Классификация электротехнических материалов

1

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

?=RS/h,

где

R -- объемное сопротивление образца, Ом;

S -- площадь электрода, м²;

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:

Е_np = U_np/h

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/м³. 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 10ⁿ 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^IVB^,IV (например, SiC), A^IIIB^V (InSb, GaAs, GaP), A^IIB^IV (CdS, ZnSe), а также некоторые оксиды (CU₂O). 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

К_п= В_т/ В_макс

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/м³. 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/м³ они уступают сплавам системы альни. Удельное сопротивление бариевого феррита 10⁴ - 10⁷ 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.