Материал - это объект, обладающий определенным составом, структурой и свойствами, предназначенный для выполнения определенных функций. Материалы могут иметь различное агрегатное состояние: твердое, жидкое, газообразное или плазменное.
Функции, которые выполняют материалы, разнообразны: обеспечение протекания тока (в проводниковых материалах), сохранение определенной формы при механических нагрузках (в конструкционных материалах), обеспечение изоляции (в диэлектрических материалах), превращение электрической энергии в тепловую (в резистивных материалах). Обычно материал выполняет несколько функций. Например, диэлектрик обязательно испытывает какие-то механические нагрузки, то есть является конструкционным материалом.
Материаловедение - наука, занимающаяся изучением состава, структуры, свойств материалов, поведением материалов при различных воздействиях: тепловых, электрических, магнитных и т.д., а также при сочетании этих воздействий.
Электротехническое материаловедение - это раздел материаловедения, который занимается материалами для электротехники и энергетики, т.е. материалами, обладающими специфическими свойствами, необходимыми для конструирования, производства и эксплуатации электротехнического оборудования.
Материалы играют определяющую роль в энергетике. Например, изоляторы высоковольтных линий. Исторически первыми придумали изоляторы из фарфора. Технология их изготовления достаточно сложна, капризна. Изоляторы получаются довольно громоздкими и тяжелыми. Научились работать со стеклом - появились стеклянные изоляторы. Они легче, дешевле, их диагностика несколько проще. И, наконец, последние изобретения - это изоляторы из кремнийорганической резины.
Первые изоляторы из резины были не очень удачны. На их поверхности с течением времени образовывались микротрещины, в которых набивалась грязь, образовывались проводящие треки, затем изоляторы пробивались. Подробное изучение поведения изоляторов в электрическом поле проводов высоковольтных линий (ВЛ) в условиях внешних атмосферных воздействий позволило подобрать ряд добавок, улучшивших атмосферостойкость, стойкость по отношению к загрязнениям и действию электрических разрядов. В результате сейчас создан целый класс легких, прочных изоляторов на различные уровни воздействующего напряжения.
Для сравнения, вес подвесных изоляторов для ВЛ 1150 кВ сопоставим с весом проводов в пролете между опорами и составляет несколько тонн. Это вынуждает ставить дополнительные параллельные гирлянды изоляторов, что увеличивает нагрузку на опору. Требуется использовать более прочные, а значит более массивные опоры. Это увеличивает материалоемкость, большой вес опор значительно поднимает расходы на монтаж. Для справки, стоимость монтажа составляет до 70% стоимости строительства линии электропередач. На примере видно, как один элемент конструкции влияет на конструкцию в целом.
Таким образом, (ЭТМ) являются одним из определяющих факторов технико-экономических показателей любой системы электроснабжения .
Основные материалы, которые используются в энергетике, можно разделить на несколько классов - это проводниковые материалы, магнитные материалы и диэлектрические материалы. Общим для них является то, что они эксплуатируются в условиях действия напряжения, а значит и электрического поля.
Проводниковыми называют материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная по сравнению с другими электротехническими материалами электропроводность. Их применение в технике обусловлено в основном этим свойством, определяющим высокую удельную электрическую проводимость при нормальной температуре.
В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы.
К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Однако для большинства металлов температура плавления высока, и только ртуть, имеющая температуру плавления около минус 39 °С, может быть использована в качестве жидкого металлического проводника при нормальной температуре. Другие металлы являются жидкими проводниками при повышенных температурах.
Газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превзойдет некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с электронной и ионной электропроводностью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.
Важнейшими для электротехники свойствами проводниковых материалов являются их электро- и теплопроводность, а также способность генерации термоЭДС.
Электропроводность характеризует способность вещества проводить электрический ток (смотрите - ). Механизм прохождения тока в металлах обусловлен движением свободных электронов под воздействием электрического поля.
Полупроводниковыми называют материалы, которые являются по своей удельной проводимости промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами и отличительным свойством которых является исключительно сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида примесей или других дефектов, а также в большинстве случаев от внешних энергетических воздействий (температуры, освещенности и т. п.).
К полупроводникам относится большая группа веществ с электронной электропроводностью, удельное сопротивление которых при нормальной температуре больше, чем у проводников, но меньше, чем у диэлектриков, и находится в диапазоне от 10-4 до 1010 Ом см. В энергетике полупроводники напрямую мало используются, но электронные компоненты на основе полупроводников используются достаточно широко. Это любая электроника на станциях, подстанциях, диспетчерских управлениях, службах и т.п. Выпрямители, усилители, генераторы, преобразователи. Также из полупроводников на основе карбида кремния изготавливают нелинейные ограничители перенапряжений в линиях электропередачи (ОПН).
Диэлектрические материалы
Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Реальный (технический) диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением тепла.
Поляризацией диэлектрика
называют возникновение в нем при внесении во внешнее макроскопического собственного электрического поля, обусловленного смещением заряженных частиц, входящих в состав молекул диэлектрика. Диэлектрик, в котором возникло такое поле, называется поляризованным
.
Магнитными называют материалы, предназначенные для работы в магнитном поле при непосредственном взаимодействии с этим полем. Магнитные материалы делят на слабомагнитные и сильномагнитные. К слабомагнитным относят диамагнетики и парамагнетики. К сильномагнитным – ферромагнетики, которые, в свою очередь, могут быть магнитомягкими и магнитотвердыми.
Композиционные материалы
Композиционные материалы – это материалы, состоящие из нескольких компонент, выполняющих разные функции, причем между компонентами существуют границы раздела.
Электрические характеристики позволяют оценить свойства материалов при воздействии на него электрического поля. Основное свойство электротехнических материалов по отношению к электрическому полю – электропроводность.
Электропроводность – это свойство материала проводить электрический ток под действием постоянного (не изменяющегося во времени) электрического напряжения.
Удельное электрическое сопротивление – это сопротивление материала длинной 1 м и поперечным сечением 1 м 2 .
где γ – удельная проводимость материала , это проводимость материала длинной 1м и поперечным сечением 1м 2 , 1/Ом∙м;
q – величина заряда носителя (заряд электрона 1,6·10 -19), Кл;
n – количество носителей заряда в единице объёма;
µ – подвижность носителя заряда.
Чем больше значение ρ, тем меньше электропроводность материала.
Проводники ρ=10 -8 ÷10 -6 .
Полупроводники ρ=10 -6 ÷10 8 .
Диэлектрики ρ=10 8 ÷10 18 .
Сопротивление проводника – это конструктивная характеристика проводника, т.к. зависит от размеров и проводниковых свойств материала.
где ρ – удельное сопротивление материала, Ом∙м;
l – длина проводника, м;
S – площадь поперечного сечения проводника, м 2 .
Температурный коэффициент удельного сопротивления – показывает, на сколько изменится сопротивление материала в 1 Ом при нагревании его на 1 0 С.
При линейном изменении удельного сопротивления в узком интервале температур
где ρ
– удельное сопротивление материала
при температуре
;
ρ 0 – удельное сопротивление материала при начальной
температуре t 0 , обычно принимается 20 0 С.
Если заменить удельное сопротивление на сопротивление
Чем больше значение α, тем в большей степени изменяется сопротивление проводника при изменении температуры.
Проводники α>0 с увеличением температуры удельное сопротивление материала увеличивается.
Полупроводники и диэлектрики α<0 с увеличением температуры удельное сопротивление материала уменьшается.
Электрические свойства и характеристики материалов (для диэлектриков)
Основным свойством диэлектрических материалов является способность поляризоваться в электрическом поле.
Поляризация – это свойство материала, состоящие в ограниченном смещении или ориентации связанных зарядов при воздействии электрического поля.
Диэлектрическая проницаемость (относительная) – показывает, во сколько раз больше ослабевает внешнее электрическое поле в данном материале, чем в вакууме (показывает слепень поляризации).
где ε а – абсолютная диэлектрическая проницаемость, учитывает влияние материала на электрическое поле, Ф/м;
ε 0 – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, 8,85∙10 -12 Ф/м.
Чем больше значение ε, тем сильнее поляризуется диэлектрик.
Вакуум ε=0.
Газообразные диэлектрики в основном ε≥1.
Жидкие и твёрдые диэлектрики ε>>1.
Тангенс угла диэлектрических потерь.
При воздействии электрического поля на любое вещество часть электрической энергии превращается в тепловую и рассеивается. Рассеянная часть электрической энергии диэлектриком называется диэлектрическими потерями . Причём потери энергии на переменном напряжении будут во много раз больше потерь на постоянном напряжении.
При постоянном напряжении потери числено равны активной мощности
где U – напряжение, приложенное к диэлектрику, В;
I – ток проводимости через диэлектрик, А.
При переменном напряжении
где U – переменное напряжение, приложенное к диэлектрику, В;
f – частота тока, Гц;
С – ёмкость диэлектрика, Ф.
δ – угол диэлектрических потерь, дополняющий до 90 0 угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкостной цепи.
Чем больше значение tg δ, тем больше потери в диэлектрике и тем больше нагрев диэлектрика в электрическом поле заданной частоты и напряжения.
Газообразные диэлектрики tg δ=10 -6 ÷10 -5 .
Жидкие и твёрдые диэлектрики: высшего класса tg δ=(2÷6)∙10 -4 ,
остальные tg δ=0,002÷0,05.
Напряжённость пробоя (электрическая прочность) – это напряжённость, однородного электрического поля при которой происходит пробой диэлектрика (становится проводником).
где U пр – пробивное напряжение, при котором происходит пробой, МВ;
d – толщина диэлектрика в месте пробоя, м.
Чем больше значение Е пр, тем лучше электроизоляционные свойства.
При выборе изоляции необходимо учитывать напряжение, на которое диэлектрик включается и должен обеспечиваться запас прочности (коэффициент прочности)
где Е р – рабочая напряжённость, МВ/м.
Эффективная и долговечная работа электрических машин и установок напрямую зависит от состояния изоляции, для устройства которой применяют электротехнические материалы. Они характеризуются набором определенных свойств при помещении в условия электромагнитного поля, и устанавливаются в приборах с учетом этих показателей.
Классификация электротехнических материалов позволяет разделить на отдельные группы электроизоляционных, полупроводниковых, проводниковых и магнитных материалов, которые дополняются основными изделиями: конденсаторами, проводами, изоляторами и готовыми полупроводниковыми элементами.
Материалы работают как в отдельных магнитных или электрических полях с определенными свойствами, так и подвергаются действию нескольких излучений одновременно. условно подразделяют на магнетики и слабомагнитные вещества. В электрической технике наиболее широко применяют сильномагнитные материалы.
Наука о материалах
Материалом называется субстанция, характеризующаяся отличным от других объектов химическим составом, свойствами и структурой молекул и атомов. Вещество находится в одном из четырех состояний: газообразном, твердом, плазменном или жидком. Электротехнические и конструкционные материалы выполняют в установке разнообразные функции.
Проводниковые материалы осуществляют передачу потока электронов, диэлектрические компоненты обеспечивают изоляцию. Применение резистивных элементов преобразовывает электрическую энергию в тепловую, конструкционные материалы сохраняют форму изделия, например, корпуса. Электротехнические и конструкционные материалы обязательно выполняют не одну, а несколько сопутствующих функций, например, диэлектрик в работе электроустановки испытывает нагрузки, что приближает его к конструкционным материалам.
Электротехническое материаловедение - это наука, занимающаяся определением свойств, изучением поведения вещества при воздействии электричества, тепла, мороза, магнитного поля и др. Наука изучает специфические характеристики, необходимые для создания электрических машин, приборов и установок.
Проводники
К ним относят электротехнические материалы, основным показателем которых является выраженная проводимость электрического тока. Это происходит потому, что в массе вещества постоянно присутствуют электроны, слабо связанные с ядром и являющиеся свободными носителями заряда. Они перемещаются с орбиты одной молекулы на другую и создают ток. Основными проводниковыми материалами считают медь, алюминий.
К проводникам относятся элементы, которые имеют удельное электрическое сопротивление ρ < 10 -5 , при этом отличным проводником является материал с показателем 10 -8 Ом*м. Все металлы хорошо проводят ток, из 105 элементов таблицы только 25 не являются металлами, причем из этой разнородной группы 12 материалов проводят электрический ток и считаются полупроводниками.
Физика электротехнических материалов позволяет использование их в качестве проводников в газообразном и жидком состоянии. В качестве жидкого металла с нормальной температурой применяется только ртуть, для которой это естественное состояние. Остальные металлы используются как жидкие проводники только в разогретом состоянии. Для проводников применяют и токопроводящие жидкости, Важными свойствами проводников, позволяющими различать их по степени электропроводности, считаются характеристики теплопроводности и способности к термальной генерации.
Диэлектрические материалы
В отличие от проводников, в массе диэлектриков содержится малое число свободных электронов продолговатой формы. Основным свойством вещества является его способность получать полярность под действием электрического поля. Это явление объясняется тем, что под действием электричества связанные заряды перемещаются в сторону действующих сил. Расстояние смещения тем больше, чем выше напряженность электрического поля.
Изоляционные электротехнические материалы тем ближе стоят к идеалу, чем меньше показатель удельной проводимости, и чем меньше выражена степень поляризации, которая позволяет судить о рассеивании и выделении тепловой энергии. основана на действии незначительного количества свободных диполей, смещающихся в сторону действия поля. После поляризации диэлектрик образует субстанцию с разной полярностью, то есть на поверхности образуются два разных знака зарядов.
Применение диэлектриков наиболее обширно в электротехнике, так как используются активные и пассивные характеристики элемента.
К активным материалам, с поддающимся управлению свойствами, относят:
- пироэлектрики;
- электролюминофоры;
- пьезоэлектрики;
- сегнетоэлектрики;
- электреты;
- материалы для излучателей в лазере.
Основные электротехнические материалы - диэлектрики с пассивными свойствами, используют в качестве изоляционных материалов и конденсаторов обычного типа. Они способны отделить два участка электрической цепи один от другого и не допустить перетекания электрических зарядов. С их помощью осуществляется изоляция токоведущих частей, чтобы электрическая энергия не уходила в землю или на корпус.
Разделение диэлектриков
На органические и неорганические материалы делят диэлектрики, в зависимости от химического состава. Неорганические диэлектрики не содержат в своем составе углерода, тогда как органические формы имеют основным элементом углерод. такие как керамика, слюда, имеют высокую степень нагревания.
Электротехнические материалы по способу получения делят на естественные и искусственные диэлектрики. Широкое применение синтетических материалов основано на том, что изготовление позволяет придать материалу заданные свойства.
По строению молекул и молекулярной решетки диэлектрики подразделяются на полярные и неполярные. Последние называют еще нейтральными. Отличие состоит в том, что атомы и молекулы до начала действия на них электрического тока обладают или нет электрическим зарядом. К нейтральной группе относятся фторопласт, полиэтилен, слюда, кварц и др. Полярные диэлектрики состоят из молекул с положительным или отрицательным зарядом, примером служит поливинилхлорид, бакелит.
Свойства диэлектриков
По состоянию диэлектрики делят на газообразные, жидкие и твердые. Наиболее часто применяются твердые электротехнические материалы. Их свойства и применение оцениваются с помощью показателей и характеристик:
- объемное удельное сопротивление;
- диэлектрическая проницаемость;
- поверхностное удельное сопротивление;
- коэффициент термической проницаемости;
- диэлектрические потери, выраженные тангенсом угла;
- прочность материала под действием электричества.
Объемное удельное сопротивление зависит от способности материала сопротивляться протеканию по нему тока постоянного значения. Показатель, обратный удельному сопротивлению, называется объемной удельной проводимостью.
Поверхностное удельное сопротивление определяется возможностью материала сопротивляться постоянному току, протекающему по его поверхности. Поверхностная удельная проводимость является обратной величиной к предыдущему показателю.
Коэффициент термической проницаемости отражает степень изменения удельного сопротивления после повышения температуры вещества. Обычно при увеличении температуры уменьшается сопротивление, следовательно, значение коэффициента становится отрицательным.
Определяет применение электротехнических материалов в соответствии со способностью материала создавать электроемкость. Показатель относительной проницаемости диэлектрика входит в понятие абсолютной проницаемости. Изменение емкости изоляции показывается предыдущим показателем коэффициента термической проницаемости, который одновременно показывает увеличение или уменьшение емкости с изменением температурного режима.
Тангенс угла потерь диэлектрика отражает степень потери мощности цепи относительно материала диэлектрика, подверженного действию электрического переменного тока.
Электротехнические материалы характеризуются показателем который определяет возможность разрушения вещества под действием напряжения. При выявлении механической прочности существует ряд испытаний для установления показателя предела прочности на сжатие, растяжение, изгиб, кручение, при ударе и раскалывании.
Физические и химические показатели диэлектриков
В диэлектриках содержится определенное число высвобожденных кислот. Количество едкого калия в миллиграммах, необходимое для избавления от примесей в 1 г вещества, носит название кислотного числа. Кислоты разрушают органические материалы, оказывают отрицательное действие на изоляционные свойства.
Характеристика электротехнических материалов дополняется или трения, показывающим степень текучести вещества. Вязкость делят на условную и кинематическую.
Степень водопоглощения определяется в зависимости от массы воды, впитанной элементом испытательного размера после суток нахождения в воде при заданной температуре. Эта характеристика указывает на пористость материала, повышение показателя ухудшает изоляционные свойства.
Магнитные материалы
Показатели оценки носят название магнитных характеристик:
- магнитная абсолютная проницаемость;
- магнитная относительная проницаемость;
- термический магнитный коэффициент проницаемости;
- энергия максимального магнитного поля.
Магнитные материалы подразделяются на твердые и мягкие. Мягкие элементы характеризуются небольшими потерями при отставании величины намагниченности тела от действующего магнитного поля. Они более проницаемы для магнитных волн, имеют небольшую коэрцитивную силу и повышенную индукционную насыщаемость. Используют их при устройстве трансформаторов, электромагнитных машин и механизмов, магнитных экранов и других приборов, где нужно намагничивание с малыми энергетическими упущениями. К ним относят чистое электролитное железо, железо - армко, пермаллой, в листах, никелево-железные сплавы.
Твердые материалы характеризуются значительными потерями при отставании степени намагниченности от внешнего магнитного поля. Получив один раз магнитные импульсы, такие электротехнические материалы и изделия намагничиваются, и долгое время сохраняют накопленную энергию. Они обладают большой коэрцитивной силой и большой емкостью остаточной индукции. Элементы с такими характеристиками применяют для изготовления стационарных магнитов. Представителями элементов служат сплавы на железной основе, алюминиевые, никелевые, кобальтовые, кремниевые компоненты.
Магнитодиэлектрики
Это смешанные материалы, на 75-80% содержащие в составе магнитный порошок, остаток массы заполняется органическим высокополимерным диэлектриком. У ферритов и магнитодиэлектриков повышенные значения объемного удельного сопротивления, маленькие вихревые потери тока, что позволяет применять их в высокочастотной технике. Ферриты обладают стабильностью показателей при различных частотных полях.
Область использования ферромагнетиков
Их используют наиболее эффективно для создания сердечников трансформаторных катушек. Применение материала позволяет намного увеличить магнитное поле трансформатора, при этом, не изменяя показания силы тока. Такие вставки из ферритов позволяют экономить расход электричества при работе прибора. Электротехнические материалы и оборудование после выключения внешнего магнитного воздействия сохраняют магнитные показатели, и поддерживает поле в соседнем пространстве.
Элементарные токи не проходят после выключения магнита, таким образом, создается стандартный постоянный магнит, который эффективно работает в наушниках, телефонах, измерительных приборах, компасах, звукозаписывающих устройствах. Очень популярны в применении постоянные магниты, не проводящие электричество. Получают их соединением железных окислов с другими различными оксидами. Магнитный железняк относится к ферритам.
Полупроводниковые материалы
Это элементы, которые имеют значение удельной проводимости, находящееся в промежутке этого показателя для проводников и диэлектриков. Проводимость этих материалов напрямую зависит от проявления примесей в массе, внешних направлений воздействия и внутренних дефектов.
Характеристика электротехнических материалов группы полупроводников говорит о существенном отличии элементов друг от друга по структурной решетке, составу, свойствам. В зависимости от указанных параметров, материалы подразделяют на 4 вида:
- Элементы, содержащие в себе атомы одного вида: кремний, фосфор, бор, селен, индий, германий, галлий и др.
- Материалы, содержащие в составе металлические окислы - медь, окись кадмия, цинка и др.
- Материалы, объединенные в группу антимонид.
- Материалы органики - нафталин, антрацен и др.
В зависимости от кристаллической решетки, полупроводники подразделяют на поликристаллические материалы и монокристаллические элементы. Характеристика электротехнических материалов позволяет разделять их на немагнитные и слабомагнитные. Среди магнетических компонентов различают полупроводники, проводники и непроводящие элементы. Четкое распределение выполнить затруднительно, так как многие материалы по-разному ведут себя в изменяющихся условиях. Например, работу некоторых полупроводников при пониженных температурах можно сравнить с действием изоляторов. Те же диэлектрики при нагревании работают, как полупроводники.
Композиционные материалы
Материалы, которые подразделяются не по функционированию, а по составу, называются композиционными материалами, это тоже электротехнические материалы. Их свойства и применение обусловлены сочетанием применяемых при изготовлении материалов. Примером служат листовые стекловолокнистые компоненты, стеклопластик, смеси электропроводного и тугоплавкого металлов. Применение равноценных смесей позволяет выявить сильные стороны материала и применять их по назначению. Иногда сочетание композитных составляющих приводит к созданию абсолютно нового элемента с другими свойствами.
Пленочные материалы
Большую область применения в электротехнике завоевали пленки и ленты, как электротехнические материалы. Свойства их отличаются от других диэлектриков гибкостью, достаточной механической прочностью и отличными изоляционными характеристиками. Толщина изделий варьируется в зависимости от материала:
- пленки делают толщиной 6-255 мкм, ленты выпускают 0,2-3,1 мм;
- полистирольные изделия в виде лент и пленок производят толщиной 20-110 мкм;
- полиэтиленовые ленты делают толщиной 35-200 мкм, шириной от 250 до 1500 мм;
- фторопластовые пленки изготавливают толщиной от 5 до 40 мкм, ширину предусматривают 10-210 мм.
Классификация электротехнических материалов из пленки позволяет выделить два вида: ориентированные и неориентированные пленки. Первый материал применяется наиболее часто.
Лаки и эмали для электрической изоляции
Растворы веществ, образующих при застывании пленку, представляют собой современные электротехнические материалы. К этой группе относят битумы, высыхающие масла, смолы, целлюлозные эфиры или соединения и сочетания этих компонентов. Превращение вязкого компонента в изолятор происходит после испарения из массы нанесенного растворителя, и образования плотной пленки. По способу нанесения пленки подразделяют на клеящие, пропиточные и покрывающие.
Пропиточные лаки используют для обмоток электроустановок с целью повысить коэффициент теплопроводности и сопротивление влаге. Покрывающие лаки создают верхнее защитное покрытие от влаги, мороза, масла для поверхности обмоток, пластмассы, изоляции. Клеящие компоненты способны склеивать пластинки слюды с другими материалами.
Компаунды для электрической изоляции
Эти материалы представляются жидким раствором в момент использования с последующим застыванием и отвердеванием. Вещества характерны тем, что в составе не содержат растворителей. Компаунды также относятся к группе "электротехнические материалы". Виды их бывают заливочные и пропиточные. Первый вид применяют для заполнения полостей в муфтах кабелей, а вторая группа используется для пропитки обмоток двигателя.
Компаунды производят термопластичными, они размягчаются после повышения температур, и термореактивными, стойко сохраняющими форму отвердевания.
Волокнистые непропитанные электроизоляционные материалы
Для производства таких материалов используют волокна органики и искусственно созданные составляющие. Природные растительные волокна натурального шелка, льна, дерева переделывают в материалы органического происхождения (фибра, ткань, картон). Влажность таких изоляторов колеблется в пределах 6-10%.
Органические материалы из синтетики (капрон) содержат влаги только от 3 до 5%, такое же насыщение влагой и у неорганических волокон (стекловолокно). Неорганические материалы отличаются неспособностью к возгоранию при значительном нагревании. Если материалы пропитать эмалями или лаками, то горючесть повышается. Поставка электротехнических материалов производится на предприятие по изготовлению электрических машин и приборов.
Летероид
Тонкая фибра выпускается в листах и скатывается в рулон для транспортировки. Применяется как материал для изготовления прокладок изоляции, фасонных диэлектриков, шайб. Бумагу с асбестовой пропиткой и асбестовый картон делают из хризолитового асбеста, расщепляя его на волокна. Асбест обладает сопротивлением к щелочной среде, но разрушается в кислотной.
В заключение следует отметить, что с применением современных материалов для изоляции электрических приборов значительно увеличился срок их службы. Для корпусов установок применяют материалы с выбранными характеристиками, что дает возможности для выпуска новой функциональной техники с улучшенными показателями.
По назначению материалы, используемые в различных областях электроники, условно подразделяют на конструкционные и электротехнические.
Конструкционные материалы применяют для изготовления несущих конструкций, а также вспомогательных деталей и элементов радиоприборов, работающих в условиях воздействия механических нагрузок.
Электротехнические материалы находят применение в электротехнике, электронике и радиоэлектронике. Применение этих материалов обусловлено прежде всего их электрическими и магнитными свойствами.
2) по электрическим свойствам
В процессе изготовления и в различных условиях эксплуатации на электротехнические материалы воздействуют электрическое и магнитное поля в отдельности и совместно. По поведению в электрическом поле эти материалы подразделяют на
проводниковые,
полупроводниковые
диэлектрические.
Классификация электроматериалов по электрическим свойствам основана на представлениях зонной теории электропроводности твердых тел.
Сущность зонной теории электропроводности твердых тел
В изолированном атоме электроны вращаются вокруг ядра на определенных орбитах. Согласно принципу Паули на каждой орбите может находиться не более двух электронов. Каждой орбите соответствует строго определенное значение энергии, которой может обладать электрон, т. е. каждая орбита представляет собой определенный энергетический уровень. Под воздействием притяжения положительно заряженного атомного ядра электроны стремятся занять ближайшие к ядру уровни с минимальным значением энергии. Поэтому нижние энергетические уровни оказываются заполненными электронами, а верхние уровни - свободными.
Электрон может скачкообразно перейти с нижнего энергетического уровня W 1 на другой свободный уровень W 2 (рис. 2.1). Для этого электрону необходимо сообщить дополнительную энергию . Если свободных уровней в атоме нет, то электрон не может изменить свою энергию, поэтому не участвует в создании электропроводности.
Рис. 2.1. Диаграмма энергетических уровней изолированного атома (1) и твердого тела (2)
В кристаллической решетке, состоящей из нескольких атомов, отдельные энергетические уровни расщепляются на подуровни, которые образуют энергетические зоны (см. рис. 2.1). При этом расщепляются свободные и заполненные энергетические уровни.
Зона, заполненная электронами, называется валентной . Верхний уровень валентной зоны (потолок) обозначается W v .
Свободная зона называется зоной проводимости . Нижний уровень зоны проводимости (дно) обозначается W c .
Промежуток
между валентной зоной и зоной проводимости
называют запретной зоной
.
Значение запретной зоны существенно
влияет на свойства материалов.
Если
равна
или близка к нулю, то электроны могут
перейти на свободные уровни благодаря
собственной тепловой энергии и увеличить
проводимость вещества. Вещества с такой
структурой энергетических зон относят
к проводникам. Типичными проводниками
являются металлы. Проводниковые материалы
служат для проведения электрического
тока. Обычно к проводникам относят
вещества с удельным электрическим
сопротивлением
менее 10 -5
Ом-м.
Если значение запретной зоны превышает несколько электрон-вольт (1 эВ - энергия электрона, полученная им при перемещении между двумя точками электрического поля с разностью потенциалов 1В), то для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия. Такие вещества относят к диэлектрикам. Диэлектрические материалы обладают способностью препятствовать прохождению тока.
Диэлектрики
имеют высокое удельное электрическое
сопротивление. К диэлектрическим
материалам относят вещества с удельным
электрическим сопротивлением
более 10 7
Омм. Благодаря высокому удельному
электрическому сопротивлению их
используют в качестве электроизоляционных
материалов.
Если значение запретной зоны составляет 0,1...0,3 эВ, то электроны легко переходят из валентной зоны в зону проводимости благодаря внешней энергии. Вещества с управляемой проводимостью относят к полупроводникам. Полупроводниковые материалы обладают проводимостью, с помощью которой можно управлять напряжением, температурой, освещенностью и т.д. Удельное электрическое сопротивление полупроводников составляет 10 -6 ...10 9 Ом-м.
В зависимости от структуры и внешних условий материалы могут переходить из одного класса в другой. Например, твердые и жидкие металлы - проводники, а пары металлов - диэлектрики; типичные при нормальных условиях полупроводники германий и кремний при воздействии высоких гидростатических давлений становятся проводниками; углерод в модификации алмаза - диэлектрик, а в модификации графита - проводник.
Рис.2.3. Сопротивления электротехнических материалов
Основным свойством вещества по отношению к электрическому полю является электропроводность , характеризующая способность материала проводить электрический ток под воздействием постоянного электрического поля, т. е. поля, напряжение которого не меняется во времени.
Электропроводность
характеризуется удельной электрической
проводимостью
См/м и удельным электрическим сопротивлением
Ом м.:
по магнитным свойствам
По характеру взаимодействия с внешним магнитным полем все электрооматериалы подразделяются на немагнитные и магнитные.
Немагнитные материалы не взаимодействуют с магнитным полем, т.е. не приобретают магнитных свойств при воздействии на них магнитного поля (диамагнтики).
Магнитные материалы обладают способностью намагничиваться.
В изолированном атоме электроны вращаются вокруг ядра с определенным орбитальным моментом. Одновременно электроны вращаются вокруг своих осей со спиновыми магнитными моментами. Орбитальные и спиновые магнитные моменты, суммируясь, образуют магнитный момент атома. Магнитные свойства атома определяются в основном магнитными свойствами электрона, так как магнитный момент электронной оболочки атома приблизительно в 1000 раз больше магнитного момента атомного ядра.
Так как электроны с правым и левым вращениями имеют различное направление магнитных моментов, то суммарный магнитный момент атома может быть равен нулю или отличен от него.
По силе взаимодействия с магнитным полем все материалы подразделяют на
слабомагнитные (диамагнетики, парамагнетики)
сильномагнитные (ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримагнетики).
Сила взаимодействия вещества с магнитным полем оценивается безразмерной величиной - магнитной восприимчивостью
где М - намагниченность вещества под действием магнитного поля, Ам -1 ; Н -напряженность магнитного поля, Ам -1 .
Слабомагнитные материалы незначительно меняют свою намагниченность под действием внешнего намагничивающего поля и характеризуются магнитной восприимчивостью k M << 1.
К слабомагнитным материалам относятся диамагнетики и парамагнетики.
Диамагнетики представляют собой материалы, состоящие из атомов, у которых оболочки полностью заполнены электронами. Поэтому результирующий магнитный момент атома равен нулю. Диамагнетизм присущ всем материалам и выражается тем сильнее, чем больше электронов в атомах и чем дальше они расположены от ядра. Их магнитные свойства проявляются благодаря повороту электронных орбит под действием внешнего намагничивающего поля. Благодаря этому появляется результирующий магнитный момент, направленный встречно внешнему полю и ослабляющий внешнее поле внутри диамагнетика.
Магнитная восприимчивость диамагнетиков k M = -10 -5 в большинстве случаев не зависит от температуры и напряженности намагничивающего поля.
Внешне диамагнетизм проявляется в том, что диамагнетик “выталкивается” из неоднородного магнитного поля.
К диамагнетикам относят большинство органических соединений и ряд металлов: медь, серебро, золото, свинец и др.
Парамагнетики характеризуются тем, что магнитные моменты отдельных атомов парамагнетиков ориентированы хаотично и в объеме твердого тела скомпенсированы. При помещении этих материалов в магнитное поле происходит ориентация незначительного числа магнитных моментов атомов и.усиление внешнего поля внутри парамагнетика. Это является следствием совпадения направления намагниченности парамагнетиков с направлением внешнего поля. После снятия внешнего магнитного поля парамагнетики сохраняют небольшую намагниченность.
Магнитная восприимчивость k M = 10 -2 ...10 -5 . У большинства парамагнетиков k M значительно зависит от температуры. К парамагнетикам относят алюминий, платину и др.
Сильномагнитные материалы обладают способностью к значительному изменению намагниченности под действием внешнего поля и характеризуются магнитной восприимчивостью k M >>1.
К сильномагнитным материалам относятся ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.
Ферромагнетики характеризуются следующими свойствами:
Способностью сильно намагничиваться даже в слабых магнитных полях (k M = 10 3 ... 10 5);
Способностью переходить из ферромагнитного в парамагнитное состояние при температуре, превышающей температуру Кюри Т к , т.е. способность терять магнитную восприимчивость на 3...4 порядка.
Магнитная восприимчивость k M имеет сложную нелинейную зависимость от температуры и напряженности поля.
Ферромагнетики относятся к переходным элементам, у которых нарушен нормальный порядок заполнения электронных оболочек, в результате чего атомы имеют внутренние незаполненные оболочки. Это приводит к тому, что атомы этих элементов обладают нескомпенсированным магнитным моментом. В материалах, у которых суммарный магнитный момент атома отличен от нуля, образуются домены, т.е. области, самопроизвольно намагниченные до насыщения в отсутствие внешнего магнитного поля. В зависимости от кристаллической структуры вещества домены имеют различную форму. Линейные размеры домена составляют от тысячных до десятых долей миллиметра. Отдельные домены отделены друг от друга пограничным слоем толщиной 10 -2 ...10 -8 м. В зависимости от электронного взаимодействия нескомпенсированные спины соседних атомов устанавливаются параллельно или антипараллельно. Материалы, у которых нескомпенсированные спины соседних атомов устанавливаются параллельно, являются ферромагнетиками.
Процесс намагничивания ферромагнетика начинается с роста наиболее благоприятно ориентированных доменов. Такими являются домены, у которых направления магнитных моментов близки к направлению напряженности намагничивающего поля. Число этих доменов увеличивается из-за смещения границ менее благоприятно ориентированных доменов. После окончания роста доменов в объеме кристалла намагничивание материала продолжается из-за поворота магнитных моментов доменов. При совпадении направления векторов магнитных моментов доменов с направлением напряженности магнитного поля наступает магнитное насыщение (рис. 2.4). При дальнейшем повышении напряженности внешнего электромагнитного поля намагниченность материала увеличивается незначительно. При снятии внешнего поля векторы доменов поворачиваются в обратном направлении и материал размагничивается, но не полностью.
Рис. 2.2. Схемы ориентирования вектора намагниченности в доменах ферромагнетика:
а - при отсутствии внешнего поля; б - в слабом поле с напряженностью H 1 ; в - в сильном поле с напряженностью H 2 ; г - при насыщении (H 3 = H S) и д - кривая намагничивания
При намагничивании ферромагнетиков наблюдаются явления анизотропии и магнитострикции.
Суть магнитной анизотропии состоит в том, что намагничиваемость кристалла по разным его направлениям неодинакова. В решетке кристалла ферромагнетика существуют направления легкого и трудного намагничивания. Железо и его сплавы кристаллизуются в кубическую структуру. Осями легкого намагничивания у них являются ребра куба, а самого трудного – пространственные диагонали (рис. 2.3, а). У никеля, имеющего также кубическую структуру, распределение осей намагничивания противоположное (рис. 2.3, б). У кобальта, имеющего гексагональную структуру, направление легкого намагничивания проходит вдоль шестиугольной грани, а трудного - вдоль ребра боковых граней (рис. 2.3, в).
Рис. 2.3. Диаграммы направления легкого и трудного намагничивания в монокристаллах железа (а), никеля (б) и кобальта (в)
В ненамагниченном образце направления магнитных моментов доменов совпадают с осями легкого намагничивания кристалла и располагаются равновероятно. При попадании образца в электромагнитное поле самым энергетически выгодным направлением является ось легкого намагничивания, составляющая с направлением внешнего поля наименьший угол.
Намагничивание и размагничивание ферромагнетика сопровождается изменением линейных размеров и формы кристалла. Это явление называется магнитострикцией . Оно характерно для всех магнитных материалов.
К ферромагнетикам относят железо, никель, кобальт и их сплавы, гадолиний, сплавы хрома и марганца и др.
Антиферромагнетики представляют собой материалы, у которых магнитные моменты соседних атомов равны, но их спины располагаются антипараллельно.
Магнитная восприимчивость k M = 10 -3 ...10 -5 и отличается специфической зависимостью от температуры.
Ферримагнетики во многом подобны ферромагнетикам, но обладают следующими особенностями:
Значительно уступают ферромагнетикам по значению намагниченности насыщения (предельной намагниченности) М s ;
В ряде случаев имеют аномальную зависимость намагниченности насыщения Ms от температуры с наличием точки компенсации.
Природа ферримагнетизма была впервые подробно изучена на ферритах - соединениях оксида железа Fe 2 O 3 с оксидом металлов, например МеОFe 2 O 3 (где Ме++ -двухвалентный металл). Магнитные свойства ферримагнетиков связаны с взаимным расположением в кристаллической решетке ионов железа и металла.
Ферримагнетики являются кристаллическими веществами с доменной структурой.
Лекция №18
История применения ЭТМ
3. Общие представления о диэлектрических материалах
Поляризация диэлектриков.
Классификация диэлектриков по виду поляризации
История применения электротехнических материалов (ЭТМ)
Разработка новых материалов и непрерывное совершенствование уже известных происходит одновременно с общим развитием электротехники и расширением требований промышленности к качеству материалов.
Первым практическим применением материала для создания сравнительно мощного источника электрической энергии можно считать изготовление большой батареи, электродвижущая сила которой создавалась за счет контактной разности потенциалов между дисками из разных металлов. Эта батарея была создана в 1802 г. Академиком В. В. Петровым. В ней использовалось 8400 медных и цинковых дисков с прокладками из бумаги, пропитанной электролитом. С помощью этой батареивпервые в мире была получена электрическая дуга.
И 1832 г. в своих опытах по созданию электромагнитного телеграфа русский ученый П. Л. Шиллинг использовал в качестве изоляции пленку, пропитанную воском, невулканизированный каучук и шелковую пряжу.
В 1872 г. изобретатель А. Н. Лодыгин создал первую угольную лампу накаливания; инженер П. Н. Яблочков в 1876 г. изобрел электрическую «свечу», положившую начало широкому применению электрического освещения.
Н этих изобретениях были использованы проводники, магнитные материалы электрическая изоляция.
По мере развития электротехники все большее значение приобретал правильный выбор материалов, помогавший успешно разрешать возникавшие задачи.
Быстрый рост промышленности во всех ее многочисленных отраслях сопровождается непрерывным увеличением номенклатуры применяемых материалов, совершенствованием технологии их изготовления и все более широким использованием новых, ранее не применявшихся в технике видов сырья.
Развитие отечественной электротехники выдвинуло на одно из первых мест проблему быстрейшего совершенствования электротехнических материалов высокого качества, полностью отвечающих новейшим техническим требованиям к материалам.
В настоящее время новые электротехнические материалы появляются в результате предварительного глубокого изучения физических, механических и химических характеристик таких веществ, которые могли бы быть использованы в качестве технических материалов.
Для понимания электрических, магнитных и механических свойств материалов
и других их особенностей необходимо исследовать структуру и химический состав материалов.
Классификация электротехнических материалов
Электротехнические материалы (ЭТМ) подразделяют на четыре основных класса: диэлектрические, полупроводниковые, проводниковые и магнитные. По своему поведению в электрическом поле ЭТМ подразделяются на три класса: диэлектрические, полупроводниковые и проводниковые. Значения их удельного сопротивления находятся соответственно в пределах: 10-8-10-5, 10-6-108 ,107-10 17 Ом-м, а значения ширины запрещенной зоны соответственно равны 0-0,05; 0,05-3 и более 3 эВ. магнитном же поле - на два класса: магнитные (сильномагнитные) и немагнитные (слабомагнитные). К первым относятся феррои ферримагнетики, а ко вторым -- диа-, пара- и антиферромагнетики.
Диэлектрические материалы обладают способностью поляризоваться под действием приложенного электрического поля и подразделяются на два подкласса: диэлектрики пассивные и активные. Пассивные диэлектрики (или просто диэлектрики) используют для создания электрической изоляции токопроводящих частей - они препятствуют прохождению электрического тока другими, нежелательными путями и являются материалами электроизоляционными; 2 - в электрических конденсаторах - служат для создания определенной электрической емкости; в данном случае важную роль играет их диэлектрическая проницаемость: чем выше эта величина, тем меньше габариты и вес конденсаторов.
Активные диэлектрики в отличие от обычных применяют для изготовления активных элементов (деталей) электрических схем. Детали, изготовленные из них, служат для генерации, усиления, модуляции, преобразования электрического сигнала. К ним относятся: сегнето- и пьезоэлектрики, электреты, люминофоры, жидкие кристаллы, электрооптические материалы и др.
Полупроводниковые материалы по величине удельной электропроводности занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками. Характерной их особенностью является существенная зависимость электропроводности от интенсивности внешнего энергетического воздействия: напряженности электрического поля, температуры, освещенности, длины волны падающего света, давления и т.п. Эта их особенность положена в основу работы полупроводниковых приборов: диодов,транзисторов, термисторов, фоторезисторов, тензодатчиков и др.
Проводниковые материалы подразделяются на четыре подкласса: материалы высокой проводимости, сверхпроводники и криопроводники, материалы высокого (заданного) сопротивления, контактные материалы.
Материалы высокой проводимости используют там, где необходимо, чтобы электрический ток проходил с минимальными потерями. К таким материалам относятся металлы: Си, А1, Ре, А^, Аи, Р1 и сплавы на их основе. Из них изготавливают провода, кабели и другие токопроводящие части электроустановок.
Сверхпроводниками являются материалы, у которых при температурах ниже некоторой критической Ткр сопротивление электрическому току становится равным нулю.
Криопроводники - это материалы высокой проводимости, работающие при криогенных температурах (температуре кипения жидкого азота -195,6°С).
Проводниковыми материалами высокого (заданного) сопротивления являются металлические сплавы, образующие твердые растворы. Из них изготавливают резисторы, термопары и электронагревательные элементы. Из контактных материалов изготавливают скользящие и разрывные контакты. В зависимости от предъявляемых требований эти материалы очень разнообразны по своему составу и строению. К ним относятся, с одной стороны, металлы высокой проводимости (Си, А§, Аи, Р1 и т.п.) и сплавы на их основе, с другой - тугоплавкие ме таллы (V/, Та, Мо и др.) и композиционные материалы. Последние, хотя и имеют относительно высокое электрическое сопротивление, обладают повышенной стойкостью к действию электрической дуги, образующейся при разрыве контактов. К магнитным материалам, используемым в технике, относят ферромагнетики и ферриты. Их магнитная проницаемость имеет высокие значения (до 1,5-106) и зависит от напряженности внешнего магнитного поля и температуры. Магнитные материалы применяют для концентрации магнитного поля в сердечниках катушек индуктивности, дросселях и других конструкциях, в качестве магнитопроводов запоминающих устройств в ЭВМ и т.п. Они способны сильно намагничиваться даже в слабых полях, а некоторые из них сохраняют намагниченность и после снятия внешнего магнитного поля. К наиболее широко используемым в технике магнитным материалам относятся Ре, Со, N1 и их сплавы.
3. Общие представления о диэлектрических материалах
Диэлектриками называют вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле, и в которых возможно существование электростатического поля, так как электрические заряды его атомов, молекул или ионов связаны. Используемые же на практике диэлектрики содержат и свободные заряды, которые, перемещаясь в электрическом поле, обусловливают электропроводность на постоянном напряжении. Однако количество таких свободных зарядов в диэлектрике невелико, а поэтому ток весьма мал, т. е. для диэлектрика характерным является большое сопротивление прохождению постоянного тока.
Согласно ГОСТ 21515-76 диэлектрическими материалами считают класс электротехнических материалов, предназначенных для использования их диэлектрических свойств, а именно большого сопротивления прохождению электрического тока и способности поляризоваться. Электроизоляционными материалами называют «диэлектрические материалы, предназначенные для электрической изоляции», являющейся неотъемлемой частый электрической цепи и необходимой для того, чтобы не пропускать ток по не предусмотренным электрической схемой путям.
По агрегатному состоянию диэлектрические материалы разделяются на газообразные, жидкие и твердые. По происхождению различают диэлектрические материалы природные, которые могут быть использованы без химической переработки, искусственные, изготовляемые химической переработкой природного сырья, и синтетические, получаемые в ходе химического синтеза. По химическому составу их разделяют на органические, представляющие собой соединения углерода с водородом, азотом, кислородом и другими элементами; элементоорганические, в молекулы которых входят атомы кремния, магния, алюминия, железа и других элементов; неорганические, не содержащие в своем составе углерода.
Из многообразия свойств диэлектрических материалов, определяющих их техническое применение, главными являются электрические свойства: электропроводность, поляризация и диэлектрические потери, электрический пробой и электрическое старение.
Электропроводность диэлектрических материалов обусловлена существованием в них весьма небольшого количества свободных зарядов: электронов (дырок), ионов, молионов. Молионы присущи жидким диэлектрикам и представляют собой частицы твердых диэлектриков коллоидных размеров (10-6 м), которые заряжаются, адсорбируя имеющиеся в жидкости ионы. Носители заряда образуются в результате термической генерации, фотогенерации, действия ионизирующих излучений, инжекции электронов (дырок) с металлических электродов, ударной ионизации в сильных электрических полях. Различают дрейфовый, прыжковый (носитель большую часть времени локализован, перемещения занимают меньшую часть) и диффузионный механизмы перемещения носителей заряда. Направленный поток носителей заряда в диэлектриках (электрический ток) может обусловливаться: электрическим полем; градиентом температур; сочетаниями электрического поля и градиента температур, электрического и магнитного полей, градиента температур и магнитного поля.
Электропроводность диэлектрика характеризуется удельными объемной и поверхностной проводимостями или удельными объемным и поверхностным сопротивлениями (для газообразных и жидких диэлектриков as и rs не определяются). При нормальных температуре, влажности и напряженности электрического поля r составляет 106 - 108 для низкокачественных и 1014 - 1017 Ом∙м для высококачественных диэлектриков. С ростом температуры р жидких и твердых диэлектриков, как правило, уменьшается. Уменьшение р характеризуют температурным коэффициентом удельного объемного сопротивления.
Измерения рv и рs , производят при постоянном напряжении согласно ГОСТ 6433.1-71.
В электрическом поле в диэлектрике происходят поляризации: за время 10-16 - 10-15 с электронная упругая у всех диэлектриков независимо от агрегатного состояния; в течение 10-14 - 10-13 с ионная упругая (в ионных кристаллах); за соизмеримое с полупериодом Т/2 приложенного напряжения время дипольная (в полярных диэлектриках) и миграционная - объемно-зарядовая и тепловая ионная (в содержащих микро- и макронеоднородности диэлектриках); доменная (в сегнетоэлектриках), определяемая ориентацией векторов спонтанной поляризованности.
Поляризация диэлектриков.
В зависимости от видов связей различаются виды поляризации, перечисленные выше. Вспомним основные виды связей: ковалентная, ионная, металлическая, межмолекулярная за счет Ван-дер-Ваальсовых сил. Доля каждой связи присутствует в реальных материалах. Рассмотрим каждую связь на простейших примерах.
Ковалентная связь молекул: Н2, О2, СО, Сl2 , Н2О и др.
Центры молекул не смещены – неполярные молекулы.
Центры молекул смещены – полярные или дипольные молекулы.
Полярные молекулы характеризуются диапольным моментом.
Дипольный момент µ (дебайтах) равен пролизведению заряда q на расстояние между центрами поляризации (зарядами).
Ковалентная связь может быть в молекулах и между атомами, образующими решотку кристаллов: алмаз, С-С, Si – Si и др.
Ионная связь – связь между заряженными частицами, например в ионном кристалле NаCI. Эти вещества отличаются повышенной механической прочностью и повышенной температурой плавления.
Металлическая связь – электростатическое взаимодействие между положительно заряженным ионным остовом кристалла и отрицательным электронным облаком.
Межмолекулярная связь (Ван-дер-Ваальсовое взаимодействие).
Например в некоторых веществах между молекулами с ковалентными внутримолекулярными связями (органика). Например парафин – обладают низкой температурой плавления, что говорит о непрочности их кристаллической решетки.
Ограниченное упругое смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул называется поляризацией. О явлениях, обусловленных поляризацией, можно судить по значению диэлектрической проницаемости, а также угла диэлектрических потерь, если поляризация диэлектрика сопровождается рассеянием энергии, вызивающей нагрев диэлектрика. Нагрев вызывается также движением свободных зарядов – малым сквозным током.
Сквозной ток обьясняет электропроводность технического диэлектрика, численно характеризуется удельной обьемной (γv) электрической проводимостью и удельной поверхностной (γ s) электрической проводимостью – это обратные велечины удельного обьемного (ρ v) и поверхностного (ρ s)сопротивления.
Любой диэлектрик может быть использован до определенного значения напряжения в определенных условиях. При U , более U пред наступает пробой диэлектрика – потеря диэлектрических свойств.
Величина напряжения, при котором происходит пробой называется пробивным напряжением.
Основные виды поляризации
Мгновенная поляризация – вполне упругая, без рассеяния энергии, без выделения теплоты. Может носить электронный и ионный характер.
Нарастающая поляризация – нарастающая и убывающая не мгновенная, сопровождается рассеянием энергии, нагреванием диэлектрика.
Разные виды поляризации наблюдаются у разных диэлектриков.
Эквивалентная схема диэлектрика с разными видами поляризации:
Виды поляризации:
Электронная поляризация - упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и ионов. Время установки 10 -15 сек – очень мало. Смещение и деформация электронных орбит не зависит от температуры, но поляризация снижается с температурой, с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице обьема.
Электронная поляризация есть у всех видов диэлектриков и не связана с потерей энергии.
Ионная поляризация – (Сn, Qn – концентрация,заряд) – характерна для твердых тел с ионным строением и связана со смещением упругих ионов.
С повышением температуры она усиливается в результате ослабления упругих сил между ионами из-за увеличения расстояния между ними. Время 10 -13 с.
Дипольно-релаксационная (Сд, Qд,rд –концентрация, заряд, сопротивление дип – релакс.) .
Дипольная поляризация связана с тепловым движением частиц. Дипольные молекулы в хаотическом движении ориентируются в поле, что и является поляризацией.
Дипольная поляризация возможна если молекулярные силы не препятствуют ориентации диполя. С увеличением температуры молекулярные силы ослабевают, увеличивается ориентация молекул, вязкость понижается, но увеличивается тепловое движение. Поэтому дипольная поляризация сначала возрастаетя, потом падает.
Дипольная поляризация связана с потерей энергии из-за преодоления вязкости – поэтому в схеме есть сопротивление rд-р.
В вязких жидкостях сопротивление повороту диполя велико и при больших частотах приложенное напряжение может исчезнуть.
Время релаксации – время, в течение которого упорядоченно ориентированные полем диполи уменьшатся в 2,7 раза.
Дипольная поляризация для полярных газов и жидкостей в твердом полярном органическом веществе.
Пример – целлюлоза - полярность ОН-групп.
В кристаллах со слабыми Ван – дер-Ваальсовыми сидами возможна поляризация больших частиц.
Ионно-релаксационная поляризация (С и-р, Q и-р, r и-р) – наблюдается в неорганических стеклах, ионных кристаллических неорганических веществах с неплотной упаковкой ионами. Ионы смещаются в сторону поля. Ионно-релаксационная поляризация после снятия напряжения U затухает, а при повышении температуры T °С – усиливается.
Электронно-релаксационная поляризация (С э-р, Q э-р, r э-р) – возникает вследствии возбуждения тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или дырок;
Характерна для диэлектриков с большой внутренним полем, электронной электропроводностью.
TiO 2 , загрязненный примесями Nb 5+ , Cu 2+ , Ba 2+ /
TiO 2 при Ti 3+ и анионными вакансиями оксидов металлов переменной валентности: Ti, Nb, W.
Диэлектрическая проницаемость Ti-содержащей керамики с электронно-релаксационной поляризацией уменьшается с возрастанием частоты электрического поля.
Миграционная поляризация (С м, Q м,r v) – дополнительный механизм поляризации в твердых телах неоднородной структуры. Проявляется при низких частотах и связана с неоднородностями и примесями проводящими включениями, слоями разной проводимости.
В слоистых пластиках идет накопление зарядов в слоях, медленное движение ионов. Процесс может быть условно изображен на схеме.
Самопроизвольная (спонтанная)поляризация у сегнетоэлектриков
В переменных электрических полях идет выделение теплоты.
Области (домены) обладают электрическим моментом в отсутствии поля. При наложении поля наблюдается ориентация доменов.
У веществ с самопроизвольной поляризацией есть области (домены), обладающие электрическим моментом в отсутствии поля.
Похожая информация.
Загрузка...
