Характеристики диэлектриков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФБОУ ВПО «НОВОСИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ВОДНОГО ТРАНСПОРТА»

Кафедра «Электроэнергетические системы и электротехника»

Дисциплина «Технология конструкционных материалов»

РЕФЕРАТ

На тему:

«Технология конструкционных материалов»

Вариант 10

Факультет: Заочный

Группа: ЭМ - 03

Шифр: 11-170

Выполнил:

Павлов Виталий Михайлович

Преподаватель:

д-р техн. наук, профессор

Горелов Валерий Павлович

Новосибирск - 2012

Содержание

Введение

1. Основные механические характеристики диэлектриков (вопрос 10)

2. Сверхпроводники и возможности их применения в электротехнике (вопрос 20)

3. Зависимость пробивного напряжения в твердом диэлектрике от температуры и частоты (вопрос 30)

4. Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость (вопрос 3)

5. Диэлектрические свойства газообразных диэлектриков (вопрос 13)

6. Магнитомягкие материалы (вопрос 23)

7. Конструктивные особенности резисторов из композиционных материалов (вопрос 33)

8. Нагревостойкость твердых и жидких диэлектриков (вопрос 12)

9. Векторное изображение электрических величин (тока, напряжения, ЭДС). Примечание комплексных чисел для расчета электрических цепей. Представление синусоидальных э.д.с., напряжений и токов комплексными числами

Ответы на письма в редакцию

Заключение

Список реферативно использованной литературы

Введение

Конструкционные материалы являются основными видами электротехнических материалов с которыми придется встретиться на практике будущим инженерам-электрикам. Эти материалы служат в качестве изоляции токоведущих частей энергооборудования. Они включают в себя такие разнообразные типы электрической изоляции как: воздух в линиях электропередач и электроаппаратах; нефтяные и искусственные масла в трансформаторах, кабелях и конденсаторах; твердые диэлектрики в изоляторах воздушных линий (ВЛ), конденсаторах, установочных изделиях и корпусах аппаратов и т.п.

При этом физические условия, в которых должна находиться и функционировать изоляция, накладывают определенные требования на физико-химические параметры материала, ограничивая возможные вид, тип используемых электротехнических материалов.

Кроме того, при конструировании даже простейших изделий, предназначенных для работы в электрическом поле, необходимо четко представлять, какие процессы происходят в материале, как влияет тот, или иной материал на работу других частей устройства, в том числе за счет перераспределения электрического поля. Здесь необходимо учитывать разноплановые характеристики материала - механические характеристики: плотность и вес материала, прочность на сжатие, разрыв или изгиб; теплофизические характеристики: теплопроводность, теплоемкость, нагревостойкость, теплостойкость и горючесть; электрофизические характеристики: диэлектрическая проницаемость, электропроводность, электрическая прочность, трекингостойкость; физико-химические характеристики: химическая стойкость, влагопроницаемость и т.д.

Зачастую всем требованиям невозможно удовлетворить, поэтому необходимо ясное понимание всего комплекса процессов, происходящих при функционировании устройств, чтобы оценить значимость каждого из требований и понять, какие их них, в каждом конкретном случае, являются главными, а какие - второстепенными и ими можно пренебречь [17].

1. Основные механические характеристики диэлектриков (вопрос 10)

Общефизические характеристики, такие как плотность материала, геометрические размеры, пористость, вязкость, влагостойкость и др., нормируются для каждого вида материала и, следовательно, подлежат определению при его испытании. Кроме того, при определении других характеристик (механических, электрических) часто требуется знать вышеуказанные параметры с некоторой допускаемой погрешностью [7, 13].

Линейные размеры образцов и электродов, используемых при испытании диэлектриков, измеряют с помощью таких широко известных приборов, как масштабные линейки, штангенциркули, микрометры, толщиномеры. Выбор того или иного прибора определяется значением измеряемого размера, свойствами материала (например, его твердостью), конфигурацией, образца, требуемой точностью измерений.

Кроме традиционных приборов линейных измерений в практике научных исследований и в производстве электроизоляционных материалов нашли применение приборы с преобразователями, основанные на совершенно иных физических явлениях. К ним относятся ультразвуковые и радиоизотопные толщиномеры. Последние отличаются своей универсальностью; они годны для измерения толщины любых материалов или сочетаний основы и тонкого покрытия независимо от свойств и конфигурации изделия.

Основной физической характеристикой материала является его плотность; по ней можно судить о структуре, составе материала и о других его физико-химических свойствах; ее используют для определения некоторых относительных механических характеристик, таких как прочность, модуль упругости. Так как плотность зависит от температуры материала, то принято указывать значение ее с индексом температуры, например - плотность при температуре 20° С. В случае пористых материалов, а также материалов, в состав которых входит несколько компонентов, определяют среднюю (кажущуюся), а в случае сыпучих материалов - насыпную плотность. Последняя представляет собой отношение массы образца к его полному объему, включая объем пор. Относительная плотность есть безразмерная величина, равная отношению массы тела к массе равного объема эталонного (условного) вещества. Относительную плотность записывают с двумя индексами, один из которых указывает температуру испытуемого вещества, а другой - температуру воды.

Для пористых материалов определяют истинную плотность сплошного вещества как отношение массы образца к его объему.

Под влаго- и водостойкостью диэлектрика понимают способность его выдерживать воздействие атмосферы, близкой к состоянию насыщения водяным паром, и (или) воздействие водяной среды без недопустимого ухудшения его свойств. Контролируемыми параметрами при такого рода испытаниях материала являются: электрическая прочность Епр, удельное объемное сопротивление r , сопротивление изоляции Rиз и внутреннее сопротивление Ri. Наряду с электрическими характеристиками определяют также влаго- и водопоглощение и набухание.

Влагостойкость материалов по вышеуказанным показателям определяют, помещая образцы в термовлагокамеру, где поддерживаются требуемые режимы. Таковыми могут быть температура воздуха (23±2) или (40±2) °С, относительная влажность (93±2) или (95±2) %.

Для определения влагопоглощения wа образцы, подготовленные к испытанию и прошедшие нормализацию, быстро переносят в предварительно взвешенный, плотно закрывающийся сосуд и взвешивают, затем выдерживают положенное время в условиях высокой влажности и снова взвешивают. Погрешность определения массы не должна превышать 0,001 г.

Искомое значение влагопоглощения находят как среднее арифметическое измерений пяти образцов.

Водостойкость материалов по вышеуказанным показателям определяют после выдержки образцов в дистиллированной воде при температуре (23±0,5) °С. Время выдержки зависит от вида материала и указывается в соответствующем стандарте. Оно может быть от 1 до 56 суток.

Вязкость жидких и размягчающихся электроизоляционных материалов определяют при помощи специальных приборов - вискозиметров. Различают динамическую, кинематическую и условную вязкость вещества.

Динамическую вязкость измеряют в паскаль-секундах. Паскаль-секунда (Па·с) - это динамическая вязкость среды, при ламинарном течении которой в слоях, находящихся на расстоянии 1 м, в направлении, перпендикулярном течению, под действием давления сдвига 1 Па возникает разность скоростей течения 1 м/с. В практике испытаний применяется и другая единица вязкости - пуаз (П): 1 П=0,1 Па·с. Измерение динамической вязкости производится на основе закона Стокса или закона Пуазейля. Кинематическая вязкость v в квадратных метрах на секунду равна отношению динамической вязкости жидкости h, к ее плотности r. На практике кинематическую вязкость иногда измеряют в стоксах. Кинематическая вязкость v воды при 20°С приблизительно равна 1 сСт; при этой температуре динамическая вязкость воды примерно 1 сП (0,001 Па·с).

Условная вязкость (ВУ) - характеристика, получаемая при определенной методике испытания. Она связана с динамической и кинематической вязкостью эмпирическими соотношениями.

По своему устройству вискозиметры делятся на капиллярные, универсальные, ротационные и ультразвуковые.

Кинематическая вязкость испытуемого материала v вычисляется с точностью до четвертой значащей цифры.

Механические испытания имеют своей целью определить прочностные свойства материалов, т. е. их способность выдерживать воздействие внешних механических нагрузок без недопустимых изменений первоначальных размеров и формы. В некоторых случаях при механических испытаниях определяют разрушающую нагрузку и деформацию материала после его разрушения. По характеру приложения нагрузки механические испытания делятся на статические, когда нагрузка плавно возрастает с обусловленной скоростью, и динамические, когда нагрузка воздействует на материал внезапно, в виде рывка или удара, и быстро меняется по величине и (или) по направлению. При статических испытаниях определяют разрушающее напряжение при растяжении, сжатии или изгибе, предел текучести, относительное удлинение при разрыве и относительную деформацию при сжатии, модуль упругости (Юнга) и другие характеристики; при динамических испытаниях- ударную вязкость и стойкость к вибрации. Особое место занимают такие важные параметры материала, как его твердость, гибкость, пластичность.

При испытании на статическое разрушение под временным сопротивлением В s понимают напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке F, предшествовавшей разрушению образца. Относительное удлинение после разрыва d есть отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к первоначальной длине. Испытание на растяжение дает возможность оценить не только прочность материала, но и склонность к упругим и пластическим деформациям. Предел упругости - это напряжение, при котором остаточное удлинение составляет 0,05% первоначальной длины рабочей части образца. Предел текучести - напряжение, при котором происходит значительное увеличение деформации образца (до 0,2% его условной длины) без увеличения растягивающей нагрузки.

Относительное удлинение при максимальной нагрузке, разрыве или текучести вычисляется в процентах.

Ударную вязкость по Шарпи пластмасс, композитов, слоистых пластиков и других твердых материалов определяют при помощи маятниковых копров жесткой конструкции. Образец помещают на две опоры, как показано на рисунке 1.1. Тяжелый маятник l, имеющий боек в виде клина с углом при вершине 30° и радиусом закругления (2±0,5) мм, поднимают на оси 2 так, чтобы испытуемый образец находился в нижней части траектории маятника. Центр тяжести маятника совпадает с серединой бойка.

При освобождении фиксатора маятник падает, ломает образец и поднимается до некоторого положения. По разности первоначального и конечного запасов потенциальной энергии маятника находят энергию удара, затраченную на разрушение образца. Ударная вязкость есть отношение энергии удара к площади поперечного сечения образца.

Рисунок 1.1 - Схема маятникового копра Шарпи (а) и положение бойка относительно образца в момент удара (б): l - маятник; 2 - грань бойка; 3 - ось маятника; 4 - испытуемый образец

Твердость электроизоляционных материалов и изделий определяется различными методами в зависимости от свойств испытуемого объекта. большинстве случаев используется статический метод вдавливания индентора в поверхность образца при заданной нагрузке. О твердости судят по глубине вдавливания индентора. Иногда, наоборот, задают глубину вдавливания при постоянной скорости движения индентора, а измеряют нагрузку, приложенную к индентору. Применяются и другие варианты данного метода.

Твердость пластмасс (исключая стеклопластики с однонаправленным волокном) измеряют путем вдавливания полированного шарика из закаленной стали диаметром (5±0,5) мм. Образцы в форме круга или квадрата площадью 10x10 мм, толщиной не менее 4 мм помещают на стальную плиту, шарик плавно опускают на материал до соприкосновения с ним; через 5 с при помощи специального устройства начинают вдавливать его в поверхность, увеличивая нагрузку до максимального значения в течение (2-3) с. Затем нагрузку поддерживают постоянной в течение 30 с. Измеряют глубину вдавливания шарика h, мм, после снятия нагрузки. Опыт повторяют, несколько раз на трех и более образцах. Расстояние между отпечатками шарика, а также между отпечатком и краем образца должно быть не менее 5 мм. Значение максимальной нагрузки выбирают таким, чтобы глубина вдавливания шарика через 30 с находилась в интервале от 0,15 до 0,35 мм. Если этому значению удовлетворяют несколько значений нагрузки, то берут наименьшие из них. Haгрузка измеряется с погрешностью не более ±1%, глубина вдавливания - с погрешностью не более 0,001 мм. [2, С.202].

2. Сверхпроводники и возможности их применения в электротехнике (вопрос 20)

сверхпроводник диэлектрик частота температура

Сверхпроводимость - свойство многих проводников, состоящее в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже определённой критической температуры ТК, характерной для данного материала. Сверхпроводимость обнаружена у более чем 25 металлических элементов, у большого числа сплавов и интерметаллических соединений, а также у некоторых ПП и полимеров. Рекордно высоким значением ТК (около 23 К) обладает соединение Nb3Gе [2, С.66].

Основные явления. Скачкообразное исчезновение сопротивления ртути при понижении температуры впервые наблюдал голландский физик X. Камерлинг-Оннес (1911) (рисунок 2.1). Он пришёл к выводу, что ртуть при Т=4,15 К переходит в новое состояние, которое было названо сверхпроводящим. Несколько позднее Камерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление ртути восстанавливается при Т < ТК в достаточно сильном магнитном поле.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Падение сопротивления до нуля происходит на протяжении очень узкого интервала температур, ширина которого для чистых образцов составляет 10-3-10-4 К и возрастает при наличии примесей и других дефектов структуры[6, С.66].

Отсутствие сопротивления в сверхпроводящем состоянии с наибольшей убедительностью демонстрируется опытами, в которых в сверхпроводящем кольце возбуждается ток, практически не затухающий. В одном из вариантов опыта используются два кольца из сверхпроводящего металла. Большее из колец неподвижно закрепляется, а меньшее концентрически подвешивается на упругой нити таким образом, что когда нить не закручена, плоскости колец образуют между собой некоторый угол. Кольца охлаждаются в присутствии магнитного поля ниже температуры ТК, после чего поле выключается. При этом в кольцах возбуждаются токи, взаимодействие между которыми стремится уменьшить первоначальный угол между плоскостями колец. Нить закручивается, а наблюдаемое постоянство угла закручивания показывает, что токи в кольцах являются незатухающими. Опыты такого рода позволили установить, что сопротивление металла в сверхпроводящем состоянии меньше, чем 10-20 Ом·см (сопротивление чистых образцов Си или Ag составляет около 10-9 Ом•см при температуре жидкого гелия). Однако сверхпроводник не является просто идеальным проводником, и позднее установили, что слабое магнитное поле не проникает в глубь сверхпроводника независимо от того, было ли поле включено до или после перехода металла в сверхпроводящее состояние. В отличие от этого, идеальный проводник (т. е. проводник с исчезающе малым сопротивлением) должен захватывать пронизывающий его магнитный поток (рисунок 2.2, а, б, в) [6, С.67].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.3 - Схема образования электронных пар в сверхпроводящем металле

Выталкивание магнитного поля из сверхпроводящего образца (эффект Мейснера) означает, что в присутствии внешнего магнитного поля такой образец ведёт себя как идеальный диамагнетик той же формы с магнитной восприимчивостью з=1/4р. В частности, если образец имеет форму длинного сплошного цилиндра, а внешнее поле Н однородно и параллельно оси цилиндра, то магнитный момент, отнесённый к единице объёма, М = -Н/4р. Это примерно в 106 раз больше по абсолютной величине, чем для металла в нормальном состоянии. Эффект Мейснера связан с тем, что при Н < НК в поверхностном слое (толщиной 10-5-10-6 см) сверхпроводящего цилиндра появляется круговой незатухающий ток, сила которого как раз такова, что магнитное поле этого тока компенсирует внешнее поле в толще сверхпроводника.

Физическая природа сверхпроводимости. Явление сверхпроводимости можно понять и обосновать только с помощью квантовых представлений. Почти полвека с момента открытия сущность этого явления оставалась неразгаданной из-за того, что методы квантовой механики еще не в полной мере использовались в физике твердого тела. Микроскопическая теория сверхпроводимости, объясняющая все опытные данные, была предложена в 1957 г. американскими учеными Бардиным, Купером и Шриффером (теория БКШ). Значительный вклад в развитие теории сверхпроводимости внесли работы советского академика Н.Н. Боголюбова. Согласно установившимся представлениям, явление сверхпроводимости возникает в том случае, когда электроны в металле притягиваются друг к другу. Притяжение электронов возможно только в среде, содержащей положительно заряженные ионы, поле которых ослабляет силы кулоновского отталкивания между электронами. Притягиваться могут лишь те электроны, которые принимают участие в электропроводности, т.е. расположенные вблизи уровня Ферми. Если такое притяжение имеет место, то электроны с противоположным направлением импульса и спина связываются в пары, называемые куперовскими. В образовании куперовских пар решающую роль играют взаимодействие электронов с тепловыми колебаниями решетки - фононами. В твердом теле электроны могут как поглощать, так и порождать фононы. Мысленно представим себе следующий процесс: один из электронов, взаимодействуя с решеткой, переводит ее в возбужденное состояние и изменяет свой импульс; другой электрон, также взаимодействуя с решеткой, переводит ее в нормальное состояние и тоже изменяет свой импульс. В результате состояние решетки не изменяется, а электроны обмениваются квантами тепловой энергии - фононами. Обменное фононное взаимодействие и вызывает силы притяжения между электронами, которые превосходят силы кулоновского отталкивания. Обмен фононами при участии решетки происходит непрерывно. В упрощенном виде обменное фононное взаимодействие проиллюстрировано схемой (рисунок 2.3). Электрон, движущийся среди положительно заряженных ионов, поляризует решетку, т. е. электростатическими силами притягивает к себе ближайшие ионы. Благодаря такому смещению ионов в окрестности траектории электрона локально возрастает плотность положительного заряда. Второй электрон, движущийся вслед за первым, естественно, может притягиваться областью с избыточным положительным зарядом. В результате косвенным образом, за счет взаимодействия с решеткой, между электронами 1 и 2 возникают силы притяжения. Второй электрон становится партнером первого - образуется куперовская пара. Поскольку силы притяжения невелики, спаренные электроны слабо локализованы в пространстве. Эффективный диаметр куперовской пары имеет порядок 10-7 м, т. е. охватывает тысячи элементарных ячеек. Эти парные образования перекрывают друг друга, постоянно распадаются и вновь создаются, но в целом все пары образуют электронный конденсат, энергия которого за счет внутреннего взаимодействия меньше, чем у совокупности разобщенных нормальных электронов. Вследствие этого в энергетическом спектре сверхпроводника появляется энергетическая щель ДД - область запрещенных энергетических состояний (рисунок 2.4). Спаренные электроны располагаются на дне энергетической щели. Грубая оценка показывает, что количество таких электронов составляет около 10-4 от общего их числа [6, С.69].

Размер энергетической щели зависит от температуры, достигая максимального значения при абсолютном нуле и полностью исчезая при Т = Тсв. Теория БКШ дает следующую связь ширины щели с критической температурой перехода

(2.1)

Формула (2.1) достаточно хорошо подтверждается экспериментально. Для большинства сверхпроводников энергетическая щель составляет 10-4-10-3 эВ.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Как было показано, электрическое сопротивление металла обусловлено рассеянием электронов на тепловых колебаниях решетки и на примесях. Однако при наличии энергетической щели для перехода электронов из основного состояния в возбужденное требуется достаточная порция тепловой энергии, которую при низких температурах электроны не могут получить от решетки, поскольку энергия тепловых колебаний меньше ширины щели. Именно поэтому спаренные электроны не рассеиваются на дефектах структуры. Особенностью куперовских пар является их импульсная упорядоченность, состоящая в том, что все пары имеют одинаковый импульс и не могут изменять свои состояния независимо друг от друга. Электронные волны, описывающие движение пар, имеют одинаковые длину и фазу. Фактически движение всех электронных пар можно рассматривать как распространение одной электронной волны, которая не рассеивается решеткой, «обтекает» дефекты структуры. Такая согласованность в поведении пар обусловлена высокой мобильностью электронного конденсата: непрерывно меняются наборы пар, происходит постоянная смена партнеров.

При абсолютном нуле все электроны, расположенные вблизи уровня Ферми, связаны в пары. С повышением температуры за счет тепловой энергии происходит разрыв некоторой части электронных пар, вследствие чего уменьшается ширина щели. Движение неспаренных электронов, переходящих с основных уровней на возбужденные, затрудняется рассеянием на дефектах решетки. При температуре Т = Тсв происходит полный разрыв всех пар, ширина щели обращается в нуль, сверхпроводимость исчезает [2, С.70].

Переход вещества в сверхпроводящее состояние при его охлаждении происходит в очень узком интервале температур (сотые доли градуса). Неоднородности структуры, создаваемые примесями, искажениями решетки, границами зерен, не приводят к уничтожению сверхпроводимости, а вызывают лишь расширение температурного интервала перехода из одного состояния в другое (рисунок 2.5). Электроны, ответственные за создание сверхпроводимости, не обмениваются энергией с решеткой.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Поэтому при температуре ниже критической наблюдается существенное уменьшение теплопроводности металлов.

Магнитные свойства сверхпроводников. Важнейшая особенность сверхпроводников состоит в том, что внешнее магнитное поле совершенно не проникает в толщу образца, затухая в тончайшем слое.

Силовые линии магнитного поля огибают сверхпроводник. Это явление, получившее название эффекта Мейснера, обусловлено тем, что в поверхностном слое сверхпроводника при его внесении в магнитное поле возникает круговой незатухающий ток, который полностью компенсирует внешнее поле в толще образца. Глубина, на которую проникает магнитное поле, обычно составляет 10-7-10-8 м. Таким образом, сверхпроводники по магнитным свойствам являются идеальными диамагнетиками с магнитной проницаемостью м = 0. Как всякие диамагнетики, сверхпроводники выталкиваются из магнитного поля. При этом эффект выталкивания выражен столь сильно, что открываются возможности удерживать груз в пространстве с помощью магнитного поля. Аналогичным образом можно заставить висеть постоянный магнит над кольцом из сверхпроводящего материала, в котором циркулируют индуцированные магнитом незатухающие токи (опыт В. К. Аркадьева).

Состояние сверхпроводимости может быть разрушено, если напряженность магнитного поля превысит некоторое критическое значение НСВ. По характеру перехода материала из сверхпроводящего состояния в состояние обычной электропроводности под действием магнитного поля различают сверхпроводники I и II рода. У сверхпроводников I рода этот переход происходит скачкообразно, как только напряженность поля достигнет критического значения. Сверхпроводники II рода переходят из одного состояния в другое постепенно; для них различают нижнюю НСВ1 и верхнюю НСВ2 критические напряженности поля. В интервале между ними материал находится в промежуточном гетерогенном состоянии, в котором сосуществуют нормальная и сверхпроводящая фазы. Соотношение между их объемами зависит от Н. Таким образом, магнитное поле постепенно проникает в сверхпроводник II рода (рисунок 2.7). Однако материал сохраняет нулевое сопротивление вплоть до верхней критической напряженности поля.

Критическая напряженность магнитного поля зависит от температуры. При Т=ТСВ она обращается в нуль, но монотонно возрастает при стремлении температуры к ОК. Для сверхпроводников I рода температурная зависимость НСВ в хорошем приближении описывается выражением

(2.2)

где НСВ(0) - напряженность критического поля при температуре абсолютного нуля. Иллюстрацией зависимости (2.2.) служат кривые на рисунке 2.7, а. Различия в свойствах сверхпроводников I и II рода подчеркивают фазовые диаграммы, показанные на рисунке 2.7, б, в. Область промежуточного (смешанного) состояния, существующая у сверхпроводников II рода, расширяется при понижении температуры. Различие между НСВ1 и НСВ2 может быть в сотни раз. Критическая напряженность магнитного поля для сверхпроводников I рода составляет приблизительно 105 А/м, а у сверхпроводников II рода значение верхней критической напряженности может превышать 107 А/м. Сверхпроводимость может быть разрушена не только внешним магнитным полем, но и током, проходящим по сверхпроводнику, если он превышает некоторое критическое значение IСВ. Для сверхпроводников I рода предельная плотность тока ограничивается достижением на поверхности образца критической напряженности магнитного поля. В случае длинной прямолинейной проволоки круглого сечения радиуса r предельный ток определяется формулой

(2.3)

Поскольку в сверхпроводящих элементах ток проходит в тонком поверхностном слое, средняя плотность тока, отнесенная ко всему поперечному сечению, уменьшается с увеличением диаметра провода. Для сверхпроводников II рода соотношение (2.3) не выполняется и связь между IСВ и IIСВ носит более сложный характер.

Сверхпроводящие материалы. Явление сверхпроводимости при криогенных температурах достаточно широко распространено в природе. Сверхпроводимостью обладают 26 металлов. Большинство из них являются сверхпроводниками I рода с критическими температурами перехода ниже 4,2 К. В этом заключается одна из причин того, что большинство сверхпроводящих металлов для электротехнических целей применить не удается. Еще 13 элементов проявляют сверхпроводящие свойства при высоких давлениях. Среди них такие полупроводники, как кремний, германий, селен, теллур, сурьма и др. Следует заметить, что сверхпроводимостью не обладают металлы, являющиеся наилучшими проводниками в нормальных условиях. К ним относятся золото Au, медь Cu, серебро Ag. Малое сопротивление этих материалов указывает на слабое взаимодействие электронов с решеткой. Такое слабое взаимодействие не создает вблизи абсолютного нуля достаточного межэлектронного притяжения, способного преодолеть кулоновское отталкивание. Поэтому и не происходит их переход в сверхпроводящее состояние.

Кроме чистых металлов сверхпроводимостью обладают многие интерметаллические соединения и сплавы. Общее количество наименований известных в настоящее время сверхпроводников составляет около 2000. Среди них самыми высокими критическими параметрами обладают сплавы и соединения ниобия Nb (таблица 2.1 и таблица 2.2). Некоторые из них позволяют использовать для достижения сверхпроводящего состояния вместо жидкого гелия более дешевый хладагент - жидкий водород [6, С.72].

Несмотря на то, что принципиальные причины возникновения сверхпроводимости твёрдо установлены, современная теория не даёт возможности рассчитать значения Тк или Нк для известных сверхпроводников или предсказать их для нового сверхпроводящего сплава. Однако ряд эмпирических закономерностей - правил Маттиаса (1955) - позволяет определить направление поисков сплавов с высокими Тк и Нк.

Таблица 2.1 Отличительные особенности сверхпроводников

Материал	ТСВ, К	м0НСВ1(0), Тл	м0НСВ2(0), Тл	JДОU(0), А/м2	Отличительные особенности
V3Ga	14,8	0,6	21	1,6·109	Удовлетворительные механические свойства
V3Si	17,0	0,62	23,4	2·109	То же
Nb3Sn	18,3	0,54	24,5	2,4·109	Высокая плотность тока, технологичность
Nb3Ga	20,3	-	34,0	-	Высокая температура перехода, технологичность
Nb3Gе	21-24,3	-	37,0	109	Наиболее высокая температура перехода

Таблица 2.2 Значения критических параметров сверхпроводников

Вещество	Критическая температура ТК, К	Критическое поле Н0,Э
	Сверхпроводники 1-го рода
Свинец	7,2	800
Тантал	4,5	830
Олово	3,7	310
Алюминий	1,2	100
Цинк	0,88	53
Вольфрам	0,01	1.0
Ниобий	9,25	4000
Сплав НТ-50
(Ni-Ti-Zr)	9,7	100000
Сплав Ni-Ti	9,8	100000
V3Ga	14,5	350000
Nb3Sn	18,0	250000
	Сверхпроводники 2-го рода
PbMo4S8	~	600000
Nb3Ge	23	±
GeTe*	0,17	-
SrTiO3	0,2-0,4	130

Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам II рода. Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является абсолютным. Любой сверхпроводник I рода можно превратить в сверхпроводник II рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки. Например, у чистого олова Тсв=3,7 К, но если вызвать в олове резко неоднородную механическую деформацию, то критическая температура возрастет до 9 К, а критическая напряженность магнитного поля увеличится в 70 раз.

Сверхпроводимость никогда не наблюдается в системах, в которых существует ферро- или антиферромагнетизм. Образованию сверхпроводящего состояния в полупроводниках препятствует малая концентрация свободных электронов. Однако в материалах с большой диэлектрической проницаемостью силы кулоновскою отталкивания между электронами в значительной мере ослаблены. Поэтому некоторые из них также проявляют свойства сверхпроводников при низких температурах. Примером может служить титанат стронция (SrTiO3), относящийся к группе сегнетоэлектриков. Ряд полупроводников удается перевести в сверхпроводящее состояние добавкой большой концентрации легирующих примесей (GeTe, SnTe, CuS и др.).

В настоящее время промышленность выпускает широкий ассортимент сверхпроводящих проволок и лент для самых различных целей. Изготовление таких проводников связано с большими технологическими трудностями. Они обусловлены плохими механическими свойствами многих сверхпроводников, их низкой теплопроводностью и сложной структурой проводов. Особенно большой хрупкостью отличаются интерметаллические соединения с высокими критическими параметрами. Поэтому вместо простых проволок и лент приходится создавать композиции из двух (обычно сверхпроводник с медью) и даже нескольких металлов. Для получения многожильных проводов из хрупких интерметаллов особенно перспективен бронзовый метод (или метод твердофазной диффузии), освоенный промышленностью. По этому методу прессованием и волочением создается композиция из тонких нитей ниобия в матрице из оловянной бронзы. При нагреве олово Sn из бронзы диффундирует в ниобий Nb, образуя на его поверхности тонкую сверхпроводящую пленку станнида ниобия Nb3Sn. Такой жгут может изгибаться, но пленки остаются целыми [6, С.74]. Применение сверхпроводников в различных областях науки техники. Сверхпроводящие элементы и устройства находят все более широкое применение в самых различных областях науки и техники. Разработаны крупномасштабные долгосрочные программы промышленного использования сильноточной сверхпроводимости.

Одно из главных применений сверхпроводников связано с получением сверхсильных магнитных полей. Сверхпроводящие соленоиды позволяют получать однородные магнитные поля напряженностью свыше 107 А/м в достаточно большой области пространства, в то время как пределом обычных электромагнитов с железными сердечниками являются напряженности порядка 106 А/м. К тому же в сверхпроводящих магнитных системах циркулирует незатухающий ток, поэтому не требуется внешний источник питания. Сильные магнитные поля необходимы при проведении научных исследований. Сверхпроводящие соленоиды позволяют в значительной мере уменьшить габариты и потребление энергии в синхрофазотронах и других ускорителях элементарных частиц. Перспективно использование сверхпроводящих магнитных систем для удержания плазмы в реакторах управляемого термоядерного синтеза, в магнитогидродинамических (МГД) преобразователях тепловой энергии в электрическую, в качестве индуктивных накопителей энергии для покрытия пиковых мощностей в масштабах крупных энергосистем. Широкое развитие получают разработки электрических машин со сверхпроводящими обмотками возбуждения. Применение сверхпроводников позволяет исключить из машин сердечники из электротехнической стали, благодаря чему уменьшаются в 5 - 7 раз их масса и габариты при сохранении мощности. Экономически обосновано создание сверхпроводящих трансформаторов, рассчитанных на высокий уровень мощности (десятки-сотни мегаватт). Значительное внимание в разных странах уделяют разработке сверхпроводящих линий электропередач на постоянном и переменном токах. Разработаны опытные образцы импульсных сверхпроводящих катушек для питания плазменных пушек и систем накачки твердотельных лазеров. В радиотехнике начинают использовать сверхпроводящие объемные резонаторы, обладающие, благодаря ничтожно малому электрическому сопротивлению, очень высокой добротностью [6, С.75].

3. Зависимость пробивного напряжения в твердом диэлектрике от температуры и частоты (вопрос 30)

Исследования пробоя твердых диэлектриков по своему объему значительно превышают исследования всех других видов диэлектриков, что обусловлено более широким применением твердых диэлектриков. Это, в свою очередь, обусловлено их высокими электрическими характеристиками в сочетании с удовлетворительными механическими и теплофизическими характеристиками. Механизм пробоя значительно отличается для разных диэлектриков и даже для одного и того же диэлектрика при разных условиях [16].

Закономерности пробоя твердых диэлектриков:

Температурная зависимость. Эта зависимость зачастую имеет достаточно сложный вид. Например в некоторых случаях электрическая прочность с ростом температуры сначала увеличивается затем уменьшается, в других случаях монотонно возрастает или убывает. Последний случай обычно хорошо описывается моделью теплового пробоя.

Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой поля, условиями охлаждения диэлектрика, температурой окружающей среды; оно зависит также от нагревостойкости материала. С повышением температуры электрическая прочность уменьшается.

Для однородных плоских диэлектриков, обладающих потерями, существует приближенный метод расчета пробивного напряжения.

Для расчета U пр полагаем, что пробой происходит при повышенных температурах и в диэлектрике преобладают потери от сквозной электропроводности. Таким образом, учитывая экспоненциальную зависимость тангенса потерь (tg д) от температуры и используя выражение Ра = U щ С-tgд, после преобразований получим

Pа = U2 f е S tgд eб(t - t0) / (1,8 1010 h) (3.1)

где U - приложенное напряжение; f - частота; е. - диэлектрическая проницаемость материала; S - площадь электрода; tg д - тангенс угла потерь диэлектрика при t 0 - температуре окружающей среды; б- температурный коэффициент тангенса угла потерь; t - температура нагретого за счет диэлектрических потерь материала; t 0 - температура электродов, приблизительно равная температуре окружающей среды; h - толщина диэлектрика.

Теплопроводность материала электродов обычно на два - три порядка больше, чем теплопроводность диэлектрика, поэтому полагаем, что теплота из нагревающегося объема диэлектрика передается в окружающую среду через электроды. Мощность, отводимая от диэлектрика, выражается формулой Ньютона

Ра = 2 у S (t - t0 ) (3.2)

где у - коэффициент теплопередачи системы диэлектрик - металл электродов.

Для наглядности дальнейших рассуждений воспользуемся графическим построением, показанным на рисунок 3.1, где в выбранной системе координат изображены экспоненты тепловыделения при различных значениях приложенного напряжения и прямая теплопередачи [16].

Рисунок 3.1 - Пробивное напряжение при тепловом факторе

На рисунке 3.1 изображены: прямая теплопередачи Рт = F(t); экспоненты тепловыделения для трех различных значений приложенного напряжения. При значении напряжения U 1, прямая теплопередачи является секущей кривой тепловыделения, и, следовательно, диэлектрик нагреется до температуры t1 температуры состояния устойчивого равновесия. Напряжение U1 будет неопасным для образца, если нагрев до этой температуры не приведет к механическому и ш химическому разрушению структуры материала образца. Поэтому увеличим напряжение до значения U 1, при котором кривая тепловыделения станет касательной к прямой теплопередачи, что приведет к состоянию неустойчивого теплового равновесия при температуре t. При значении напряжения U 2 кривая тепловыделения пройдет выше прямой теплопередачи, а это означает отсутствие теплового равновесия, т.е. температура будет возрастать до разрушения диэлектрика - до теплового пробоя.

Таким образом, напряжение U , при котором имеет место неустойчивый режим - граничный режим, можно принять за напряжение пробоя U пр.

Его значение можно определить по двум условиям

Ра = Рt, (3.3)

dPa / dt = dP t / dt (3.4)

Решая эти два уравнения относительно Ui с учетом выше обозначенных значений для Ра и Рt, получаем

U2 f е tgд S eб(t - t0) / (1,8 1010 h) = 2 у S (t - t0) (3.5)

U2 f е tgд S eб(t - t0) / (1,8 1010 h) = 2 у S (3.6)

Разделив эти два выражения, получим 1 / б = t - t 0, тогда, подставив его в последнее выражение и решив его относительно U, получим

U2пр = 1,8 1010 2 у h / (f е tgд б) (3.7)

или

Uпр = К ( у h / (f е tgд б)1/2, (3.8)

где К - числовой коэффициент, равный 1,15 10 5, если все величины выражены в единицах системы СИ.

Отсюда следует, что пробивное напряжение будет выше ( изменяется по закону экспоненты), если диэлектрик будет толще, условия теплоотвода лучше (у больше), частота ниже, а е и tgд меньше. При больших е, tgд и при высоких частотах, а также при большом температурном коэффициенте тангенса угла потерь пробивное напряжение будет ниже.

Этот расчет, пригодный только для одномерного потока теплоты, называется графоаналитическим и является приближенным, В нем не учтены перепад температуры по толщине диэлектрика (искажение электрического поля и повышение градиента напряжения в поверхностных слоях), а также теплопроводность материала электродов. Поэтому тепловой пробой часто наступает при напряжении ниже расчетного. Более точные методы расчета разработаны академиками Н.Н. Семеновым и ВА. Фоком только для изделий простейшей конфигурации [16].

4. Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость (вопрос 3)

Существо поляризации большинства диэлектриков состоит в возникновении электрического (дипольного) момента в объёме диэлектрика вследствие перемещения связанных электрических зарядов (зарядов, связанных в атомах, молекулах, кристаллической решетке) под действием внешнего электрического поля [2, С.169].

Объясним этот механизм поляризации на примере поляризации атома. Перед приложением внешнего электрического поля положительные и отрицательные заряды в атоме распределены так, что внешне атом проявляет себя как электрически нейтральный. Центры тяжести положительных и отрицательных зарядов при этом совпадают.

При воздействии внешнего электрического поля симметрия в распределении зарядов нарушается, возникает индуцированный электрический момент. Центр тяжести положительных зарядов при этом смещается в направлении напряженности внешнего поля, а центр тяжести отрицательных зарядов в противоположном направлении. Такой механизм поляризации называется электронной поляризацией. Смещение центра тяжести отрицательных зарядов пропорционально напряженности внешнего поля.

Проследим, как этот механизм проявляется на временной зависимости электрического тока поляризации в течение одного периода (рисунок 4.1). В первой четверти периода напряженность внешнего поля непрерывно возрастает и в момент t = T/4 достигает максимума. Тотчас после приложения поля центр тяжести отрицательных зарядов отклонится и через диэлектрик потечет относительно большой ток. При дальнейшем возрастании напряженности поля смещение центра тяжести хотя и увеличивается, но все медленнее, так как поле должно преодолевать все большие упругие силы. Поэтому ток постепенно уменьшается. При t = T/4 ток становится равным нулю и смещение электронов против направления напряженности внешнего поля заканчивается. С этого момента направление движения электронов изменится, так как упругие силы связи стремятся возвратить их в исходное положение. Поэтому при уменьшении напряженности внешнего поля ток течет в обратном направлении и постепенно увеличивается. При t = T/2 центры тяжести зарядов находятся в исходном положении. Во втором полупериоде процесс повторяется с той разницей, что заряды смещаются в направлении, обратном направлению их смещения в первом полупериоде. Этот процесс периодически повторяется.

Рисунок 4.1 - Изменение во времени электрического тока поляризации диэлектрика с электронной поляризацией

Время, в течение которого заряды в атомах способны реагировать на внешнее поле, очень мало и имеет порядок 10 -15 с, то есть реакция почти мгновенна, поэтому вектор тока опережает вектор напряжения на90°.

При других типах поляризации это время больше, так как механизм поляризации является иным. Часто речь идет о смещении более тяжелых частиц, встречающих сопротивление среды. В таких случаях опережение вектора тока по отношению к вектору напряжения меньше 90°.

Каким бы ни был физический механизм при различных типах поляризации, внешне поляризация проявляется всегда одинаково, т. е. как нарушение симметрии распределения электрических зарядов в диэлектрике. Заряды противоположных знаков, смещенные внешним полем со своих равновесных положений, образуют электрические диполи, поле которых действует навстречу причине их возникновения и способно скомпенсировать часть внешнего электрического поля. Поле диполей связывает часть зарядов на электродах. В общем случае электрическая поляризация представляет собой комплекс явлений, связанных с различными механизмами поляризации и происходящих на микроскопическом уровне.

Основным механизмом поляризации можно считать упругое смещение частиц в диэлектрике. Поляризация такого типа называется упругой. При упругом смещении электронов в атомах говорят об упругой электронной поляризации. При взаимно упругом смещении противоположно заряженных ионов в кристаллической решетке ионных кристаллов говорят об упругой ионной поляризации. В случае упругого смещения противоположно заряженных частиц в молекуле с постоянным дипольным моментом, говорят об упругой дипольной поляризации. Общим признаком таких механизмов поляризации является то, что поляризация происходит очень быстро и без потерь.

Может случиться, что индуцированный электрический момент возникает в результате смещения слабосвязанных частиц (электронов или ионов), которые не связаны упругими силами, или в результате ориентации постоянныхдиполей в направлении внешнего поля. Реакция этих частиц на изменения внешнего поля уже не такая быстрая, как в случае поляризации упругого типа. После исчезновения внешнего поля частицы возвращаются в исходное положение не мгновенно, а через определенное время, и не под действием упругих сил связи, а в результате хаотического теплового движения. Такие механизмы поляризации называются релаксационными и характерны тем, что сопровождаются потерями электрической энергии и сильно зависят от интенсивности теплового движения, т. е. от температуры.

К этим основным механизмам поляризации в некоторых специальных случаях добавляются особые типы поляризации миграционная и спонтанная.

Миграционная поляризация заключается в возникновении индуцированного дипольного момента вследствие смещения свободных зарядов, которые не имеют возможности нейтрализации на электродах.

Такие заряды концентрируются под действием внешнего поля на блокирующих барьерах различного характера и образуют пространственные заряды, поле которых внешне проявляет себя как поляризация особого вида. Это типично для неоднородных диэлектриков.

Спонтанная поляризация заключается в ориентации спонтанно (самопроизвольно) образовавшихся электрических моментов в направлении внешнего электрического поля. Это типично для сегнетоэлектриков. Оба особых типа поляризации имеют нелинейный характер.

О релаксационном характере поляризации можно говорить в узком и широком смысле.

В узком смысле релаксационной поляризацией считается такая поляризация, при которой зависимость поляризованности от времени после приложения или снятия внешнего постоянного поля имеет экспоненциальный характер. После приложения поля поляризованность растет во времени. После снятия внешнего поля релаксационная поляризованность уменьшается.

Важным параметром процесса релаксационной поляризации является

постоянная времени Т. Она равна времени, за которое релаксационная поляризованность после снятия электрическго поля уменьшается до 1/е, то есть приблизительно до 37% первоначального уровня. Неполярными считаются такие диэлектрики, частицы которых не имеют постоянного дипольного момента и у которых могут возникать только индуцированные дипольные моменты под действием внешнего электрического поля. Решающая роль в том, является ли молекула материала полярной или неполярной, принадлежит характеру химических связей и ориентации диполей. Если эти связи без дипольного момента, то есть чисто ковалентные, или если эти связи переходного типа с дипольными моментами, которые ориентированы так, что взаимно компенсируются; центры тяжести положительных и отрицательных зарядов в молекулах материала совпадают и материал является неполярным. На практике к неполярным материалам относят и такие полярные материалы, у которых полярность очень слабо выражена, то есть молекулы имеют лишь малый постоянный дипольный момент.

К неполярным электроизоляционным материалам относятся полиэтилен, политетрафторэтилен, полистирол, парафин и др. Слабо полярным является нефтяное (минеральное) масло.

Полярными считаются такие материалы, молекулы которых и без воздействия внешнего электрического поля имеют электрический момент (собственный, или постоянный, дипольный момент). Это молекулы, в которых отдельные атомы связаны полярными связями со взаимно не скомпенсированными дипольными моментами связей.

К полярным материалам относятся целлюлоза, поливинилхлорид, хлорированные дифенилы и др.

Поляризованность диэлектрика равна индуцированному диполь-моменту единицы объема диэлектрика, т. е является суммой элементарных дипольных моментов в единице объёма Способность диэлектрика к поляризации можно охарактеризовать тремя величинами - поляризуемостью, диэлектрической восприимчивостью и относительной диэлектрической проницаемостью. В технике чаще всего используется относительная диэлектрическая проницаемость.

Поляризуемость связана с поляризованностью диэлектрика

Р = NaE (4.1)

где Р - поляризованность; N - концентрация индуцированных диполей;

a - поляризуемость; Е - напряженность постоянного электрического поля.

Поляризация сводится к изменению пространственного положения заряженных материальных частиц диэлектрика, причем диэлектрик приобретает наведенный электрический момент, и в нем образуется электрический заряд. Если мы рассматриваем некоторый участок изоляции с электродами, к которым подается напряжение U, то заряд этого участка Q определяется выражением [14]

Q=CU (4.2)

Энергия электрического поля на том же участке изоляции

A=1/2 CU . (4.3)

В формулах (4.2) и (4.3) величина С есть ёмкость данного участка изоляции. Если в этих формулах напряжение U дается в вольтах, заряд Q в кулонах и энергия А в джоулях, то С должно выражаться также в единицах практической системы - фарадах (Ф).