исходя из волновой природы электронов. Рассеяние электронных волн происходит на дефектах кристаллической решетки, которые соизмеримы с расстоянием около четверти длины электронной волны. Нарушения меньших размеров не вызывают заметного рассеяния волн. Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов. Число носителей заряда концентрация свободных электронов в металлическом проводнике при повышении температуры практически остается неизменным. Иными словами, температурный коэффициент удельного сопротивления металлов, кельвин в минус первой степени положителен. Изменение удельного сопротивления металлов при плавлении. Как уже указывалось, примеси, и нарушения правильной структуры металлов увеличивают их удельное сопротивление. За передачу теплоты через металл в основном ответственны те же свободные электроны, которые определяют и электропроводность металлов и число которых в единице объема металла весьма велико. Очевидно, что при прочих равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость у металла, тем больше должен быть и его коэффициент теплопроводности. При соприкосновении двух различных металлических проводников между ними возникает контактная разность потенциалов. Причина появления этой разности потенциалов заключается в различии значений работы выхода электронов из различных металлов, а также в том, что концентрация электронов, а, следовательно, и давление электронного газа у разных металлов и сплавов могут быть неодинаковыми. Из электронной теории металлов следует, что контактная разность потенциалов между металлами А и В равна. Рисунок 2 - Схема термопары. Что можно записать в виде. Температурный коэффициент линейного расширения проводников. Этот коэффициент, интересен не только при рассмотрении работы различных сопряженных материалов в той или иной конструкции возможность растрескивания или нарушения вакуум-плотного соединения со стеклами, керамикой при изменении температуры и т. Он необходим также и для расчета температурного коэффициента электрического сопротивления провода. Металлы и сплавы высокой проводимости, их основные характеристики. Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие: Медь получают чаще всего путем переработки сульфидных руд. После нескольких плавок руды и обжигов с интенсивным дутьем медь, предназначенная для электротехники, обязательно проходит процесс электролитической очистки. Полученные после электролиза катодные пластины меди переплавляют в болванки массой кг, которые прокатывают и протягивают в изделия требующегося поперечного сечения. Твердую медь употребляют там, где надо обеспечить особо высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию для контактных проводов, для шин распределительных устройств, для коллекторных пластин электрических машин и пр. Мягкую медь в виде проволок круглого и прямоугольного сечения применяют главным образом в качестве токопроводящих жил кабелей и обмоточных проводов, где важна гибкость и пластичность не должна пружинить при изгибе , а не прочность. Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом. Поэтому она должна расходоваться весьма экономно. Отходы меди на электротехнических предприятиях необходимо тщательно собирать; важно не смешивать их с другими металлами, а также с менее чистой не электротехнической медью, чтобы можно было эти отходы переплавить и вновь использовать в качестве электротехнической меди. Медь как проводниковый материал все шире заменяется другими металлами, в особенности алюминием. В отдельных случаях помимо чистой меди в качестве проводникового материала применяются ее сплавы с оловом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием. Такие сплавы, носящие название бронз, при правильно подобранном составе имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь: Бронзы широко применяют для изготовления токопроводящих пружин и т. Введение в медь кадмия при сравнительно малом снижении удельной проводимости значительно повышает механическую прочность и твердость. Кадмиевую бронзу применяют для контактных проводов и коллекторных пластин особо ответственного назначения. Это дает латуни технологические преимущества перед медью при обработке штамповкой, глубокой вытяжкой и т. В соответствии с этим латунь применяют в электротехнике для изготовления всевозможных токопроводящих деталей. Некоторые марки медных сплавов указаны в таблице 1. Таблица 1 - Свойства медных сплавов. Алюминий является вторым по значению после меди проводниковым материалом. Таким образом, алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди. Температурный коэффициент расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем меди. Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата теплоты, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди. При одинаковых сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода больше, чем медного, в 0, Отсюда понятно, что если ограничены габариты, то замена меди алюминием затруднена. Если же сравнить по массе два отрезка алюминиевого и медного проводов одной длины и одного и того же сопротивления, то окажется, что алюминиевый провод хотя и толще медного, но легче его приблизительно в два раза: Поэтому для изготовления проводов одной и той же проводимости при данной длине алюминий выгоднее меди в том случае, если тонна алюминия дороже тонны меди не более чем в два раза. Весьма важно, что алюминий менее дефицитен, чем медь. Прокатка, протяжка и отжиг алюминия аналогичны соответствующим операциям над медью. Из алюминия может прокатываться тонкая до мкм фольга, применяемая в качестве электродов бумажных и пленочных конденсаторов. Алюминий весьма активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов и делает невозможной пайку алюминия обычными методами. Для пайки алюминия применяются специальные пасты-припои или используются ультразвуковые паяльники. В местах контакта алюминия и меди возможна гальваническая коррозия. Если область контакта подвергается действию влаги, то возникает местная гальваническая пара с довольно высоким значением ЭДС, причем полярность этой пары такова, что на внешней поверхности контакта ток идет от алюминия к меди и алюминиевый проводник может быть сильно разрушен коррозией. Поэтому места соединения медных проводников с алюминиевыми должны тщательно защищаться от увлажнения покрытием лаками и тому подобными способами. Такой особо чистый алюминий сравнительно с обычным более мягок и пластичен и притом обладает повышенной стойкостью по отношению к коррозии. Алюминиевые сплавы обладают повышенной механической прочностью. В альдрее образуется соединение Mg 2 Si , которое сообщает высокие механические свойства сплаву; при указанной выше тепловой обработке достигается выделение MgOSi из твердого раствора и перевод его в тонкодисперсное состояние. Сталеалюминевый провод, широко применяемый в линиях электропередачи, представляют собой сердечник, свитый и из стальных жил и обвитый снаружи алюминиевой проволокой. Увеличенный наружный диаметр сталеалюминевого провода по сравнению с медным на линиях передачи высокого напряжения является преимуществом, так как уменьшается опасность возникновения короны вследствие снижения напряженности электрического поля на поверхности провода. Рисунок 3 - Зависимость полного сечения сталеалюминиевого провода марки АС кривая 1 , сечения стального сердечника кривая 2 и активного электрического сопротивления при частоте 50 Гц единицы длины провода кривая 3 от внешнего диаметра провода D. При переменном токе в стали, как в ферромагнитном материале заметно сказывается поверхностный эффект, поэтому в соответствии с известными законами электротехники активное сопротивление стальных проводников переменному току выше, чем постоянному току. Кроме того, при переменном токе в стальных проводниках появляются потери мощности на гистерезис. Такую сталь используют в качестве материала для проводов воздушных линий при передаче небольших мощностей. В подобных случаях применение стали может оказаться достаточно выгодным, так как при малой силе тока сечение провода определяется не электрическим сопротивлением, а его механической прочностью. Обычная сталь обладает малой стойкостью к коррозии: Поэтому поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более стойкого материала. Обычно для этой цели применяют покрытие цинком. Железо имеет высокий температурный коэффициент удельного сопротивления. Поэтому тонкую железную проволоку, помещенную для защиты от окисления в баллон, заполненный водородом или иным химическим неактивным газом, можно применять в бареттерах, то есть в приборах, использующих зависимость сопротивления от силы тока, нагревающего помещенную в них проволочку, для поддержания постоянства силы тока при колебаниях напряжения. В некоторых случаях для уменьшения расходов цветных металлов в проводниковых конструкциях выгодно применять так называемый проводниковый биметалл. Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно по всей поверхности их соприкосновения. Для изготовления биметалла применяют два способа: Холодный способ обеспечивает равномерность толщины медного покрытия, но требует значительного расхода электроэнергии; кроме того, при холодном способе не обеспечивается столь прочное сцепление слоя меди со сталью, как при горячем способе. Рисунок 4 - Слои десятикратного ослабления для различных материалов в зависимости от энергии квантов излучения. Биметалл имеет механические и электрические свойства, промежуточные между свойствами сплошного медного и сплошного стального проводника того же сечения; прочность биметалла больше, чем меди, но электрическая проводимость меньше. Расположение меди в наружном слое, а стали внутри конструкции, а не наоборот, весьма важно: Такую проволоку применяют для линий связи, линий электропередачи и т. Из проводникового биметалла изготовляются шины для распределительных устройств, полосы для рубильников и различные токопроводящие части электрических аппаратов. Известно 27 чистых металлов и более тысячи различных сплавов и соединений, у которых возможен переход в сверхпроводящее состояние. К ним относятся чистые металлы, сплавы, интерметаллические соединения и некоторые диэлектрические материалы. При понижении температуры удельное электрическое сопротивление металлов уменьшается и при весьма низких криогенных температурах электропроводность металлов приближается к абсолютному нулю. Каммерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление о кольца внезапно падает до очень малого значения, которое невозможно измерить. Такое исчезновение электрического сопротивления, то есть появление бесконечной удельной проводимости у материала, было названо сверхпроводимостью. Материалы, обладающие способностью переходить в сверхпроводимое состояние при их охлаждении до достаточно низкой температуры, стали называть сверхпроводниками. Критическая температура охлаждения, при которой происходит переход вещества в сверхпроводящее состояние, называют температурой сверхпроводимого перехода или критической температурой перехода Ткр. Переход в сверхпроводимое состояние является обратимым. При повышении температуры до Тк материал возвращается в нормальное непроводящее состояние. Особенность сверхпроводников состоит в том, что однажды наведенный в сверхпроводящем контуре электрический ток будет длительно годами циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы и притом без всякого дополнительного подвода энергии извне. Подобно постоянному магниту такой контур создает в окружающем пространстве магнитное поле. Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее состояние становятся идеальными диамагнетиками. Поэтому внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело. Известные сверхпроводники имеют весьма низкие критические температуры перехода Тк. Поэтому устройства, в которых используются сверхпроводники, должны работать в условиях охлаждения жидким гелием температура сжижения гелия при нормальном давлении примерно 4,2 К. Это усложняет и удорожает производство и эксплуатацию сверхпроводниковых материалов. Кроме ртути сверхпроводимость присуща и другим чистым металлам химическим элементам и различным сплавам и химическим соединениям. Однако такие металлы, как серебро и медь, при самых низких температурах, достигнутых в настоящее время, перевести в сверхпроводящее состояние не удалось. Возможности использования явления сверхпроводимости определяются значениями температуры перехода в сверхпроводящее состояние Тк и критической напряженности магнитного поля. Сверхпроводниковые материалы подразделяют на мягкие и твердые. К мягким сверхпроводникам относят чистые металлы, за исключением ниобия, ванадия, теллура. Основным недостатком мягких сверхпроводников является низкое значение критической напряженности магнитного поля. В электротехнике мягкие сверхпроводники не применяются, поскольку сверхпроводящее состояние в этих материалах исчезает уже в слабых магнитных полях при небольших плотностях тока. К твердым сверхпроводникам относят сплавы с искаженными кристаллическими решетками. Они сохраняют сверхпроводимость даже при относительно больших плотностях тока и сильных магнитных полях. Свойства твердых сверхпроводников были открыты в середине нашего столетия и до настоящего времени проблема их исследования и применения является одной из важнейших проблем современной науки и техники. Твердые сверхпроводники обладают рядом особенностей: По технологическим свойствам твердые сверхпроводники делят на следующие виды: В ряде случаев применяют композитные сверхпроводниковые провода, в которых большое число тонких нитевидных сверхпроводников заключено в массивную оболочку из меди или другого несверхпроводникового материала. Пленки сверхпроводниковых материалов имеют особые свойства: Сверхпроводники используют при создании: На основе пленочных сверхпроводников создан ряд запоминающих устройств и элементов автоматики и вычислительной техники. Обмотки электромагнитов из сверхпроводников позволяют получать максимально возможные значения напряженности магнитного поля. Некоторые металлы могут достигать при низких криогенных температурах весьма малого значения удельного электрического сопротивления р, которое в сотни и тысячи раз меньше, чем удельное электрическое сопротивление при нормальной температуре. Материалы, обладающие такими свойствами, называют криопроводниками гиперпроводниками. Физически явление криопроводимости не сходно с явлением сверхпроводимости. Плотность тока в криопроводниках при рабочих температурах в тысячи раз превышает плотность тока в них при нормальной температуре, что определяет их использование в сильноточных электротехнических устройствах, к которым предъявляются высокие требования по надежности и взрывобезопасности. Применение криопроводников в электрических машинах, кабелях и т. Если в сверхпроводниковых устройствах в качестве охлаждающего агента применяют жидкий гелий, работа криопроводников обеспечивается благодаря более высококипящим и дешевым хладагентам - жидкому водороду или даже жидкому азоту. Это упрощает и удешевляет производство и эксплуатацию устройства. Однако необходимо учитывать технические трудности, которые возникают при использовании жидкого водорода, образующего при определенном соотношении компонентов взрывоопасную смесь с воздухом. В качестве криопроводников используют медь, алюминий, серебро, золото. Из угля изготавливают электроды для прожекторов, аноды гальванических элементов, щетки электрических машин, высокоомные резисторы, разрядники для телефонных сетей, а угольные порошки используют в микрофонах и в производстве непроволочных резисторов. Щетки делают из графита, кокса, сажи, в качестве связки выступают каменноугольная и синтетические смолы. Углеродистые материалы, кроме сажи и графита, предварительно прокаливают для удаления летучих компонентов; после смешивания с металлическим порошком и связкой прессуют заготовки и затем вырезают щетки. Заключительной операцией является пропитка щеток смолой или носком для повышения влагостойкости и снижения коэффициента трения. Повышение механической прочности щеток и увеличение электропроводности достигается за счет пропитки щеток расплавленными металлами. Основные технические параметры щеток: Иногда учитывают также падение напряжения на щетках и удельное давление. В настоящее время различают щетки угольно-графитовые УГ , графитные Г , электрографитированные ЭГ и медно-графитовые М и МГ с содержанием порошка меди, приведенные в таблице 2. Таблица 2 - Параметры электрических щеток. Электрические щетки применяют в электрических машинах различного назначения и мощности, в том числе и в быстроходных машинах с кольцами для подвода или съема тока. Зонная теория твердого тела. Из курса атомной физики и квантовой механики известно поведение электронов в отдельно взятом атоме. Электроны в таком атоме могут обладать только определенной энергией или могут находиться только на определенных дозволенных энергетических уровнях. Энергетический спектр электронов приобретает дискретный характер, как это показано на рис. Рисунок 5 - Энергетический спектр электронов изолированного атома. На каждом энергетическом уровне, согласно принципу Паули, может находиться не более двух электронов, отличающихся спиновым квантовым числом. Схема энергетических уровней не зависит от того, заполнены они электронами или нет. Возникает вопрос, как изменяются энергетические уровни электронов в атоме, если отдельные атомы приближать друг к другу, т. Рассмотрим качественную сторону поставленного вопроса. В изолированном атоме существуют силы притяжения ядром атома всех своих электронов и сила отталкивания между электронами. В кристалле из-за близкого расстояния между атомами возникают новые силы. Это силы взаимодействия между ядрами и электронами, принадлежащими разным атомам и между всеми ядрами и электронами. Под влиянием этих дополнительных сил энергетические уровни электронов в каждом атоме кристалла каким-то образом должны измениться. В этом состоит первое следствие сближения атомов. Второе следствие связано с тем, что электронные оболочки атомов, в особенности внешние, могут не только соприкасаться друг с другом, но и способны перекрыться. Совокупность рассмотренных следствий сближения атомов приводит к расщеплению уровней атома, независимо от того находятся на этом уровне электроны или нет. На энергетической шкале вместо отдельных уровней появляется ряд подуровней или энергетических зон, то есть областей таких значений энергий, которыми может обладать электрон, находясь в пределах твердого тела. Энергетические зоны, разделенные интервалами энергий Е з и не принимающие электроны, называются запрещенными зонами. С ростом энергии ширина запрещенной зоны уменьшается, так как имеет место сильное расщепление высокорасположенных атомных уровней. Рисунок 6 - Энергетический спектр электронов в кристалле. Расстояние между подуровнями в зоне кристалла очень мало. При ширине зоны порядка 1эВ расстояние между подуровнями в ней порядка 10 эВ. В нейтральном изолированном атоме все нижние уровни вплоть до валентного уровня заполнены электронами полностью, а уровни выше валентного свободные. Наибольшее значение энергии этой зоны или её вершина равно Е с. Степень заполнения валентной зоны электронами зависит, прежде всего, от химической природы атомов из которых состоит кристалл. В изолированном атоме выше валентного уровня находятся уровни энергий, на которых хотя и нет электронов, но они могут там находиться при возбуждении атома если атом получит энергию. Точно так же и в кристалле: Самую нижнюю из незаполненных зон называют зоной проводимости. Минимальное значение энергии этой зоны или её дно равно Е. Электрические свойства кристаллов в основном зависят от заполнения электронами этих двух зон: С учетом заполнения этих зон электронами возможны четыре типа зонных структур кристаллов рис. Валентная зона заполнена полностью, но запрещенная зона между валентной зоной и зоной проводимости отсутствует, то есть зоны перекрыты рис. В этом случае электроны беспрепятственно могут переходить из валентной зоны в свободную зону проводимости. Такой кристалл будет хорошо проводить электрический ток, и эго электропроводность слабо зависит от температуры. Этот случай соответствует металлам, состоящим из двухвалентных атомов. Валентная зона заполнена не полностью рис. При приложении к такому кристаллу электрического поля, электроны получают от него энергию и могут переходить на более высокие энергетические уровни в соответствующей зоне. В зонах, лежащих ниже валентной, такой переход не возможен, так как в этих зонах все уровни полностью заполнены электронами. Валентная зона заполнена частично, и в ней переходы электронов будут происходить беспрепятственно, что обеспечивает прохождение электрического тока при любой температуре. Такие кристаллы относятся к проводникам, и этот случай реализуется, например для одновалентных металлов типа натрия. У металлов этой группы валентная зона является и зоной проводимости. Валентная зона заполнена электронами полностью и не перекрыта со свободной зоной проводимости рис. Перемещение электронов под действием электрического поля не может происходить, пока каким-либо способом не будет переведена часть электронов из валентной зоны в зону проводимости, преодолев запрещенную зону. Такие кристаллы принято относить к диэлектрикам. Этот случай описывает кристаллы, электропроводность которых повышается при увеличении температуры. Такие кристаллы принято называть полупроводниками. Контактные явления в полупроводниках. Электрическим переходом называют переходный слой в полупроводниковом материале между двумя областями с различными типами электропроводности или разными значениями удельной электрической проводимости. Если переход образован двумя полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны, например германием и арсенидом галлия, его называют гетеропереходом. Электрический переход, образованный в результате контакта полупроводников с одинаковой шириной запрещенной зоны, называют гомопереходом. Электрическое сопротивление омических переходов в отличие от выпрямляющих не зависит от направления тока в заданном диапазоне его значений. По соотношению концентраций примесей в p - и n - областях различают симметричные, несимметричные и односторонние переходы. Обычно в полупроводниковых приборах используют несимметричные переходы, у которых концентрации N д и N a различаются в несколько раз. Если концентрации примесей различаются более чем в 10 раз, переход называют односторонним. Согласно постулатам Бора энергетические уровни для электронов в изолированном атоме имеют дискретные значения. Твердое тело представляет собой ансамбль отдельных атомов, химическая связь между которыми объединяет их в кристаллическую решетку. Если твердое тело состоит из N атомов, то энергетические уровни оказываются N -кратно вырожденными. Электрическое поле ядер, или остовов атомов, выступает как возмущение, снимающее это вырождение. Дискретные моноэнергетические уровни атомов, составляющие твердое тело, расщепляются в энергетические зоны. Решение квантовых уравнений в приближении сильной или слабой связи дает качественно одну и ту же картину для структуры энергетических зон твердых тел. В обоих случаях разрешенные и запрещенные состояния для электронов чередуются и число состояний для электронов в разрешенных зонах равно числу атомов, что позволяет говорить о квазинепрерывном распределении энергетических уровней внутри разрешенных зон. Наибольшее значение для электронных свойств твердых тел имеют верхняя и следующая за ней разрешенные зоны энергий. В том случае, если между ними нет энергетического зазора, то твердое тело с такой зонной структурой является металлом. Если величина энергетической щели между этими зонами обычно называемой запрещенной зоной больше 3 эВ, то твердое тело является диэлектриком. В зависимости от сорта атомов, составляющих твердое тело, и конфигурации орбит валентных электронов реализуется тот или иной тип кристаллической решетки, а следовательно, и структура энергетических зон. На рисунке 8 приведена структура энергетических уровней в изолированном атоме кремния, а также схематическая структура энергетических зон, возникающих при сближении этих атомов и образовании монокристаллического кремния с решеткой так называемого алмазоподобного типа. Верхняя, не полностью заполненная, энергетическая зона в полупроводниках получила название зоны проводимости. Следующая за ней энергетическая зона получила название валентной зоны. Энергетическая щель запрещенных состояний между этими зонами называется запрещенной зоной. На зонных диаграммах положение дна зоны проводимости обозначают значком E c , положение вершины валентной зоны - E v , а ширину запрещенной зоны - E g. Поскольку в полупроводниках ширина запрещенной зоны меняется в широком диапазоне, то вследствие этого в значительной мере меняется их удельная проводимость. Рисунок 8 - Структура энергетических уровней в изолированном атоме кремния, а также схематическая структура энергетических зон, возникающих при сближении этих атомов и образовании монокристаллического кремния. Основные электрические свойства диэлектриков. Диэлектрики - вещества, способные поляризоваться и сохранять электростатическое поле. Это широкий класс электротехнических материалов: По выполняемым функциям они делятся на пассивные и активные. Пассивные диэлектрики применяются в качестве электроизоляционных материалов. По электрическому строению молекул различают неполярные и полярные диэлектрики. В процессе работы электротехнических устройств диэлектрик нагревается, так как часть электрической энергии в нем рассеивается в виде тепла. В качестве высокочастотных используются неполярные диэлектрики. Основные электрические свойства диэлектриков и их характеристики приведены в табл. Тангенс угла диэлектрических потерь. Под влиянием силовых линий электрического поля заряды диэлектрика смещаются по направлению действующих сил в зависимости величины напряженности. При отсутствии электрического поля заряды возвращаются в прежнее состояние. Различают два вида поляризации: К первому виду относятся электронная и ионная поляризации. Наблюдается такая поляризация для всех видов диэлектриков и не связана с потерей энергии, а диэлектрическая проницаемость вещества численно равна квадрату показателя преломления света n 2. Ионная поляризация C и , Q и характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением колебанием упруго связанных ионов в узлах кристаллической решетки за время 10 с. С повышением температуры смещение усиливается и в результате ослабления упругих сил между ионами, а температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ионных диэлектриков оказывается положительным. Ко второму виду относят все релаксационные поляризации. Дипольно-релаксационная поляризация C др , r др , Q др связана с тепловым движением диполей при полярной связи между молекулами. Поворот диполей в направлении электрического поля требует преодоления некоторого сопротивления, выделения энергии в виде тепла r др. Ионно-релаксационная поляризация C ир , r ир , Q ир наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых веществах с неплотной упаковкой ионов. Слабосвязанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых движений получают избыточные набросы в направлении поля и смещаются по силовой линии его. После снятия электрического поля ориентация ионов ослабевает по экспоненциальному закону. Она характерна для диэлектриков с высокими показателями преломления, большим внутренним полем и электронной электропроводностью: Миграционная поляризация C м , r м , Q м протекает в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях, слоях, границ раздела или наличии примесей за время порядка 10 2 с. Эта поляризация проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеянием энергии. Причинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических, сложных диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т. Классификация диэлектриков по виду поляризации. Структура таких материалов состоит из нейтральных молекул, может быть слабополярной и характерна для твердых кристаллических и аморфных материалов таких, как парафин, сера, полистирол, а также жидкие и газообразные материалы как бензол водород и др. О явлении поляризации судят по значению диэлектрической проницаемости. Параметр , характеризующий способность материала образовывать емкость, называется относительной диэлектрической проницаемостью. Определим величины емкостей для некоторых форм диэлектриков. Для изоляции кабелей - системы параллельных проводов вводят понятие удельной или погонной емкости. Размерности в этом случае другие: Практическое значение диэлектрической проницаемости очень велико, Она определяет не только способность материала образовывать емкость, но и входит в ряд основных уравнений, которые характеризуют физические процессы, протекающие в диэлектрике. Диэлектрическая проницаемость газов , вследствие их малой плотности из-за больших расстояний между молекулами незначительна и близка к единице. Обычно поляризация газа электронная или дипольная, если молекулы полярные. Изменение числа молекул газа в единице объема газа n при изменении температуры и давления вызывает изменение диэлектрической проницаемости газа. Число молекул N пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре. При изменении влажности диэлектрическая проницаемость воздуха незначительно меняется прямо пропорционально изменению влажности при комнатной температуре. При повышенной температуре влияние влажности значительно усиливается. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости характеризуется выражением. По этому выражению можно вычислить относительное изменение диэлектрической проницаемости при изменении температуры на 1 0 К - так называемый температурный коэффициент ТК диэлектрической проницаемости. Значение ТК неполярного газа находится по формуле. Диэлектрическая проницаемость полярных жидкостей, которые используются в качестве технических диэлектриков, лежит в пределах от 3,5 до 5, что заметно выше, чем у неполярных жидкостей. Так поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы, определяется одновременно электронной и дипольно-релаксационной поляризациями. Время релаксации молекул 0 связано с частотой f 0 выражением. Таблица 4 - Диэлектрической проницаемости при 20 0 С и 50 Гц для полярных жидкостей. Значение диэлектрической проницаемости важно знать для расчетов многослойных диэлектриков. Напряженность электрического поля в слоях Е и напряжение на них U определяются следующим образом: В случае многослойного конденсатора плоский, n слоев будем иметь для i -го слоя. Особенно в тяжелых условиях оказывается воздушная прослойка между двумя слоями изоляции. Благодаря малой проницаемости и малой электрической прочности газов в них возникают частичные разряды. В этом случае порядок слоев влияет на значение Е в отдельных слоях. В неравномерном поле для уменьшения электрической нагрузки электроизоляционных материалов следует в места с наибольшим электрическим смещением помещать материалы с наибольшей. Абсолютно чистый диэлектрик с идеальной структурой был бы идеальным изолятором, то есть совсем не проводил бы электрический ток. В реальных же диэлектриках всегда содержатся примеси, их структура имеет дефекты, они подвергаются внешним воздействиям. Вследствие этого все диэлектрики содержат небольшое количество подвижных зарядов, а значит в той или иной степени проводят электрический ток. Свободными зарядами, которые перемещаются в электрическом поле и обуславливают электропроводность, могут быть ионы положительные и отрицательные , электроны, структурные дефекты вакансии или дырки. Электропроводность определяется концентрацией этих носителей в соответствии с соотношением: На концентрацию подвижных зарядов оказывают влияние: Концентрация подвижных носителей заряда в полярных материалах, как правило, выше, чем в неполярных. Связано это с тем, что полярные материалы труднее поддаются очистке, вследствие чего в них больше примесей. Нагрев вещества также приводит к росту проводимости. В первом приближении она описывается экспоненциальной функцией: Такая зависимость обусловлена увеличением концентрации заряженных частиц за счет теплового возбуждения или активации. На первом графике сначала величина плотности тока пропорциональна приложенной напряженности электрического поля. Это участок линейной зависимо c ти тока от напряженности поля и соответствует закону Ома: Далее величина тока отклоняется вверх относительно линейной зависимости, то есть величина проводимости материала растет, и значит на данном участке происходит увеличение концентрации подвижных носителей заряда. Такой график зависимости характерен для ионных, полярных диэлектриков, и материалов содержащих примеси. При значительной напряженности электрического поля в них происходит ионизация примесных или собственных атомов, что и приводит к увеличению концентрации подвижных носителей. На втором графике величина тока отклоняется вниз и перестает увеличиваться, наблюдается насыщение тока. Такой график зависимости характерен для неполярных диэлектриков высокой чистоты. В этих материалах число носителей заряда ничтожно. Диэлектрические потери в диэлектриках. Диэлектрическими потерями называется мощность, рассеиваемая в диэлектрике под действием приложенного к нему электрического поля и вызывающая его нагрев. Рассматривают полные диэлектрические потери вызываемые как при переменном, так и при постоянном напряжениях за счет сквозных токов, обусловленного проводимостью. Природа диэлектрических потерь в изоляционных материалах различна и зависит от агрегатного состояния вещества: Потери, вызванные любой замедленной поляризациями, выражаются площадью овала пропорциональной энергии рассеяния на тепло за один период напряжения. Для диэлектриков с спонтанной поляризацией потери энергии за один период определяются площадью, ограниченной петлей гистерезиса. Рисунок 11 - Векторные диаграммы и эквивалентные схемы диэлектрика с потерями: При постоянном напряжении U В на участке изоляции сопротивлением R из Ом значение активных потерь Р а Вт определится как. При переменной форме напряжения имеем значение энергии рассеяния на тепло W а или активные потери Р а , Вт, на участке изоляции емкостью С, пФ, рис. Для последовательной схемы замещения: Для параллельной схемы замещения: Приравнивая значения tg при последовательной и параллельной схемах замещения изоляции, если они эквивалентны и мощность Р а одинакова, получим Можно выразить tg из векторных диаграмм рисунков 1. Значения tg для высококачественных материалов составляют тысячные и даже десятитысячные доли единицы, но могут быть и больше для электротехнических материалов более низкого качества нескольких сотых долей единицы. Произведение относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь tg называется коэффициентом диэлектрических потерь материала. В газообразных диэлектриках при малых напряженностях поля Е, в неполярных жидкостях, таких как сухое трансформаторное масло, в неполярных твердых диэлектриках потери при постоянном и переменном напряжениях одинаковы. Следовательно, на переменном напряжении имеем равенство: Диэлектрические потери по своей природе и физической сущности или воздействию электрического поля делятся на четыре основных вида: Таким образом, три явления электрического поля определяют или вызывают нагрев диэлектрика: Поляризация вызывает нарушение теплового движения частиц по направлению электрического поля и приводит к рассеянию энергии или нагреву диэлектрика. Такие потери возрастают при увеличении частоты приложенного напряжения и могут резко проявится на высокой частоте. Однако, если при высокой частоте поляризация не проявляется ионы или диполи не успевают сместиться вслед частоте электрического поля , то tg падает. Это характерно для большинства технических диэлектриков со стекловидной фазой в структуре. За пределами точки Кюри потери уменьшаются и значительно, так как не проявляется поляризация. В радиотехнических материалах при световых частотах, за пределами МГц, проявляются резонансные потери. Это наблюдается в газах, когда идет интенсивное поглощение энергии электрического поля и в твердых диэлектриках, когда частота вынужденных колебаний, вызванных электрическим полем, совпадает с частотой собственных колебаний частиц вещества. Диэлектрические потери от электропроводности обнаруживаются в зависимости от объемной или поверхностной удельной проводимости вещества, поэтому. Температурная зависимость в этом случае определяется как экспонента вида. Ионизационные потери характерны для газообразных и неоднородных твердых диэлектриков с газовым включением. В неоднородном электрическом поле при напряженностях превышающих значение, соответствующее началу ионизации газа, имеем. Величина U и зависит от давления газа, поскольку ионизация это соударение молекул при свободном пробеге электронов, и пропорционально увеличению его. Диэлектрические потери, связанные с неоднородностью структуры диэлектриков, наблюдаются у многих технических диэлектриков - слоистых пластиков, пропитанных бумаг, пластических масс с наполнителями, в керамике, материалах на основе слюды, асбестовых материалах и т. Ввиду большого разнообразия структуры неоднородных диэлектриков и содержащихся в них составляющих, общей формулы для расчета их диэлектрических потерь не существует. Однако, возможная оценка диэлектрических потерь в композиционных материалов связана с выделением тепла при двух явлениях: Это обусловлено примесями или отдельными компонентами, введенными в диэлектрик для изменения его свойств. Диэлектрические потери в газах при напряженности поля, ниже необходимой для возникновения ударной ионизации молекул, очень малы. В таком случае газ - идеальный диэлектрик. Источником диэлектрических потерь в газах является в основном электропроводность, потому что ориентация дипольных молекул в газах при их поляризации не сопровождается диэлектрическим потерями. Все газы имеют очень малую электропроводность, поэтому угол диэлектрических потерь у них мал, особенно на высоких частотах и выражаются зависимостью. Диэлектрические потери в жидкостях существенно зависят от строения жидкости: Удельная проводимость их тоже очень мала и малы диэлектрические потери. В этом случае tg очень мал. Полярные жидкости в зависимости от условий могут обладать большими потерями, связанными с дипольно-релаксационной поляризацией и потерями от электропроводности. Применяемые в технике диэлектрики могут представлять смеси неполярных и полярных веществ, например, масляно-канифольные компаунды, или могут быть полярными жидкостями. Жидкие полярные диэлектрики имеют заметную зависимость диэлектрических потерь от вязкости. Диэлектрические потери в них в основном обусловлены поляризацией и называются дипольно-релаксационными потерями. Диполи, следуя за изменением электрического поля, поворачиваются в вязкой среде и вызывают потери электрической энергии на трение с выделением теплоты. Если вязкость жидкости велика, то молекулы не успевают следовать за изменением поля и потери от поляризации будут малы, дипольные потери малы также в жидкостях с малой вязкостью, так как поворот диполей происходит без трения. При средней вязкости дипольные потери могут быть достаточно велики и при некотором значении вязкости имеют максимум. Когда же частота становится настолько велика, что дипольные молекулы не успевают ориентироваться в направлении поля, и tg падает, потери становятся постоянными. Через диэлектрик в этом случае протекают три тока: Диэлектрические потери твердых диэлектриков. С молекулярной структурой потери зависят от вида молекул. В неполярных молекулах и не устойчивой Ван-дер-Ваальса связью , вещества, не имеющие примеси, tg очень мал, оценивается электропроводностью, поэтому порядка 10 Это высокочастотные диэлектрики, как сера, парафин, полимеры и др. Для технических материалов с полярной молекулой и дипольно-релаксационной поляризацией потери значительные, то есть явления электропроводности и поляризации повышают их до 10 К таким диэлектрикам можно отнести: Диэлектрики с ионной структурой связаны с упаковкой ионов в решетке. Это характерно для керамики и каменной соли. Сегнетоэлектрики и сложные, неоднородные структуры оцениваются более высокими диэлектрическими потерями, порядка tg 10 Здесь, наряду с электропроводностью, проявляется длительная спонтанная сегнетова соль пьезоэлектрики, керамика или миграционная высоковольтная гетенакс, текстолит, фибра, пластические массы, миканит и др. Факторы, влияющие на диэлектрические потери. Частотная и температурная зависимости диэлектрической проницаемости приведены на рисунке 12а и 12б. Рисунок 12 - а Частотная зависимость диэлектрических потерь однородного 1, неоднородного 2 и композиционного диэлектрика; б Температурная зависимость диэлектрических потерь однородного 1, неоднородного 2 и композиционного диэлектрика. Повышение температуры вызывает рост tg , если потери обусловлены проводимостью, т. Если потери обусловлены поляризацией, то при росте температуры tg проходит через максимум. Это объясняется тем, что при низких температурах вязкость велика и потерь нет, а при высоких температурах вязкость мала и диполи смещаются, не испытывая трения кривая 2 рисунка 12б. При наличии двух видов потерь, результирующие потери определяются сложной кривой 3 рисунка 12б. Увеличение частоты вызывает снижение tg , если потери обусловлены проводимостью кривая 1 рисунка 12а. В этом случае активная составляющая тока, вызванная утечкой через диэлектрик, не меняется с изменением частоты, а реактивная емкостной ток растет пропорционально частоте, поэтому отношение активного тока к реактивному, т. Если потери вызваны поляризацией, то tg , будет иметь максимум кривая 2 рисунка 12а. При низких частотах потери малы, т. При очень больших частотах диполи и ионы не успевают поворачиваться или смещаться вслед за частотой электрического поля и поэтому потери, малы. В сложных диэлектриках существуют потери обоих типов и tg получается путем суммирования обоих типов по кривой 3 рисунка 12а. Появление влаги в любом агрегатном состоянии эмульгированное, молекулярнорастворимое или газообразное вызывает рост tg. Это объясняется тем, что у большинства диэлектриков при увлажнении снижается удельное сопротивление, то есть увеличивается проводимость. Если потери обусловлены ионизацией, то tg увеличивается с ростом напряжения, начиная с U и , то есть с напряжения ионизации газового включения. При отсутствии включений tg не зависит от U. Электроизоляционными материалами, или диэлектриками, называют такие материалы, с помощью которых осуществляют изоляцию, т. Диэлектрики имеют очень большое электрическое сопротивление. По химическому составу диэлектрики делят на органические и неорганические. Основным элементов в молекулах всех органических диэлектриков является углерод. В неорганических диэлектриках углерода нет. Наибольшей нагревостойкостью обладают неорганические диэлектрики слюда, керамика и др. По способу получения различают естественные природные и синтетические диэлектрики. Синтетические диэлектрики могут быть созданы с заданным комплексом электрических и физико-химических свойств, поэтому они широко применяются в электротехнике. По строению молекул диэлектрики делят на неполярные нейтральные и полярные. Нейтральные диэлектрики состоят из электрически нейтральных атомов и молекул, которые до воздействия на них электрического поля не обладают электрическими свойствами. Среди нейтральных выделяют ионные кристаллические диэлектрики слюда, кварц и др. Ионы располагаются в узлах кристаллической решетки. Каждый ион находится в колебательном тепловом движении около центра равновесия - узла кристаллической решетки. Полярные, или дипольные, диэлектрики состоят из полярных молекул-диполей. Последние вследствие асимметрии своего строения обладают начальным электрическим моментом еще до воздействия на них силы электрического поля. К полярным диэлектрикам относятся бакелит, поливинилхлорид и др. По сравнению с нейтральными диэлектриками полярные имеют более высокие значения диэлектрической проницаемости, а также немного повышенную проводимость. По агрегатному состоянию диэлектрики бывают газообразными, жидкими и твердыми. Самой большой является группа твердых диэлектриков. Электрические свойства электроизоляционных материалов оценивают с помощью величин, называемых электрическими характеристиками. Удельное объемное сопротивление - величина, дающая возможность оценить электрическое сопротивление материала при протекании через него постоянного тока. Величина, обратная удельному объемному сопротивлению, называется удельной объемной проводимостью. Удельное поверхностное сопротивление - величина, позволяющая оценить электрическое сопротивление материала при протекании постоянного тока по его поверхности между электродами. Величина, обратная удельному поверхностному сопротивлению, называется удельной поверхностной проводимостью. Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления - величина, определяющая изменение удельного сопротивления материала с изменением его температуры. С повышением температуры у всех диэлектриков электрическое сопротивление уменьшается, следовательно, их температурный коэффициент удельного сопротивления имеет отрицательный знак. Диэлектрическая проницаемость - величина, позволяющая оценить способность материала создавать электрическую емкость. Относительная диэлектрическая проницаемость входит в величину абсолютной диэлектрической проницаемости. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости - величина, дающая возможность оценить характер изменения диэлектрической проницаемости, а следовательно, и емкости изоляции с изменением температуры. Тангенс угла диэлектрических потерь - величина, определяющая потери мощности в диэлектрике, работающем при переменном напряжении. Электрическая прочность - величина, позволяющая оценить способность диэлектрика противостоять разрушению его электрическим напряжением. Механическая прочность электроизоляционных и других материалов оценивается при помощи следующих характеристик: К физико-химическим характеристикам диэлектриков относятся: Кислотное число - это количество миллиграммов едкого калия, необходимое для нейтрализации свободных кислот, содержащихся в 1 г диэлектрика. Кислотное число определяется у жидких диэлектриков, компаундов и лаков. Эта величина позволяет оценить количество свободных кислот в диэлектрике, а значит, степень их воздействия на органические материалы. Наличие свободных кислот ухудшает электроизоляционные свойства диэлектриков. Вязкость, или коэффициент внутреннего трения, дает возможность оценить текучесть электроизоляционных жидкостей масел, лаков и др. Вязкость бывает кинематической и условной. Величина водопоглощаемости указывает на пористость материала и наличие в нем водорастворимых веществ. С увеличением этого показателя электроизоляционные свойства диэлектриков ухудшаются. К тепловым характеристикам диэлектриков относятся: Большое применение в электротехнике получили пленочные электроизоляционные материалы, изготавливаемые из полимеров. К ним относятся пленки и ленты. Пленки выпускают толщиной мкм, а ленты - 0,,0 мм. Высокополимерные пленки и ленты отличаются большой гибкостью, механической прочностью и хорошими электроизоляционными свойствами. Полистирольные пленки выпускают толщиной мкм и шириной мм. Толщина полиэтиленовых пленок обычно составляет мкм, а ширина мм. Пленки из фторопласта-4 изготавливают толщиной мкм и шириной мм. Также из этого материала выпускают неориентированные и ориентированные пленки. Наиболее высокими механическими и электрическими характеристиками обладают ориентированные фторопластовые пленки. Полиэтилентерефталатные лавсановые пленки выпускают толщиной мкм и шириной мм. Полихлорвиниловые пленки изготавливают из винипласта и из пластифицированного полихлорвинила. Большей механической прочностью, но меньшей гибкостью обладают пленки из винипласта. Пленки из винипласта имеют толщину мкм и более, а пленки из пластифицированного полихлорвинила - мкм. Триацетатцеллюлозные триацетатные пленки изготавливают непластифицированными жесткими , окрашенными в голубой цвет, слабо пластифицированными бесцветными и пластифицированными окрашенными в синий цвет. Последние обладают значительной гибкостью. Триацетатные пленки выпускают толщиной 25, 40 и 70 мкм и шириной мм. Пленкоэлектрокартон - гибкий электроизоляционный материал, состоящий из изоляционного картона, оклеенного с одной стороны лавсановой пленкой. Пленкоэлектрокартон на лавсановой пленке имеет толщину 0,27 и 0,32 мм. Его выпускают в рулонах шириной мм. Пленкоасбестокартон - гибкий электроизоляционный материал, состоящий из лавсановой пленки толщиной 50 мкм, оклеенной с двух сторон асбестовой бумагой толщиной 0,12 мм. Пленкоасбестокартон выпускают в листах х мм не менее толщиной 0,3 мм. Диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение, когда разрушаются молекулярные связи. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности; значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением , а значение напряженности электрического поля, соответствующее пробивному напряжению, - электрической прочностью диэлектрика. Пробой длительный или кратковременный диэлектрика приводит к потере диэлектрических свойств и образованию канала с высокой электрической проводимостью. Электрическая прочность диэлектрика определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя. Как правило, пробивное напряжение измеряется в киловольтах. На практике часто пользуются значениями пробивного напряжения, выраженными в мегавольтах, киловольтах или вольтах. Тогда электрическая прочность Е пр будет выражаться так: Пробой в газообразных и жидких диэлектриках отличается от пробоя в твердых диэлектриках тем, что в силу подвижности частиц после снятия напряжения пробитый промежуток диэлектрика полностью восстанавливает свои диэлектрические свойства, то есть первоначальное значение пробивного напряжения U пр , при условии, что длительность и величина электрической дуги не были столь велики, чтобы вызвать необратимые изменения в диэлектрике или в токопроводящих частях аппарата. В большинстве случаев при возрастании толщины h диэлектрика значение уменьшается, а U пр растет нелинейно. Для надежной работы диэлектрика в любых установках значение рабочего напряжения U раб должно быть существенно меньше пробивного U пр. Электрическая прочность высококачественных твердых диэлектриков, как правило, выше, чем электрическая прочность жидких и газообразных диэлектриков. Поэтому если расстояние между ближайшими точками электродов по поверхности твердой изоляции ненамного превосходит расстояние по объему изоляции, то при повышении напряжения в первую очередь пробивается не изоляция, а происходит поверхностный пробой - перекрытие изоляции, то есть разряд в прилегающем к твердой изоляции слое газообразного диэлектрика, например воздуха перекрытие фарфоровых изоляторов. По физической природе различают несколько, видов пробоя диэлектриков, основными из которых являются следующие: Для твердых диэлектриков явно выражены четыре вида пробоя: Поэтому, если пробой не произошел сразу после приложения электрического поля к диэлектрику, он должен выдержать это поле длительно. Исключением является напряжение U примп к пробивному напряжению длительного воздействия называется коэффициентом импульса К имп для данной изоляции. Коэффициент импульса зависит от вида материала изоляции, формы и размеров диэлектрика. Для газов К имп в неоднородном поле больше при прочих равных условиях. Электротепловой пробой тепловой связан с нагревом изоляции в электрическом поле и диэлектрическими потерями. Развитие теплового пробоя идет по следующей схеме: Тепловой пробой, так же как и электрический может быть местным. Если удельная активная проводимость диэлектрика мала и температурный коэффициент Т к невелик, то при хороших условиях отвода тепла в окружающее пространство устанавливается тепловое равновесие между выделяющимся в диэлектрике теплом и его отводом в окружающую среду, и диэлектрик будет длительно работать при данном напряжении. При тепловом пробое U пр зависит от частоты приложенного напряжения, уменьшаясь при значительных частотах и так же снижаясь при возрастании температуры. Электромеханический пробой сопровождается механическим разрушением и образованием микротрещин под действием электрического поля и механического давления электродов. Процесс этот часто связан со старением диэлектрика и является необратимым, особенно, в области дефекта. Ионизационный пробой объясняется действием на диэлектрик химически агрессивных веществ, образующихся в газовых порах диэлектрика при частичных разрядах в газе, а также эрозией диэлектрика на границе пор ионами газа. Пробой в газах - распространенный пробой, так как во многих электрических аппаратах, на линиях электропередач внешней изоляцией служит воздух или какой-нибудь газ. Пробой газов обусловлен явлениями ударной и фотонной ионизации. Электрическая прочность воздуха невелика в сравнении с жидкости и твердых диэлектриков. Явление пробоя газа зависит от степени однородности поля, в котором осуществляется пробой. При малых расстояниях между электродами, порядка нескольких микрон, электрическая прочность газов сильно увеличивается. Это объясняется тем, что из-за малости расстояния процесс ионизации затруднен, и ионизация наступает при более высоком напряжении. Эта зависимость носит название закона Пашена и иллюстрируется графиком на рис. Рисунок 13 - Зависимость электрической прочности воздуха от расстояния между. Пробой жидких диэлектриков происходит при более высоких, чем в газе, значениях пробивного напряжения, при прочих равных условиях. Повышенная электрическая прочность жидкого диэлектрика обусловлена значительно меньшей длиной свободного пробега электронов в жидкости, чем в газах. Пробой технических жидкостей может быть связан с газовыми включениями, что вызывает ионизацию газа и местный перегрев жидкости, приводящей к образованию газового канала в ней. Вода в диэлектрике также сильно снижает электрическую прочность. Электрическая прочность сухого трансформаторного масла не зависит от температуры, когда начинают испаряться легкие фракции масла, образуя пузырьки газа в жидкости. Для повторного использования масло подвергают регенерации. Пробой твердых диэлектриков может быть любой из четырех видов, в зависимости от характера электрического поля, структуры диэлектрика, наличия дефектов, условий его охлаждения и времени воздействия на него напряжения. Электрический пробой макроскопически однородных твердых диэлектриков - это чисто электронный пробой, время развития которого около десятка мс, он не обусловлен тепловой энергией. Чисто электрический пробой наблюдается, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь и отсутствует ионизация газовых включений. Такой пробой отмечается у монокристаллов щелочно-галлоидных соединений и у некоторых полимеров. Для однородных материалов значения пробивного напряжения в однородном и неоднородном электрическом поле заметно отличаются друг от друга. Для случая электрического пробоя неоднородных диэлектриков развитие его тоже достаточно быстрое, но значения для неоднородных диэлектриков в том числе и с газовыми включениями в однородном и неоднородном электрическом поле отличаются друг от друга незначительно. Электрическая прочность при электрическом пробое не зависит от температуры, но после достижения температурой некоторых определенных значений заметно уменьшается: Низкая электрическая прочность наблюдается у диэлектриков с открытыми порами дерева, бумаги, неглазурованной керамики и мало отличается от газов. Для диэлектриков с закрытыми порами - плотной бумаги, глазурованной керамики - характерна высокая электрическая прочность. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой поля, условиями охлаждения диэлектрика, температурой окружающей среды; оно зависит также от нагревостойкости материала. С повышением температуры электрическая прочность уменьшается. Для однородных плоских диэлектриков, обладающих потерями, существует приближенный метод расчета пробивного напряжения. Для расчета U пр полагаем, что пробой происходит при повышенных температурах и в диэлектрике преобладают потери от сквозной электропроводности. Теплопроводность материала электродов обычно на два - три порядка больше, чем теплопроводность диэлектрика, поэтому полагаем, что теплота из нагревающегося объема диэлектрика передается в окружающую среду через электроды. Мощность, отводимая от диэлектрика, выражается формулой Ньютона. Напряжение U , при котором имеет место неустойчивый режим - граничный режим, можно принять за напряжение пробоя U пр. Его значение можно определить по двум условиям: Решая эти два уравнения относительно U i с учетом выше обозначенных значений для Р а и Р t , получаем: При больших , tg и при высоких частотах, а также при большом температурном коэффициенте тангенса угла потерь пробивное напряжение будет ниже. Этот расчет, пригодный только для одномерного потока теплоты, называется графоаналитическим и является приближенным, В нем не учтены перепад температуры по толщине диэлектрика искажение электрического поля и повышение градиента напряжения в поверхностных слоях , а также теплопроводность материала электродов. Поэтому тепловой пробой часто наступает при напряжении ниже расчетного. Более точные методы расчета разработаны академиками Н. Фоком только для изделий простейшей конфигурации. К ферромагнитным материалам относят железо, кобальт, никель и их сплавы. Они обладают высокой магнитной проницаемостью, в тысячи и даже десятки тысяч раз большей магнитной проницаемости неферромагнитных веществ, и хорошо притягиваются к магнитам и электромагнитам. К парамагнитным материалам относят алюминий, олово, хром, марганец, платину, вольфрам, растворы солей железа и др. Относительная магнитная проницаемость у них несколько больше единицы. Парамагнитные материалы притягиваются к магнитам и электромагнитам в тысячи раз слабее, чем ферромагнитные материалы. Диамагнитные материалы к магнитам не притягиваются, а, наоборот, отталкиваются. К ним относят медь, серебро, золото, свинец, цинк, смолу, воду, большую часть газов, воздух и пр. Относительная магнитная проницаемость у них несколько меньше единицы. Магнитные свойства ферромагнитных материалов. Ферромагнитные материалы благодаря их способности намагничиваться широко применяют при изготовлении электрических машин, аппаратов в других электротехнических установок. Основными характеристиками их являются: Процесс намагничивания ферромагнитного материала можно изобразить в виде кривой намагничивания рис. Так как напряженность магнитного поля определяется силой тока, посредством которого намагничивается ферромагнитный материал, эту кривую можно рассматривать как зависимость индукции от намагничивающего тока I. Кривую намагничивания можно разбить на три участка: Следовательно, при большом насыщении ферромагнитные вещества по способности пропускать магнитный поток приближаются к неферромагнитным материалам магнитная проницаемость их резко уменьшается. Магнитная индукция, при которой происходит насыщение, зависит от рода ферромагнитного материала. Рисунок 14 - Кривая намагничивания ферромагнитного материала а и петля гистерезиса б. Чем больше индукция насыщения ферромагнитного материала, тем меньший намагничивающий ток требуется для создания в нем заданной индукции и, следовательно, тем лучше он пропускает магнитный поток. Магнитную индукцию в электрических машинах, аппаратах и приборах выбирают в зависимости от предъявляемых к ним требований. Если необходимо, чтобы случайные колебания намагничивающего тока мало влияли на магнитный поток данной машины или аппарата, то выбирают индукцию, соответствующую условиям насыщения например, в генераторах постоянного тока с параллельным возбуждением. Если желательно, чтобы индукция и магнитный поток изменялись пропорционально намагничивающему току например, в электроизмерительных приборах , то выбирают индукцию, соответствующую прямолинейному участку кривой намагничивания. Перемагничивание ферромагнитных материалов, петля гистерезиса. Большое практическое значение, особенно в электрических машинах и установках переменного тока, имеет процесс перемагничивания ферромагнитных материалов. Когда напряженность поля намагничивающий ток будет доведена до нуля, индукция в ферромагнитном материале не уменьшится до нуля, а сохранит некоторое значение В r соответствующее отрезку Об. Это значение называется остаточной индукцией. Явление отставания, или запаздывания, изменений магнитной индукции от соответствующих изменений напряженности магнитного поля называется магнитным гистерезисом, а сохранение в ферромагнитном материале. При изменении направления намагничивающего тока можно полностью размагнитить ферромагнитное тело и довести магнитную индукцию в нем до нуля. Обратная напряженность Нс, при которой индукция в ферромагнитном материале уменьшается до нуля, называется коэрцитивной силой. Следовательно, при перемагничивании ферромагнитного вещества, например при постепенном намагничивании и размагничивании стального сердечника электромагнита, кривая изменения индукции будет иметь вид петли; ее называют петлей гистерезиса. Влияние ферромагнитных материалов на распределение магнитного поля. Если поместить в магнитное поле какое-либо тело из ферромагнитного материала, то магнитные силовые линии будут входить и выходить из него под прямым углом. В самом теле и около него будет иметь место сгущение силовых линий, т. Если выполнить ферромагнитное тело в виде кольца, то во внутреннюю его полость магнитные силовые линии практически проникать не будут рис. На этом свойстве ферромагнитных материалов основано действие различных экранов, защищающих электроизмерительные приборы, электрические кабели и другие электротехнические устройства от вредного воздействия внешних магнитных полей. Рисунок 15 - Распределение магнитных силовых линий в кольце из ферромагнитного материала. В технике используется несколько десятков видов магнитной проницаемости в зависимости от конкретных применений магнитного материала. Магнитная индукция и напряженность поля в изотропной среде связаны простым соотношением. Сравнивая магнитное поле тока в проводе, расположенном в данной среде и в вакууме, установили, что в зависимости от свойств среды материала поле получается более интенсивным, чем в вакууме парамагнитные материалы , или наоборот, менее интенсивным диамагнитные материалы. Таким образом, интенсивность магнитного поля, то есть индукция В , зависит от среды, в которой существует поле. Абсолютная магнитная проницаемость вакуума называется магнитной постоянной. Абсолютную магнитную проницаемость различных материалов и сред сравнивают с магнитной постоянной. Отношение абсолютной магнитной проницаемости какого-либо материала к магнитной постоянной называется магнитной проницаемостью или относительной магнитной проницаемостью , так что. При технических расчетах магнитная проницаемость диамагнитных и парамагнитных материалов и сред принимается равной единице. У ферромагнитных материалов, играющих исключительную роль в электротехнике, магнитная проницаемость достигает десятков тысяч и зависит от магнитных свойств материала, температуры, интенсивности магнитного поля, то есть величины индукции или от величины напряженности магнитного поля. Начальная и максимальная проницаемости являются частными случаями нормальной проницаемости. Характер этой зависимости различен в слабых, средних и сильных полях. Для при наблюдается четко выраженный максимум, сглаживающийся при увеличении напряженности поля на рисунке Возрастание объясняется тем, что при нагревании облегчается смещение доменных границ и поворот векторов намагниченности доменов. Главным образом из-за уменьшения констант магнитострикции и магнитной анизотропии. Уменьшение при высоких температурах связывается с резким уменьшением спонтанной намагниченности доменов. Потери в магнитных материалах. В переменных полях площадь петли гистерезиса увеличивается за счет потерь на гистерезис и дополнительных потерь. Такая петля называется динамической, а суммарные потери полными или суммарными. Потери на гистерезис, отнесенные к единице объема материала удельные потери. При перемагничивании с частотой f Гц. Рисунок 17 - Зависимость магнитной проницаемости от температуры Т. Потери на вихревые токи для листового образца. Дополнительные потери или потери на магнитную вязкость магнитное последействие обычно находят как разность между полными потерями и суммой потерь на гистерезис и вихревые токи. Магнитная вязкость зависит от времени действия магнитного поля рис. В магнитотвердых материалах время магнитной релаксации может достигать нескольких минут. Такое явление называют сверхвязкостью. Тангенс угла магнитных потерь используется в переменных полях. Его можно выразить через параметры эквивалентной схемы. Рисунок 18 - Зависимость намагничивания J магнитного материала от времени действия магнитного поля t. Индуктивную катушку с сердечником из магнитного материала представляют в виде последовательной схемы из индуктивности L и активного сопротивления R. Пренебрегая собственной емкостью и сопротивлением обмотки катушки, получаем. Определение и основные характеристики магнитных материалов. Магнитные материалы , вещества, магнитные свойства которых обусловливают их применение в технике электротехнике, вычислительной технике, электронике, радиотехнике и других областях. H аибольшее применение находят магнитоупорядоченные вещества: Основная характеристика магнитных материалов - намагниченность М, которая определяется как магнитный момент единицы объема вещества. Если напряженность поля достаточна для намагничивания образца до насыщения, соответствующая петля гистерезиса называют предельной; множество др. Кривые намагничивания и размагничивания ферромагнетика: Другие важные параметры магнитных материалов: В ряде случаев существенны и др. Аморфные магнитные материалы получают из жидкой фазы сверхбыстрым охлаждением скорость охлаждения св. Для многих технических приложений, главным образом в электротехнике и радиоэлектронике, необходимы магнитные материалы, обладающие большой величиной остаточной намагниченности. В зависимости от величины коэрцитивной силы различают магнитомягкие и магнитотвердые магнитные материалы. Металлические магнитомягкие магнитные материалы обладают наибольшими значениями магнитной проницаемости напр. Магнитные и электрические свойства ферритов можно регулировать изменением хим. Магнитомягкие магнитные материалы применяют для изготовления магнитопроводов, трансформаторов и магнитных усилителей, дросселей, реле, дефектоскопов, магнитных головок для видео- и звукозаписи, магнитных экранов, сердечников высокодобротных катушек индуктивности в колебательных контурах, электрических фильтрах, элементах памяти и др. Рисунок 20 - Типы изделий из магнитомягких материалов. Металлические магнитные материалы используют в основном для работы на частотах переменного поля до нескольких десятков кГц, так как из-за относительно низкого удельного электрического сопротивления при повышении рабочей частоты в них резко возрастают вихревые токи. Это приводит к снижению эффективного сечения магнитопроводов и повышению потерь на перемагничивание. Ферриты используют для работы на частотах до нескольких МГц. Композиционные Магнитные материалы применяют для создания экранирующих устройств от СВЧ полей; металлические компоненты материалов используют в виде пленок или мелкодисперсных порошков. Многокомпонентные слоистые материалы с ферромагнитной составляющей позволяют создавать поглотители полей с минимальными геометрическими размерами. Магнитотвердые Магнитные материалы применяют как постоянные магниты, в качестве носителей магнитной памяти, в гистерезисных двигателях, различных механических удерживающих устройствах, в узлах радиоаппаратуры и др. Выделяют следующие группы магнитотвердых магнитных материалов: Стали, закаливаемые на мартенсит углеродистые, легированные С r , W , Со. Значения магнитных параметров этой группы магнитных материалов зависят от состава и наличия текстуры кристаллографической, магнитной. По своим магнитным свойствам они близки к диффузионно-твердеющим сплавам, но менее хрупки и подвергаются обработке давлением, а некоторые - и термомагнитообработке. Применение диффузионно-твердеющих и дисперсионно-твердеющих сплавов ограниченно из-за дефицитности ряда компонентов особенно Со. Сплавы с использованием благородных металлов напр. Применение их также весьма ограниченно из-за высокой стоимости. Сплавы Co - Pt , однако, применяют для изготовления сверхминиатюрных магнитов, так как они обладают высокой пластичностью, допускающей холодную вытяжку в тонкую проволоку. Бариевые и стронциевые ферриты с гексагональной кристаллической решеткой и кобальтовый феррит со структурой шпинели. Последнее обусловливает их широкое применение при высоких частотах переменного поля. Достоинство всех магнитотвердых ферритов - высокое удельное электрическое сопротивление, позволяющее применять их при высоких частотах переменного поля. Доступность компонентов гексагональных бариевых и стронциевых ферритов, возможность автоматизации производства постоянных магнитов из них и невысокая стоимость обусловили широкое применение этих магнитных материалов в различных областях техники. Основной недостатки ферритовых магнитных материалов - высокая твердость, хрупкость, ограниченный температурный диапазон использования К. Интерметаллические соединения металлов группы железа с РЗЭ. Обладают очень высокой кристаллической анизотропией. Недостатки этих Магнитные материалы - высокая твердость, хрупкость, дороговизна. Применяют их в основном в таких системах, где важно снижение массы и габаритных размеров магнитов. Композиционные магнитные материалы на основе порошкообразных ферритов и интерметаллических веществ 5-я и 6-я группы и связующего. Различают магнитопласты связующее - пластическая масса и магнитоэласты связующее - каучук. Из-за сравнительно большого количества немагнитных компонентов эти магнитные материалы по своим магнитным параметрам хуже, чем материал исходного порошка, но они значительно более технологичны и позволяют изготовлять магниты сложной формы. Используют порошки оксидов переходных металлов, ферритов или покрытия из сплавов Co - Ni , Co - Pt , Co - W , Co - Ni - P , Co - Ni - Cr , Со-С r и др. Конструкционными материалами называют материалы, из которых изготовляются детали конструкций машин и сооружений , воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами Конструкционные материалы являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др. К основным критериям качества Конструкционные материалы относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: Развитие техники предъявляет новые, более высокие требования к существующим Конструкционным материалам, стимулирует создание новых материалов. С целью уменьшения массы конструкций летательных аппаратов используются, например, многослойные конструкции, сочетающие в себе лёгкость, жёсткость и прочность. Внешнее армирование металлических замкнутых объёмов шары, баллоны, цилиндры стеклопластиком позволяет значительно снизить их массу в сравнении с металлическими конструкциями. Для многих областей техники необходимы Конструкционные материалы, сочетающие конструкционную прочность с высокими электрическими, теплозащитными, оптическими и другими свойствами. В составе конструкционных материалов нашли своё применение почти все элементы таблицы Менделеева, а эффективность ставших уже классическими для металлических сплавов методов упрочнения путём сочетания специально подобранного легирования, высококачественной плавки и надлежащей термической обработки снижается, перспективы повышения свойств конструкционных материалов связаны с синтезированием материалов из элементов, имеющих предельные значения свойств. Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам. Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам. Детали машин и приборов характеризуются большим разнообразием форм , размеров, условий эксплуатации. Они работают при статических, циклических и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, конструкционный материал должен иметь высокую конструкционную прочность. Механические свойства, определяющие конструкционную прочность и выбор конструкционного материала. Требуемые характеристики механических свойств материала для конкретного изделия зависят не только от силовых факторов , но и воздействия на него рабочей среды и температуры. Среда - жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная , в которой работает материал, оказывает существенное и преимущественно отрицательное влияние на его механические свойства, снижая работоспособность деталей. В частности, рабочая среда может вызывать повреждение поверхности вследствие коррозионного растрескивания, окисления и образования окалины, изменение химического состава поверхностного слоя в результате насыщения нежелательными элементами например, водородом, вызывающим охрупчивание. Кроме того, возможны разбухание и местное разрушение материала в результате ионизационного и радиационного облучения. Для того чтобы противостоять рабочей среде , материал должен обладать не только механическими, но и определенными физико-химическими свойствами: В некоторых случаях важно также требование определенных магнитных , электрических, тепловых свойств, высокой стабильности размеров деталей особенно высокоточных деталей приборов. Технологические требования технологичность материала направлены на обеспечение наименьшей трудоемкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность материала характеризуют возможные методы его обработки. По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные. Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Газы являются скрытыми, количественно трудно определяемыми примесями, поэтому нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству. По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими. При классификации стали но структуре учитывают особенности ее строения в отожженном и нормализованном состояниях. По структуре в отожженном равновесном состоянии конструкционные стали разделяют на четыре класса: Стали аустенитного класса образуются при введении большого количества элементов Ni , Мп, расширяющих у-область; стали ферритного класса-при введении элементов Сг, Si , V , W и др. Стали перлитного класса имеют невысокую устойчивость переохлажденного аустенита. При охлаждении на воздухе они приобретают структуру перлита, сорбита или троостита, в которой могут присутствовать также избыточные феррит или карбиды. К сталям перлитного класса относятся углеродистые и низколегированные стали. Это большая группа дешевых, широко применяемых сталей. Стали мартенситного класса отличаются высокой устойчивостью переохлажденного аустенита ; при охлаждении на воздухе они закаливаются на мартенсит. К этому классу относятся средне- или высоколегированные стали. Экономические требования сводятся к тому, чтобы материал имел невысокую стоимость и был доступным. Стали и сплавы по возможности должны содержать минимальное количество легирующих элементов. Использование материалов, содержащих дорогостоящие легирующие элементы, должно быть обосновано повышением свойств деталей. Экономические требования, так же как и технологические, приобретают особое значение при массовом масштабе производства. Таким образом, конструкционный материал должен удовлетворять комплексу требований. Сплавы железа с углеродом. Диаграмма состояний сплавов железо-углерод рис. Диаграмма состояний сплавов железо-углерод. Существуют области феррита при высокой и при низкой температуре. Это очень твердая и хрупкая фаза. Ледебурит твердый, хрупкий и непластичный. Соответствует содержанию углерода 0. Ледебурит и перлит оказывают сильное влияние на свойства сплавов, поэтому их рассматривают как самостоятельные структурные составляющие. Эта диаграмма делит сплавы на две группы. В структуре чугунов присутствует твердый и хрупкий ледебурит, что обуславливает их непригодность к обработке давлением и затрудняет резание. Существует огромное количество марок сталей с разнообразными свойствами. В СССР их выпускалось более марок. Перечисление их характеристик занимает 20 томов. Из-за такого разнообразия свойств сталь стала основным конструкционным материалом, который отвечает предъявляемым требованиям машиностроения, промышленности и строительства. Не зря XX век к называют веком стали. Стали классифицируют по различным признакам: Рассмотрим маркировку и общие характеристики некоторых сталей. Сплав железа с легирующим элементом углеродом, называется углеродистая сталь. Они обладают удовлетворительными механическими свойствами, хорошо обрабатываются давлением, резанием, пластичны. Степень раскисления обозначается индексом: Из таких сталей изготавливают балки, швеллеры, уголки, прутки для строительства, листовой прокат, проволоку и др. Далее аналогично предыдущему добавляются обозначения спокойной, полуспокойной или кипящей стали. Этот класс сталей используется для изготовления конструкционных деталей в машиностроении: Они являются высокоуглеродистыми сталями, обладающими высокой твердостью, износостойкостью. Они предназначены для изготовления режущего, штампового, измерительного инструмента. Такая сталь маркируются первой буквой У, и далее идут цифры, указывающие содержание углерода в десятых долях процента. Для высококачественных сталей в конце ставится буква А. Они содержат легирующие элементы, улучшающие свойства этих сталей. В зависимости от количества и типа легирующих элементов эти стали по ГОСТу обозначают цифрами и буквами. Первые две цифры указывают на процентное содержание углерода в сотых долях процента. Далее идет перечисление легирующих элементов и их процентное содержание: Далее могут следовать буквы: Если после обозначения стали не стоит никакой буквы, то мы имеем дело с качественной сталью. За счет легирования прочность таких сталей возрастает в раз по сравнению с чистым железом, материалу можно придать коррозионную стойкость, жаропрочность и др. Легированные стали дорогие, поэтому их выпускают в относительно небольших количествах и применяют там, где требуются особые свойства материала: Таблица 5 - Механические свойства сталей. Углеродистая сталь обыкновенного качества. Цветные металлы и сплавы. Цветные металлы обладают многими ценными качествами, например, такими как хорошая электропроводность, теплопроводность, легкость и др. По технологическим свойствам медные сплавы подразделяют на деформируемые обрабатываемые давлением и литейные. Так как чистая медь мягкая, поэтому как правило медь применяется в сплавах с другими элементами: Сплавы меди подразделяют на 2 группы. Свойства медных сплавов приведены в табл. Таблица 6 - Механические с войства медных сплавов. Латуни маркируются буквой Л латунь и цифрой, показывающей содержание меди в процентах. При добавке других легирующих элементов в маркировке добавляется соответствующая буква см. Табл ица 7 - Обозначения легирующих элементов. Легирование цинком значительно повышает прочность и одновременно пластичность материала. Поэтому латуни получили широкое распространение в качестве конструкционных материалов. Из латуни Л85 изготавливают краны, вентили и другое сантехническое оборудование. Бронзы маркируются буквами Бр за которыми следуют буквы и цифра смысл которых такой же, как и в латунях. Названия бронзам дают по основным элементам входящим в состав. За счет легирования в медных сплавах удается получить очень хороший комплекс свойств. Например, бронза БрАЖН по прочности сравнима с углеродистыми сталями, твердость после закалки достигает МПа. Поэтому из неё изготавливают ответственные детали двигателей внутреннего сгорания работающие в условиях нагрева в химически агрессивных средах: Из этого материала получаются отличные пружины для часов, измерительных приборов и пр. Другой сплав Б16 называемый баббит это сплав с оловом имеет аномально низкий коэффициент трения со сталью: Поэтому баббиты используются для изготовления подшипников скольжения для поддержки тяжелых турбин электростанций, достигающих массы сотни тонн. Замечательная коррозионная стойкость, поскольку на поверхности металла образуется прочная оксидная пленка Al 2 O 3 , которая защищает его от дальнейшего окисления. Чистый алюминий мягкий, но его сплавы имеют хорошую прочность и твердость. Поэтому в основном и спользуется в виде сплавов. Дешевле меди, из-за чего алюминиевые провода все шире применяют для электропроводки. Используется в судостроении и авиапромышленности для изготовления корпусов, обшивки, каркасов. Из него делают также трубы, радиаторы, теплообменники, электропроводящие шины, провода. В бытовых нуждах используется для изготовления рам окон, дверей, посуды. Свойства алюминия и некоторых его сплавов приведены в таблице 8. Таблица 8 - Механические свойства алюминиевых сплавов. Легирование алюминия позволяет значительно повысить механические свойства. По механическим свойствам этот сплав близок к углеродистой стали, но легче его почти в 3 раза. По соотношению прочности и плотности вычисляют удельная прочность материала: Она имеет размерность длины. Немецкий физик Альфред Вильм, живший в городе Дюрен, изучал свойства алюминиевого сплава легированного медью, магнием и марганцем. Для повышения прочности сплав закаляли, но опыты на давали желаемого результата. Однажды нерадивый лаборант не сделал вовремя измерений свойств образцов, просто забыв о них, и вернулся к измерениям только через неделю. Каково же было удивление ученых, когда обнаружили значительное увеличение прочности забытых образцов. Теперь этот процесс называют старением. А найденный сплав получил название дюралюминий, в честь родного города Вильма. Теперь этот сплав широко применяется. В таблице приведены примеры свойств дюралюминия марки Д16, высокопрочного дюралюминия марок В95, В При очень высокой прочности эти сплавы сочетают легкость алюминия. Другой сплав алюминия с кремнием называется силумин. Это хороший литейный сплав, из которого изготавливают корпуса насосов, компрессоров, картеры двигателей, теплообменники и пр. Контрольная работа включает в себя 3 задания. Так как вы прорешивали точно такие же задачи в самостоятельных работах, затруднений в выполнении этой контрольной работы у вас не должно быть. При выполнении контрольной работы допускается пользоваться следующими справочниками: Пример решения задания 1. Проверьте, сработает ли устройство защитного отключения УЗО при следующих условиях: УЗО срабатывает, если утечка через изоляцию превысит 10 мА. Для того, чтобы сработало УЗО необходимо, чтобы сопротивление изоляции провода было бы не более такого, при котором ток утечки был бы равен 10 мА. Поскольку ток через изоляцию стекает с жилы, поле тока можно принять радиально-цилиндрическим, и сопротивление изоляции будет равно: Рассчитаем удельное электрическое сопротивление электрической изоляции из резины РТИ-1, при котором может сработать УЗО. Для этого вначале определим радиус токопроводящей жилы через площадь её сечения - S: Радиус внешней эквипотенциальной поверхности коаксиальной системы можно принять равным 6 мм, поскольку кабель находится в воде, а его диаметр равен 12 мм. Рассчитываем удельное электрическое сопротивление: Сравнивания полученное значение со значениями в таблице п. Таким образом, при попадании резинового кабеля в воду срабатывания УЗО не произойдёт. То есть условия электробезопасности при эксплуатации резинового кабеля в воде соблюдаются. По-видимому, отключение УЗО может произойти, если в изоляции будут дополнительные повреждения, например, трещины от старения. Пример решения задания 2: Определите напряжённость поля в воздушном включении, которое находится в изоляции одножильного кабеля с номинальным напряжением 10 кВ. Напряжение на жиле составляет 6 кВ. Жила диаметром 10 мм изолирована поликарбонатной пленкой "макрофоль" типа SN и имеет толщину изоляции 3 мм. При намотке пленки на жилу на поверхности жилы образовалось микроскопическое воздушное включение. Из этого выражения видно, что для выполнения задания необходимо знать значения диэлектрических проницаемостей поликарбонатной пленки п и воздуха в. Воздух является газообразным диэлектриком. Это на порядок меньше, чем у твердых диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость воздуха при 20 0 С и давлении Па мм рт. При повышении давления с 0,1 до 10 МПа диэлектрическая проницаемость воздуха увеличивается 1, до 1, Кроме того, диэлектрическая проницаемость воздуха увеличивается с повышением влажности из-за большой диэлектрической проницаемости водяных паров. Поликарбонатная пленка ПК изготавливается толщиной 0, - 0,8 мм из полидиоксидифенил-2,2-пропана без пластификаторов фирмой Bayer ФРГ под названием макрофоль. Плёнки бывают различных типов. Плёнки всех типов с одной стороны имеют шероховатую поверхность. Наилучшими электрическими и механическими свойствами обладают конденсаторные пленки KG и SKG. Принимаем, что воздух в пузырьке находится при нормальном давлении. Пример решения задания 3: В обозначении марок цифры означают: Четвёртая - порядковый номер типа стали. Эти стали поставляются в виде листов толщиной 0,1…1,0 мм шириной … мм и длиной … мм. Следовательно, нормированные потери необходимо привести к условиям задания. Поэтому воспользуемся формулой потери на вихревые токи. Для стали потери нормируются при индукции 1,5 Тл. Если сталь , предназначенную для работы при частоте Гц применять в условиях, аналогичных применению стали , то есть при частоте 50 Гц, то магнитные потери в стали будут меньше, чем в стали Определите длину и сопротивление медной проволоки марки МТ диаметром 0,9 мм, если ее масса на катушке составляет 10 кг. Определите, во сколько раз отличается напряжённость электрического поля в хладоне и в опущенной в него изолирующей перегородке из фторлона-3, полагая, что в диапазоне частот Гц, диэлектрическая проницаемость этих материалов остается неизменной. Затем, не ослабляя напряженности, нагрели образец до о С и сняли при этой температуре обратный ход кривой. Постройте на графике результаты опыта. Между двумя коаксиальными кольцами находится слой затвердевшего алюминия. Определите, как следует изменить толщину этого слоя в расплавленном состоянии, чтобы сопротивление между кольцами не изменилось? Рассчитайте, как соотносятся напряженности поля по концам проходного изолятора из новомикалекса, если один из концов стержня находится при комнатной температуре, а другой нагрет до 0 С. Для ввода тока в землю и вывода из нее используются полушаровые электроды. Выберите среди ударопрочных фенопластов и опишите такую пластмассу для изоляции электротехнического устройства, работающего в условиях облучения электронами, которая бы обеспечивала наибольшую ёмкость устройства и неизменность этой ёмкости при облучении электронами. Рассчитайте радиус полушара, вдавленного с поверхности в эту пластмассу, если его ёмкость - 10 пФ. Опишите физические и электрические свойства, область применения хромели и алюмели и определить соотношение их длин при одинаковых сечении и сопротивлении. Определите толщину наружной изоляции одножильного кабеля при условии равенства напряженностей поля частотой 1 кГц на поверхности изоляции и на границе раздела материалов изоляции. Жила кабеля, имеющая диаметр 4 мм, покрыта слоем изоляции из хлорсульфированного полиэтилена толщиной 2 мм, затем на эту изоляцию нанесен слой кремнийорганического каучука. Образец из феррита IY группы марки НМС нагрели до о С и при этой температуре сняли зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля в диапазоне Постройте на графике полученные зависимости. Определите сопротивление 1 км военно-полевого провода для телефонной связи. Военно-полевой провод состоит из 7 стальных жил из стали марки 10 диаметром 0,1 мм и одной медной жилы из меди марки МТ того же диаметра. Жила одножильного кабеля, имеющая диаметр 4 мм, покрыта слоем изоляции из хлорированного полиэтилена толщиной 1 мм, затем на эту изоляцию нанесен слой другого полиолефина толщиной 3,45 мм. Определите материал наружной изоляции при условии равенства напряженностей поля частотой 1 МГц на поверхности изоляции и на границе раздела материалов изоляции. Главная Новости Правила О нас Контакты. Главная Рефераты Контрольные работы Курсовые работы Дипломные работы Другие работы О нас. Производство и промышленные технологии Описание: Проводниковые материалы Лекция 1. Электропроводность металлов Классическая электронная теория металлов представляет твердый проводник в виде системы, состоящей из узлов кристаллической ионной решетки, внутри которой находится электронный газ из коллективизированных свободных электронов. Классификация и основные свойства проводниковых материалов К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов, относятся: Таблица 1 - Свойства медных сплавов Марка сплава Хим. Рисунок 4 - Слои десятикратного ослабления для различных материалов в зависимости от энергии квантов излучения Биметалл имеет механические и электрические свойства, промежуточные между свойствами сплошного медного и сплошного стального проводника того же сечения; прочность биметалла больше, чем меди, но электрическая проводимость меньше. Свехпроводники и криопроводники Известно 27 чистых металлов и более тысячи различных сплавов и соединений, у которых возможен переход в сверхпроводящее состояние. Криопроводники Некоторые металлы могут достигать при низких криогенных температурах весьма малого значения удельного электрического сопротивления р, которое в сотни и тысячи раз меньше, чем удельное электрическое сопротивление при нормальной температуре. Таблица 2 - Параметры электрических щеток Тип щетки Уд. Полупроводниковые материалы Лекция 1. Зонная теория твердого тела Из курса атомной физики и квантовой механики известно поведение электронов в отдельно взятом атоме. Рисунок 5 - Энергетический спектр электронов изолированного атома На каждом энергетическом уровне, согласно принципу Паули, может находиться не более двух электронов, отличающихся спиновым квантовым числом. Рисунок 6 - Энергетический спектр электронов в кристалле Расстояние между подуровнями в зоне кристалла очень мало. Контактные явления в полупроводниках Электрическим переходом называют переходный слой в полупроводниковом материале между двумя областями с различными типами электропроводности или разными значениями удельной электрической проводимости. Зонная структура полупроводников Согласно постулатам Бора энергетические уровни для электронов в изолированном атоме имеют дискретные значения.
Принцип периодичности — закономерное изменение свойств материалов в соответствии с периодичностью свойств составляющих их элементов закон Д. Принцип структурного дизайна — создание новых кристаллических структур на основе использования кристаллохимических особенностей элементов путем сочетания различных стандартных структурных блоков супрамолекулярные, гибридные материалы, соединения внедрения в графит. Принцип химического, термодинамического и структурного подобия — предсказание свойств неизвестных материалов по аналогии с их известными представителями. Принцип непрерывности и соответствия компонентов равновесной системы , ограничения числа независимых параметров состояния в равновесной системе — использование правила фаз Гиббса для предсказания условий получения материалов. Принцип структурного разупорядочения и непостоянствасостава твердофазных соединений — существование равновесных и неравновесных дефектов, а также областей гомогенности по катионам и анионам во всех фазах, составляющих материалы зависи-. Принцип химического, структурного и фазового усложнения состава — коррекция функциональных характеристик за счет легирования или создания композитов. Принцип химической, гранулометрической и фазовой однородности — создание высокогомогенных на уровне химического состава и размера зерен матреиалов с одним и тем же фазовым составом для любой анализируемой области методы химической гомоге-. Принцип эквивалентности источников беспорядка в условиях минимизации свободной энергии принцип А. Вейла — твердофазный материал в равновесных условиях приобретает тот вид дефектов, который при наименьших энергетических затратах обеспечивает максимальное увеличение энтропии уменьшение коэффициента термиче-. Принцип одинакового эффекта различных физико-химическихвоздействий — химическое модифицирование и различные энергетические тепловые и нетепловые воздействия, которые могут привести к одному и тому же результату получение сплавов расплавлением или механическим легированием в твердом состоянии. Принцип неравноценности объема и поверхности И. Принцип синергетического эффекта различных физико-химических воздействий — суммарный эффект различных воздейст в — ZnS; г — соотношение длин частей тела ящерицы; д — соотношение длин частей растения Эффект Рассела был открыт в г. Митрофанов его смог объяснить в г. Суть эффекта Тваймана заключается в том, что происходит изгиб стеклянной пластины, противоположные плоскости которой обработаны различно: Дисимметрия неравенство сил поверхностного натяжения на разных сторонах пластины является причиной изгиба. Французский физик-химик и металловед А. Ле Шателье Le Chatelier — в г. Так, при нагревании равновесной системы в ней происходят изменения например, химические реакции , идущие с поглощением теплоты, а при охлаждении — изменения, протекающие с выделением теплоты. При увеличении давления смещение равновесия связано с уменьшением общего объема системы, а уменьшению давления сопутствуют физические и химические процессы, приводящие к увеличению объема. Принцип смещения равновесия в зависимости от температуры высказал Я. В общем виде принцип смещения равновесия установлен А. Ле Шателье и термодинамически обоснован К. Математический аппарат принципа сложен. Первый — клоун с тростью входит в коридор. Если трость поперек коридора, направления не совпадают, войти нельзя. Если же трость вдоль коридора, то направления совпали коллинеарны , можно войти. Так действует единичка симметрии читай: Другой пример — организация железных опилок на бумаге. Она отражает организацию читай: Здесь уже каждая частица опилок — единичный вектор, элемент в общей картине. Третий пример — организация упорядоченных структур, образование их из хаоса. Разбегающиеся тараканы — что может быть хаотичнее? В начале ХХ в. Но, по мановению руки Лонго, поток тараканов останавливался, а затем начинал целенаправленно мчаться по улочкам установленного на арене картонного городка, подчиняясь командам: Так хаос насекомых обращался в структуру, где симметрия структуры то есть поэлементное построение потока бегущих тараканов определялась симметрией силовых линий электрического тока. И четвертый, весьма яркий пример навязывания свойств симметрии среды свойствам симметрии объектов в данной среде, — один из современных способов лечения переломов. В морфологии эксперименты показали: Подобные свойства клеток были использованы в медицине: В результате сращение костей намного ускоряется: С помощью статистической механики, основанной на законах движения, Онсагер показал, как одновременно протекающие реакции влияют друг на друга в соотношениях, известных в настоящее время как соотношения взаимности Онсагера. Он показал также, что соотношения взаимности представляют собой математический эквивалент более общего принципа наименьшей диссипации, который утверждает, что скорость возрастания энтропии в связанных необратимых процессах минимальна. При малых отклонениях системы от термодинамического равновесия потоки влияния силы Хk на поток Ji равно влиянию силы Хk на поток Jk. Впервые на необходимость учета влияния близкой стенки на динамику пузырька указали Корнфельд и Л. Суворов еще в г. Действительно, в теории используется решение, полученное для одиночного пузырька в безграничной жидкости. С помощью прерывистого искрового освещения кавитационных пузырьков установлено, что при росте амплитуды колебаний пузырьки вблизи стенки теряют свою сферическую форму и становятся полигональными. Авторы предположили, что при этом возникают моды поверхностных колебаний высших порядков. С ростом амплитуды число граней растет, что указывает на возбуждение мод более высоких порядков. При больших амплитудах звука пузырьки теряют. I Конституционные принципы организации судебной власти I. Основные цели, задачи и принципы деятельности ПАРТИИ, ЕЁ права и обязанности I. Понятие и принципы территориальных основ местного самоуправления I. Этические принципы психолога I1I. Принципы прохождения практики II. Цели, задачи и принципы студенческого самоуправления II. Возмещение затрат, связанных с приобретением сырья, расходных материалов и инструментов далее — сырья II. Принципы муниципальной службы II. Цели и принципы студенческого самоуправления III. Принципы деятельности, права и обязанности РСМ III. Астрономия Биология География Другие языки Интернет Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Механика Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Транспорт Физика Философия Финансы Химия Экология Экономика Электроника. Физико-химические принципы конструирования новых материалов.
Значение межосевого расстояния
Какие обстоятельства заставили дубровского стать
Грибы пищевая ценность состав
Сколько стоит 5 1999 года
Характеристика учебной группы