Материалы, используемые для изготовления любого по назначению и степени сложности электрооборудования, можно разделить на две большие группы: электротехнические и конструкционные .
Электротехнические материалы (ЭТМ)применяют для производства элементов (деталей), используемых для сборки электронных схем и обеспечивающих прохождение электрического тока, его электрическую изоляцию, генерацию, усиление, выпрямление, модуляцию и т.п. Элементы, необходимые для осуществления этих операций (провода, кабели, волноводы, изоляторы, резисторы, катушки индуктивности, магниты, трансформаторы, генераторы, диоды, транзисторы, термисторы, фоторезисторы, электронные лампы, электромеханические преобразователи, вариконды, лазеры, запоминающие устройства электронных вычислительных машин (ЭВМ) и т.п.), могут быть изготовлены только из ЭТМ определенного класса, имеющих вполне определенные физико-химические свойства – электрофизические, механические, химические. От присущих данному материалу свойств будут зависеть качество, надежность и безопасность работы данной детали и, следовательно, электроустановки в целом.
Конструкционные материалы (КМ) используют для изготовления несущих конструкций и вспомогательных деталей и узлов, например: стальных рельсов, опор, консолей контактной сети электрифицированных железных дорог, которые несут не только механические нагрузки, но и электрические; корпусов для электрооборудования, предохраняющих от механических нагрузок; шасси, на которых монтируется электросхема; шкал, органов управления и т.п.
При рассмотрении средней по сложности электрической схемы можно увидеть, что она состоит из элементов, изготовленных из четырех основных классов электротехнических материалов: диэлектрических, полупроводниковых, проводниковых и магнитных.
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 – 10 8 ,10 7 – 10 17 Ом-м, а значения ширины запрещенной зоны соответственно равны 0 – 0,05; 0,05 – 3 и более 3эВ. По своему поведению в магнитном же поле ЭТМ подразделяются на два класса: магнитные (сильномагнитные) и немагнитные (слабомагнитные). К первым относятся ферро- и 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:
1) 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:
1) материалы высокой проводимости;
2) сверхпроводники и криопроводники;
3) материалы высокого (заданного) сопротивления;
4) контактные материалы.
Материалы высокой проводимости используют там, где необходимо, чтобы электрический ток проходил с минимальными потерями. К таким материалам относятся металлы: Сu, А1, Fе, Аg, Аu, Рt 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 (Т кр ) сопротивление электрическому току становится равным нулю.
Криопроводники – это материалы высокой проводимости, работающие при криогенных температурах (температуре кипения жидкого азота -195,6 о 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 (Сu, Аg, Аu, Рt и т.п.) и сплавы на их основе, с другой – тугоплавкие металлы (W, Та, Мо и др.) и композиционные материалы. Последние хоть 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 Fе, Со, Ni и их сплавы.
Конструкционные материалы – одна из самых многочисленных групп. В нее входят материалы металлические и неметаллические: черные и цветные металлы, природные и синтетические полимеры и материалы на их основе, которые, в свою очередь, содержат десятки (и даже сотни) различных по составу, свойствам и назначению КМ. Наиболее широко используемыми в технике КМ являются такие металлические сплавы, как углеродистые стали, легированные стали и чугуны.
ЛЕКЦИЯ 10
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ
Электротехническими материалами (например, контактными материалами) называют материалы, характеризуемые определенными свойствами по отношению к электрическим и магнитным полям и применяемые в технике с учетом и благодаря этим свойствам. В настоящее время число наименований электротехнических материалов, применяемых в радио-, микро-, и наноэлектронике составляет несколько тысяч. Причем все более актуальным является задача создания новых материалов с заданными свойствами (оптическими, полупроводниковыми, эмиссионными и т. д.)
Основными областями использования электротехнических материалов является электроэнергетика, электротехника, радиоэлектроника.
Электроэнергетика – это производство энергии и ее поставка потребителю. Это линии электропередач, трансформаторные станции, энергетическое хозяйство.
Электротехника – это все, что связано с превращением электрической энергии в другие виды энергии с одновременно осуществлением технологических процессов:
электротермических, - электросварочных,- электрофизических,- электрохимических и др.
Радиотехника – это системы управления энергетическими и электро-техническими объектами, передача информации, ее обработка, хранение и т. д.
Совершенствование электротехнологии повлекло за собой создание материалов, обладающих новыми свойствами: более высокой прочностью, термостойкостью, устойчивостью к агрессивному воздействию химических реакций, и имеющих высокие электроизоляционные свойства и низкую теплопроводность.
Классификация электротехнических материалов
Материалы, используемые в электронной технике, подразделяют на электротехнические, конструкционные и специального назначения.
По поведению в магнитном поле электротехнические материалы подразделяют на сильномагнитные (магнетики) и слабомагнитные. Первые нашли особенно широкое применение в технике благодаря их магнитным свойствам.
По поведению в электрическом поле материалы подразделяют на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические.
Большинство электротехнических материалов можно отнести к слабомагнитным и практически немагнитным. Однако и среди магнетиков следует различать проводящие, полупроводящие и практически непроводящие, что определяет частотный диапазон их применения.
Проводниковые называют материалы, основным электрическим свойствам которых является сильно выраженная электропроводность. Их применение в технике обусловлено в основном этим свойством, определяющим высокую удельную электрическую проводимость при нормальной температуре.
Полупроводниковыми называют материалы, являющиеся по удельной проводимости промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами и отличительным свойством которых является сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида примесей или различных дефектов, а также в большинстве случаев от внешних энергетических воздействий (температуры, освещенности и т. п.).
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 теплоты.
При применении диэлектриков - одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов - довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов.
Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.
Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10 -5 Ом*м, а к диэлектрикам материалы, у которых ρ > 10 8 Ом*м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10 -8 Ом м, а лучших диэлектриков превосходить 10 16 Ом-м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах
10 -5 -10 8 Ом м. Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причем двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ существуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Четкую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков – возбужденным.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЭЛЕКТРОПОЕЗДАХ
Краткие характеристики и основные показатели эксплуатируемых эл.поездов.
На эл.поездах различают механическую часть,эл.оборудование,пневматическое оборудование.
К механической части относятся: кузов вагона, тележки с колесными парами и буксовыми узлами, рессорное подвешивание, тяговая передача, сцепные приборы и Т.Р.П.
Эл.оборудование включает: токоприемники, пуско-регулирующую и тормозную аппаратуру, тяг.двигатели, вспомогательные машины, аппаратуру защиты и управления эл.поездом.
Пневматическое оборудование: пневматические аппараты и приборы тормозной системы, тифоны, резервуары, краны и т.д.
ТРЕБОВАНИЯ,ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ЭЛ.ПОЕЗДАМ .
Эл.поезда должны обеспечить высокое значение ускорения при пуске (разгоне) и замедлении при торможении. Высокие скорости на перегонах, комфорт пассажиров.
Назначение и классификация электротехнических материалов
Для производства электрических машин, аппаратов и другого оборудования используют специальные материалы, обладающие определенными электрическими или магнитными свойствами. В зависимости от этого электротехнические материалы разделяют на четыре группы: проводниковые, полупроводниковые, магнитные и электроизоляционные.
Проводниковые материалы отличаются большой удельной проводимостью и используются в электрических устройствах в качестве проводников электрического тока: обмотки и контакты в электрических машинах, аппаратах и приборах, провода и кабели для передачи и распределения электрической энергии.
Материалы с высокой проводимостью: медь, алюминий и некоторые сплавы(латунь, бронза и др.)
Материалы с высоким удельным сопротивлением можно разделить на три группы:
1) для точных измерительных приборов и образцовых резисторов.(медно-марганцевый сплав – манганин)
2) для резисторов и реостатов (константан)
3) имеющие высокую рабочую температуру и предназначенные для нагревательных приборов и нагрузочных реостатов (сплавы никеля, хрома и железа – нихром; хрома, алюминия и железа – фехраль)
Угольно-графитные проводники по проводимости немногим уступают металлам и их сплавам и используются как проводящие элементы. В основе угольных проводниковых материалов лежит графит и уголь. Щетки, применяемые для электрических машин подразделяют на четыре основные группы: угольно-графитные, графитные, электрографитные и металлографитные.
Полупроводниковые материалы занимают по удельной проводимости промежуточное место между проводниками и диэлектриками.
Магнитные материалы отличаются способностью усиливать магнитное поле, в которое их помещают, т.е. обладают большой магнитной проводимостью. Они используются для изготовления магнитопроводов в электрических машинах и трансформаторах. В электротехнических устройствах применяют главным образом железо, никель, кобальт и их сплавы.
Классификация электротехнических материалов.
Для производства элементов электроустановок, их монтирования и сборки используют всевозможные электротехнические материалы. Эти материалы подразделяются:1. по способности пропускать электрический ток:
а) проводники;
б диэлектрики;
в) полупроводники;
2. назначению:
а) материалы для изготовления токоведущих частей;
б) изолирующие, изоляционные материалы;
в) магниты;
г) конструкционные;
д) вспомогательные;
3. агрегатному состоянию:
а) твердые;
б) жидкие;
г) газообразные;
4. химическому составу:
а) чистые элементы;
б) химические соединения элементов и смеси.
довольно легко пропускают электрический ток и по этой причине используются как токоведущие части электроустановок. К этим материалам относятся металлы, в первую очередь – это серебро, медь, алюминий, сталь, а также их сплавы – такие как латунь, бронза и пр. К проводникам также относятся растворы различных кислот, щелочей, солей и электротехнический уголь.
Электроизоляционные материалы (они же диэлектрики ) очень тяжело пропускают электрический ток и поэтому их используют для изоляции токоведущих частей. К этим материалам принадлежат воздух, инертные газы, различные смолы, пластмассы, стекло, парафин, слюда, керамика и др.
К полупроводниковым материалам относятся материалы, которые занимают промежуточное значение по способности пропускания электрического тока между проводниками и изоляторами (диэлектриками). К ним относятся химические элементы 4-ой группы - германий, кремний, химические соединения галлия и индия. Из полупроводниковых материалов изготавливают полупроводниковые приборы - диоды, полупроводниковые резисторы, транзисторы, тиристоры, микросхемы и др.
Такие свойства как намагничивание присущи магнитным материалам, к которым относят железо и другие сплавы, состоящие из железа. Эти материалы используются в качестве сердечников статоров и роторов электродвигателей и генераторов, трансформаторов, электромагнитных реле, дросселей и др.
Конструкционные электротехнические материалы применяют для изготовления конструктивных частей электроустановок. К этой группе относятся как проводниковые, так и электроизоляционные материалы. Так, например, из чугуна и сплавов алюминия льют корпуса электромашин, щиты, конструкции для крепежа токоведущих частей, из керамики изготовляют остовы электронагревательных приборов и реостатов, из пластмассы – корпуса электроприборов для измерения, ручки автоматических выключателей, рубильников.
В процессе изготовления и монтажа электроустановок еще используют клеи, лаки, припои, эмали и т. п. им материалы. Эти материалы относятся к вспомогательным электротехническим материалам.
Самый непрочный вид связи -- молекулярная связь (связь Ван-дер-Ваальса). Такая связь существует в некоторых веществах между молекулами с ковалентными внутримолекулярными связями.
Межмолекулярное притяжение обусловливается согласованным движением валентных электронов в соседних, молекулах. В любой момент времени электроны максимально удалены друг от друга и максимально приближены к положительным зарядам. При этом силы притяжения валентных электронов положительно заряженными остовами соседних молекул оказываются сильнее сил взаимного отталкивания электронов внешних орбит. Связь Ван-дер-Ваальса наблюдается между молекулами некоторых веществ (например, парафина) имеющих низкую температуру плавления, свидетельствующую о непрочности их кристаллической решетки.
Основным, характерным для любого диэлектрика процессом, возникающим при воздействии на него электрического напряжения, является поляризация -- ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.
Дипольно-релаксационная поляризация для краткости называется дипольной. Отличается от электронной и ионной поляризации тем, что она связана с тепловым движением частиц. Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием поля, что и является причиной поляризации.
Дипольная поляризация возможна, если молекулярные силы не препятствуют диполям ориентироваться вдоль поля. С увеличением температуры молекулярные силы ослабляются, вязкость вещества понижается, что должно усиливать дипольную поляризацию, однако в то же время возрастает энергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля. Поэтому с увеличением температуры, дипольная поляризация сначала возрастает (пока ослабление молекулярных сил сказывается сильнее, чем возрастание хаотического теплового движения), а затем, когда хаотическое движение становится интенсивнее, дипольная поляризация с ростом температуры начинает падать.
Поворот диполей в направлении поля в вязкой среде требует преодоления некоторого сопротивления, а потому дипольная поляризация связана с потерями энергии.
Диэлектрическая проницаемость твердых тел зависит от структурных особенностей твердого диэлектрика. В твердых телах возможны все виды поляризации. Для твердых неполярных диэлектриков характерны те же закономерности, что и для неполярных жидкостей и газов. Это подтверждается зависимостью ? r (t) для парафина. При переходе парафина из твердого состояния в жидкое (температура плавления около +54°С) происходит резкое уменьшение диэлектрической проницаемости вследствие понижения плотности вещества.
Газообразные вещества характеризуются малыми плотностями. Поэтому диэлектрическая проницаемость всех газов незначительна и близка к единице. Если молекулы газа полярные то поляризация может быть дипольной, однако и для полярных газов основное значение имеет электронная поляризация.
Поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы, определяется электронной и дипольной поляризациями. Чем больше электрический момент диполей и число молекул в единице объема, тем большей диэлектрической проницаемостью обладают жидкие диэлектрики. Диэлектрическая проницаемость жидких полярных диэлектриков изменяется в пределах от 3 до 5,5.
Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с плотной упаковкой частиц, обладают электронной и ионной поляризациями и имеют диэлектрическую проницаемость, изменяющуюся в широких пределах. Для неорганических стекол (квазиаморфных диэлектриков) диэлектрическая проницаемость изменяется в пределах от 4 до 20. Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с неплотной упаковкой частиц, помимо электронной и ионной поляризации имеют ионно-релаксационную поляризацию и характеризуются невысоким значением диэлектрической проницаемости. Так например ? r каменной соли имеет значение 6, корунда 10, рутил 110, а титанат кальция 150. (Все значение ? r приведены для температуры 20 °С.)
Полярные органические диэлектрики обнаруживают дипольно-релаксационную поляризацию в твердом состоянии. К таким диэлектрикам относятся целлюлоза и продукты ее переработки, полярные полимеры. Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается также у льда. Диэлектрическая проницаемость указанных материалов в большой степени зависит от температуры и от частоты приложенного напряжения, подчиняясь тем же закономерностям, какие наблюдаются для полярных жидкостей.
Можно отметить, что диэлектрическая проницаемость льда резко меняется в зависимости от температуры и частоты. При низких частотах и температуре, близкой к О°С, лед, как и вода, имеет ? r ~ 80, однако с понижением температуры ? r быстро падает и доходит до 2,85.
Диэлектрическая проницаемость сложных диэлектриков, представляющих собой механическую смесь двух компонентов с разными диэлектрическими проницаемостями определяется, в первом приближении, на основании логарифмического закона смешения.
Ток в газах может возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов. Ионизация нейтральных молекул газа возникает либо под действием внешних факторов, либо вследствие соударений заряженных частиц с молекулами.
Электропроводность жидких диэлектриков тесно связана со строением молекул жидкости. В неполярных жидкостях электропроводность зависит от наличия диссоциированных примесей, в том числе влаги. В полярных жидкостях электропроводность определяется не только примесями, но иногда и диссоциацией молекул самой жидкости. Ток в жидкости может быть обусловлен как передвижением ионов, так и перемещением относительно крупных заряженных коллоидных частиц.
Электропроводность твердых тел обусловливается передвижением, как ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей, а у некоторых материалов может быть вызвана наличием свободных электронов. Электронная электропроводность наиболее заметна при сильных электрических полях.
В диэлектриках с атомной или молекулярной решеткой электропроводность связана только с наличием примесей, удельная проводимость их весьма мала.
В системе СИ удельное объемное сопротивление ?v равно объемному сопротивлению куба с ребром в 1 м, мысленно вырезанного из исследуемого материала (если ток проходит сквозь куб, от одной его грани к противоположной), умноженному на 1 м.
Для плоского образца материала в однородном поле удельное объемное сопротивление (Ом-метр) рассчитывается по формуле
R -- объемное сопротивление образца, Ом;
S -- площадь электрода, м 2 ;
h -- толщина образца, м.
Удельная объемная проводимость? измеряется в сименсах на метр
Потери в диэлектрике (диэлектрические потери)- это мощность, рассеиваемая в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика. Потери в диэлектриках наблюдаются как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживается сквозной ток, обусловленный проводимостью.
При постоянном напряжении нет периодической поляризации. Качество материала при этом характеризуется значениями удельного объемного и поверхностного сопротивлений. При переменном напряжении необходимо использовать какую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозного тока, возникают дополнительные причины, вызывающие потери в диэлектрике.
Диэлектрические потери в электроизоляционном материале можно характеризовать рассеиваемой мощностью, отнесенной к единице объема, или удельными потерями; чаще для оценки способности диэлектрика рассеивать мощность в электрическом поле пользуются углом диэлектрических потерь, а также тангенсом этого угла.
Недопустимо большие диэлектрические потери в электроизоляционном материале вызывают сильный нагрев изготовленного из него изделия и могут привести к его тепловому разрушению. Даже если напряжение, приложенное к диэлектрику, недостаточно, велико для того, чтобы за счет диэлектрических потерь мог произойти недопустимый перегрев, то и в этом случае большие диэлектрические потери могут принести существенный вред, увеличивая, например, активное сопротивление колебательного контура, в котором использован данный диэлектрик а, следовательно, и величину затухания.
Резина и бумага являются органическими диэлектриками молекулярной структуры с полярными молекулами. Эти вещества из-за присущей им дипольно-релаксационной поляризации обладают большими потерями. Тангенс угла потерь tg?~0,03, для сажевых резин до 0,25.
Стекла, неорганические квазиаморфные вещества ионной структуры представляющие собой сложные системы различных оксидов. Диэлектрические потери в таких веществах связаны с явлением поляризации и электропроводности. Электрические свойства весьма в большой степени зависят от их состава. Для кварцевого стекла тангенс угла потерь tg?~0,0002.
Пенопласты -- материалы с ячеистой структурой, в которых газообразные наполнители изолированы друг от друга и от окружающей среды тонкими слоями полимерного связующего. Пенопласты на основе эпоксидных смол имеют тангенс угла потерь tg?~0,025 - 0.035. Пенопласты на основе пенополистирола tg?~0,0004.
Таким образом, меньшие электрические потери следует ожидать от стекла.
Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а соответствующее значение напряженности поля -- электрической прочностью диэлектрика.
Пробивное напряжение обозначается U np и измеряется чаще всего в киловольтах. Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя:
где h -- толщина диэлектрика
Удобные для практических целей численные значения электрической прочности диэлектриков получаются, если пробивное напряжение выражать в киловольтах, а толщину диэлектрика -- в миллиметрах. Тогда электрическая прочность будет в киловольтах на миллиметр. Для сохранения численных значений и перехода к единицам системы СИ можно пользоваться единицей МВ/м:
Жидкие диэлектрики отличаются более высокой электрической прочностью, чем газы в нормальных условиях. Предельно чистые жидкости получить чрезвычайно трудно. Постоянными примесями в жидких диэлектриках являются вода, газы и твердые частицы. Наличие примесей и определяет в основном явление пробоя жидких диэлектриков и вызывает большие затруднения для создания точной теории пробоя этих веществ.
Теорию электрического пробоя можно применить к жидкостям, максимально очищенным от примеси. При высоких значениях напряженности электрического поля может происходить вырывание электронов из металлических электродов и, как и в газах, разрушение молекул самой жидкости за счет ударов заряженными частицами. При этом повышенная электрическая прочность жидкого диэлектрика по сравнению с газообразным обусловлена значительно меньшей длиной свободного пробега электронов. Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняют местным перегревом жидкости за счет энергии, выделяющейся в относительно легко ионизирующихся пузырьках газа, который приводит к образованию газового канала между электродами. Вода в виде отдельных мелких капелек, находящихся в трансформаторном масле, при нормальной температуре значительно снижает E пр. Под влиянием длительного электрического поля сферические капельки воды сильно дипольной жидкости поляризуются, приобретают форму эллипсоидов и, притягиваясь между собой разноименными концами, создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой.
Обожженный фарфор имеет плотность 2,3-2,5 Мг/м 3 . Предел прочности при сжатии 400-700 МПа, при растяжении 45-70 МПа, при изгибе 80-150 МПа. Из чего видно, что механическая прочность фарфора выше при работе на сжатие.
Защитные свойства различных материалов к корпускулярным и волновым излучениям высокой энергии удобно характеризовать понятием слоя десятикратного ослабления, т.е. толщиной слоя вещества, после прохождения, которого интенсивность излучения ослабляется в десять раз. Эта характеристика значительно облегчает расчеты элементов защиты. Например, для ослабления в 100 раз необходимо взять толщину защитного вещества, равную двум слоям десятикратного ослабления. Очевидно, п слоев десятикратного ослабления снизит интенсивность излучения в 10 n раз.
Поглощение квантовой энергии веществом зависит от плотности этого вещества. Из перечисленных веществ наибольшую плотность имеет свинец. Для поглощения 1 МэВ квантового излучения толщина свинца должна быть ~ 30 мм, стали ~50 мм, бетона ~200 мм, воды 400 мм. Таким образом, свинец имеет наименьшую толщину слоя десятикратного ослабления.
Важнейшими практически применяемыми твердыми проводниковыми материалами в электротехнике являются металлы и их сплавы. Из них выделяются металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление? при нормальной температуре не более 0,05мкОм * м, и сплавы высокого сопротивления имеющие удельное сопротивление? при нормальной температуре не менее 0,3мкОм * м. Металлы высокой проводимости используются для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин. К таким металлам относятся медь (0,017 мкОм * м), Серебро (0,016 мкОм * м) Алюминий (0,028 мкОм * м)
Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторов электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания. К металлам и сплавам высокого сопротивления относятся Манганин (0,42-0,48 мкОм * м), Константан (0,48-0,52 мкОм * м), Хромо-никеливые сплавы (1,1-1,2 мкОм * м), Хромо-алюминевые (1,2-1,5 мкОм * м), Ртуть, Свинец, Вольфрам.
В 1911 г. нидерландский физик X. Камерлииг-Оннес исследовал электропроводность металлов при весьма низких температурах, приближающихся к абсолютному нулю. Он обнаружил, что при охлаждении до температуры, примерно равной температуре сжижения гелия, сопротивление кольца из замороженной ртути внезапно, резким скачком падает до чрезвычайно малого, не поддающегося измерению, значения. Такое явление, т.е. наличие у вещества практически бесконечной удельной проводимости, было названо сверхпроводимостью. Температура Т С , при охлаждении до которой вещество переходит в сверх проводящее состояние, -- температурой сверхпроводящего перехода. Вещества, переходящие в сверхпроводящие состояние, -- сверхпроводниками.
Явление сверхпроводимости связано с тем, что электрический ток, однажды наведенный в сверхпроводящем контуре, будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы, и притом без всякого подвода энергии извне.
В настоящее время известно уже 35 сверхпроводниковых металлов и более тысяч сверхпроводниковых сплавов и химических соединений различных элементов. В то же время многие вещества, в том числе и такие, обладающие весьма малыми значениями? при нормальной температуре, металлы как серебро, медь, золото, платина и другие, при наиболее низких достигнутых в настоящее время температурах (около милликельвина) перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.
Использующиеся в практике полупроводники могут быть подразделены на простые полупроводники (их основной состав образован атомами одного химического элемента) и сложные полупроводниковые композиции, основной состав которых образован атомами двух или большего числа химических элементов. В настоящее время изучаются также стеклообразные и жидкие полупроводники. Простые полупроводники, это: Бор, Кремний, Германий, Фосфор, Мышьяк, Селен, Сера, Теллур, Йод. Сложными полупроводниками являются соединения элементов различных групп таблицы Менделеева, соответствующие общим формулам A IV B ,IV (например, SiC), A III B V (InSb, GaAs, GaP), A II B IV (CdS, ZnSe), а также некоторые оксиды (CU 2 O). К полупроводниковым композициям можно отнести материалы с полупроводящей или проводящей фазой из карбида кремния и графита, сцепленных керамической или другой связкой.
В современной технике особое значение приобрели кремний, германий и частично селен, применяемый для изготовления диодов, триодов и других полупроводниковых приборов.
Терморезисторы (термисторы) изготовляют в виде стерженьков, пластинок или таблеток методами керамической технологии. Сопротивление и другие свойства терморезисторов зависят не только от-- состава, но и от крупности зерна, от технологического процесса изготовления: давления при прессовании (если полупроводник берут в виде порошка) и температуры обжига. Терморезисторы используются для измерения, регулирования температуры и термокомпенсации, для стабилизации напряжения, ограничения импульсных пусковых токов, измерения теплопроводности жидкостей, в качестве бесконтактных реостатов и токовых реле времени.
Из полупроводниковой керамики, обладающей точкой Кюри, изготовляются терморезисторы, отличающиеся от всех других терморезисторов тем, что имеют не отрицательный, а очень большой положительный температурный коэффициент сопротивления (свыше +20%/К) в узком интервале температур (около 10 °С). Такие терморезисторы называют позисторами. Их изготовляют в виде дисков небольшой толщины и предназначают для контроля и регулирования температуры, использования в системах пожарной сигнализации, предохранения двигателей от перегрева, ограничения токов, измерения потоков жидкостей и газов.
Полупроводниковые оксиды используются в основном для изготовления терморезисторов с большим отрицательным температурным коэффициентом удельного сопротивления [--(З-4)%/К].
Для запоминающих устройств вычислительной техники применяются ферриты, обладающие прямоугольной формой петли гистерезиса. Основным из параметров изделий этого типа является коэффициент прямоугольности петли гистерезиса К п представляющий собой отношение остаточной индукции В т к максимальной индукции В макс
Кп= Вт/ Вмакс
Для изготовления сердечников трансформаторов используют магнитомягкие материалы в виде набора тонких, изолированных друг от друга, листов. Данная конструкция сердечника трансформатора позволяет значительно уменьшить потери на вихревые токи (токи Фуко).
Магнитотвердые материалы используют в основном для изготовления постоянных магнитов.
По составу, состоянию и способу получения магнитотвердые материалы подразделяют на:
1) легированные мартенситные стали,
2) литые магнитотвердые сплавы,
3) магниты из порошков,
4) магнитотвердые ферриты,
5) пластически деформируемые сплавы,
6) магнитные ленты.
Характеристиками материалов для постоянных магнитов служат коэрцитивная сила, остаточная индукция и максимальная энергия, отдаваемая магнитом во внешнее пространство. Магнитная проницаемость материалов для постоянных магнитов ниже, чем магнитомягких материалов, причем, чем выше коэрцитивная сила, тем меньше магнитная проницаемость.
Наиболее простым и доступным материалом для изготовления постоянных магнитов являются легированные мартенситные стали. Они легируются добавками вольфрама, хрома, молибдена, кобальта. Значение W макс для мартенситных сталей составляет 1--4 кДж/м 3 . Магнитные свойства таких сталей гарантируются для мартенситных сталей после осуществления термообработки, специфичной для каждой марки стали, и пятичасовой структурной стабилизации в кипящей воде. Мартенситные стали начали применять для производства постоянных магнитов раньше всех других материалов. В настоящее время они имеют ограниченное применение в виду их невысоких магнитных свойств, но полностью от них не отказываются, так как они дешевы и допускают механическую обработку на металлорежущих станках.
Для работы в высокочастотных установках наиболее подходящий материал - магнитотвердый феррит (бариевый феррит). В отличие от магнитомягких ферритов он имеет не кубическую, а гексагональную кристаллическую решетку с одноосной анизотропией. Магниты из феррита бария имеют коэрцитивную силу до 240кА/м, однако по остаточной индукции 0,38 Тл и запасенной магнитной энергии 12,4 кДж/м 3 они уступают сплавам системы альни. Удельное сопротивление бариевого феррита 10 4 - 10 7 Ом*м, т.е. в миллионы раз выше удельного сопротивления литых металлических магнитотвердых сплавов.
Высоким электрическим сопротивлением а, следовательно, и малым тангенсом угла магнитных потерь, обладают металлопластические магниты (с довольно низкими магнитными свойствами), что так же позволяет использовать их в аппаратуре с наличием переменного магнитного поля повышенной частоты.
