Электротехническое и конструкционное материаловедение

1. КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ И КОНСТРУКЦИОННОЕ 2. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» 1.1. Проводниковые материалы Лекция 1.1.1. Электропроводность металлов Классическая электронная теория металлов представляет твердый проводник в виде системы, состоящей из узлов кристаллической ионной решетки, внутри которой находится электронный газ из коллективизированных (свободных) электронов. В свободное состояние от каждого атома металла переходит от одного до двух электронов. К электронному газу применялись представления и законы статистики обычных газов. При изучении хаотического (теплового) и направленного под действием силы электрического поля движения электронов был выведен закон Ома. При столкновениях электронов с узлами кристаллической решетки энергия, накопленная при ускорении электронов в электрическом поле, передается металлической основе проводчика, вследствие чего он нагревается. Рассмотрение этого вопроса привело к выводу закона Джоуля — Ленца. Таким образом, электронная теория металлов дала возможность аналитически описать и объяснить найденные ранее экспериментальным путем основные законы электропроводности и потерь электрической энергии в металлах. Оказалось возможным также объяснить и связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов. Кроме того, некоторые опыты подтвердили гипотезу об электронном газе в металлах, а именно: 1. При длительном пропускании электрического тока через цепь, состоящую из одних металлических проводников, не наблюдается проникновения атомов одного металла в другой. 2. При нагреве металлов до высоких температур скорость теплового движения свободных электронов увеличивается, и наиболее быстрые из них могут вылетать из металла, преодолевая силы поверхностного потенциального барьера. 3. В момент неожиданной остановки быстро двигавшегося проводника происходит смещение электронного газа по закону инерции в направлении движения. Смещение электронов приводит к появлению разности потенциалов на концах заторможенного проводника, и стрелка подключаемого к ним измерительного прибора отклоняется по шкале. 4. Исследуя поведение металлических проводников в магнитном поле, установили, что вследствие искривления траектории электронов в металлической пластинке, помещенной в поперечное магнитное поле, появляется поперечная ЭДС и изменяется электрическое сопротивление проводника. Классификация и основные свойства проводниковых материалов К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов, относятся: 1. удельная проводимость  или обратная ей величина удельное сопротивление ; 2. температурный коэффициент удельного сопротивления ТК или ; 3. коэффициент теплопроводности т; 4. контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила (термо – ЭДС); 5. работа выхода электронов из металла; 6. предел прочности при растяжении р и относительное удлинение перед разрывом l/l. Удельная проводимость и удельное сопротивление проводников. Связь плотности тока J (в амперах на квадратный метр) и напряженности электрического поля (в вольтах на метр) в проводнике дается известной формулой: J=E. (1) (дифференциальная форма закона Ома); здесь  (в сименсах на метр) параметр проводникового материала, называемый его удельной проводимостью: в соответствии с законом Ома у металлических проводников не зависит от напряженности электрического поля Е при изменении последней в весьма широких пределах. Величина  = 1/, обратная удельной проводимости и называемая удельным сопротивлением, для имеющего сопротивление R проводника длиной l с постоянным поперечным сечением S вычисляется по формуле 2: = RS/l (2) Удельное сопротивление измеряется в Ом – метрах. Для измерения  проводниковых материалов разрешается пользоваться внесистемной единицей Оммм2/м; очевидно, что проволока из материала длиной 1 м с поперечным сечением 1 мм2 имеет сопротивление в Омах, численно равно  материала в Оммм2/м. Диапазон значений удельного сопротивления  металлических проводников (при нормальной температуре) довольно узок: от 0,016 для серебра и до примерно 10 мкОмм для железохромоалюминиевых сплавов, т.е. он занимает всего три порядка. Удельная проводимость металлических проводников согласно классической теории металлов может быть выражена следующим образом: =(e2n0)/(2mvT) (3) где е — заряд электрона; n0 — число свободных электронов в единице объема металла;  — средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами решетки; т — масса электрона; vT — средняя скорость теплового движения свободного электрона в металле. Преобразование выражения (3) на основе положений квантовой механики приводит к формуле (4): =K02/3(4) где K — численный коэффициент; остальные обозначения — прежние. Для различных металлов скорости хаотического теплового движения электронов vT (при определенной температуре) примерно одинаковы. Незначительно различаются также и концентрации свободных электронов п0 (например, для меди и никеля это различие меньше 10%). Поэтому значение удельной проводимости у (или удельного сопротивления ) в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в данном проводнике , которая, в свою очередь, определяется структурой проводникового материала. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; примеси, искажая решетку, приводят к увеличению . К такому же выводу можно прийти, исходя из волновой природы электронов. Рассеяние электронных волн происходит на дефектах кристаллической решетки, которые соизмеримы с расстоянием около четверти длины электронной волны. Нарушения меньших размеров не вызывают заметного рассеяния волн. В металлическом проводнике, где длина волны электрона около 0,5 нм, микродефекты создают значительное рассеяние, уменьшающее подвижность электронов, и, следовательно, приводит к росту  материала. Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов. Число носителей заряда (концентрация свободных электронов) в металлическом проводнике при повышении температуры практически остается неизменным. Однако вследствие усиления колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути направленного движения свободных электронов под действием электрического поля, т.е. уменьшается средняя длина свободного пробега электрона . уменьшается подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов и возрастает удельное сопротивление (рис.1). Иными словами, температурный коэффициент удельного сопротивления металлов, (кельвин в минус первой степени) положителен. Рисунок 1 - Зависимость удельного сопротивления  меди от температуры TK==(1/) (d/dT) (5) Согласно выводам электронной теории металлов значения ., чистых металлов в твердом состоянии должны быть близки к температурному коэффициенту расширения идеальных газов, т.е. 1/2730,0037 К-1. При изменении температуры в узких диапазонах на практике допустима кусочно-линейная аппроксимация зависимости  (Т); в этом случае принимают, что 2=1[1+(T2 –T1)] (6) где 1, и 2 — удельные сопротивления проводникового материала при температурах Т1, и T2, соответственно (при этом T2 > Т1);  — так называемый средний температурный коэффициент удельного сопротивления данного материала в диапазоне температур от Т1, до Т2. Изменение удельного сопротивления металлов при плавлении. При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления , как это видно, например, для меди, из рис. 1; однако у некоторых металлов  при плавлении уменьшается. Удельное сопротивление увеличивается при плавлении у тех металлов, у которых при плавлении увеличивается объем, т.е. уменьшается плотность; и, наоборот, у металлов, уменьшающих свой объем при плавлении, — галлия, висмута, сурьмы  уменьшается. Удельное сопротивление сплавов. Как уже указывалось, примеси, и нарушения правильной структуры металлов увеличивают их удельное сопротивление. Значительное возрастание  наблюдается при сплавлении двух металлов в том случае, если они образуют друг с другом твердый раствор, т. е. при (утверждении совместно кристаллизуются, и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого. Теплопроводность металлов. За передачу теплоты через металл в основном ответственны те же свободные электроны, которые определяют и электропроводность металлов и число которых в единице объема металла весьма велико. Поэтому, как правило, коэффициент теплопроводности T металлов намного больше, чем коэффициент теплопроводности диэлектриков. Очевидно, что при прочих равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость у металла, тем больше должен быть и его коэффициент теплопроводности. Легко также видеть, что при повышении температуры, когда подвижность электронов в металле и соответственно его удельная проводимость  уменьшаются, отношение коэффициента теплопроводности металла к его удельной проводимости T/ должно возрастать. Математически это выражается законом Видемана — Франца — Лоренца: T/ LoT (7) где Т —термодинамическая температура, К; Lo —число Лоренца, равное Lo=(2k2)/(3e2) (8) Подставляя в формулу (8) значения постоянной Больцмана k=1,381023 Дж/К и заряда электрона е = 1,610-19 Кл, получаем Lo = 2,4510-8 B2K2. Термоэлектродвижущая сила. При соприкосновении двух различных металлических проводников между ними возникает контактная разность потенциалов. Причина появления этой разности потенциалов заключается в различии значений работы выхода электронов из различных металлов, а также в том, что концентрация электронов, а, следовательно, и давление электронного газа у разных металлов и сплавов могут быть неодинаковыми. Из электронной теории металлов следует, что контактная разность потенциалов между металлами А и В равна UAB=UB-UA+ (kT/e) ln (n0A/n0B) (9) где UA и UB - потенциалы соприкасающихся металлов; n0A и n0B — концентрации электронов в металлах А и В; k — постоянная Больцмана; e —абсолютная величина заряда электрона. Если температуры «спаев» одинаковы, то сумма разности потенциалов в замкнутой цепи равна нулю. Иначе обстоит дело, когда один из спаев имеет температуру T1, а другой — температуру Т2 (рис. 2). Рисунок 2 - Схема термопары В этом случае между спаями возникает термо – ЭДС, равная U=(k/e)(T1- T2) ln (n0A/n0B) (10) Что можно записать в виде U=(T1– T2) (11) где  — постоянный для данной пары проводников коэффициент термо-ЭДС, т.е. термо-ЭДС должна быть пропорциональна разности температур спаев. Температурный коэффициент линейного расширения проводников. Этот коэффициент, интересен не только при рассмотрении работы различных сопряженных материалов в той или иной конструкции (возможность растрескивания или нарушения вакуум-плотного соединения со стеклами, керамикой при изменении температуры и т.п.). Он необходим также и для расчета температурного коэффициента электрического сопротивления провода TKR= =  - l (12) Лекция 1.1.2. Металлы и сплавы высокой проводимости, их основные характеристики. Медь. Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие: 1. малое удельное сопротивление (из всех материалов только серебро имеет несколько меньшее удельное сопротивление, чем медь); 2. достаточно высокая механическая прочность; 3. удовлетворительная в большинстве случаев стойкость по отношению к коррозии (медь окисляется на воздухе даже в условиях высокой влажности значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах); 4. хорошая обрабатываемость (медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра); 5. относительная легкость пайки и сварки. Медь получают чаще всего путем переработки сульфидных руд. После нескольких плавок руды и обжигов с интенсивным дутьем медь, предназначенная для электротехники, обязательно проходит процесс электролитической очистки. Полученные после электролиза катодные пластины меди переплавляют в болванки массой 80-90 кг, которые прокатывают и протягивают в изделия требующегося поперечного сечения. При изготовлении проволоки болванки сперва подвергают горячей прокатке в так называемую катанку диаметром 6,5-7,2 мм; затем катанку протравливают в слабом растворе серной кислоты, чтобы удалить с ее поверхности оксид меди СuО, образующийся при нагреве, а затем уже протягивают без подогрева в проволоку нужных диаметров — до 0,03-0,02 мм. Стандартная медь, в процентах по отношени к удельной проводимости которой иногда выражают удельные проводимости металлов и сплавов, в отожженном состоянии при 20°С имеет удельную проводимость 58 МСм/м, т.е.  = 0,017241 мкОмм. Твердую медь употребляют там, где надо обеспечить особо высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию (для контактных проводов, для шин распределительных устройств, для коллекторных пластин электрических машин и пр.). Мягкую медь в виде проволок круглого и прямоугольного сечения применяют главным образом в качестве токопроводящих жил кабелей и обмоточных проводов, где важна гибкость и пластичность (не должна пружинить при изгибе), а не прочность. Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом. Поэтому она должна расходоваться весьма экономно. Отходы меди на электротехнических предприятиях необходимо тщательно собирать; важно не смешивать их с другими металлами, а также с менее чистой (не электротехнической) медью, чтобы можно было эти отходы переплавить и вновь использовать в качестве электротехнической меди. Медь как проводниковый материал все шире заменяется другими металлами, в особенности алюминием. Сплавы меди. В отдельных случаях помимо чистой меди в качестве проводникового материала применяются ее сплавы с оловом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием. Такие сплавы, носящие название бронз, при правильно подобранном составе имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь: р бронз может быть 800-1200 МПа и более. Бронзы широко применяют для изготовления токопроводящих пружин и т. п. Введение в медь кадмия при сравнительно малом снижении удельной проводимости значительно повышает механическую прочность и твердость. Кадмиевую бронзу применяют для контактных проводов и коллекторных пластин особо ответственного назначения. Еще большей механической прочностью обладает бериллиевая бронза (р — до 1350 МПа). Сплав меди с цинком — латунь — обладает достаточно высоким относительным удлинением перед разрывом при повышенном по сравнению с чистой медью пределе прочности при растяжении. Это дает латуни технологические преимущества перед медью при обработке штамповкой, глубокой вытяжкой и т. п. В соответствии с этим латунь применяют в электротехнике для изготовления всевозможных токопроводящих деталей. Наиболее распространенными медными сплавами являются латуни и бронзы, для которых характерно благоприятное сочетание механических свойств, коррозионной стойкости с достаточной электропроводностью. Некоторые марки медных сплавов указаны в таблице 1. Таблица 1 - Свойства медных сплавов Марка сплава Хим. состав σв, МПа* δ,%* ρ, мкОм·м Л96 Cu + 4%Zn 270/400 35/6 0,040 Л62 Cu + 38%Zn 300/600 50/0,5 0,072 ЛС59-1 Cu + 40%Zn + 1%Pb 350/440 25/5 0,080 ЛМц58-2 Cu + 40%Zn + 2%Mn 380/600 30/3 0,108 БрОФ7-0,2 Cu + 7%Sn + 0,2%P 250/400 30/15 0,140 БрКд1 Cu + 1%Cd 400/700 20/2 0,020 БрБ2 Cu + 2%Be 1350** 2** 0,065 * в числителе - значение параметра в отожженном состоянии, в знаменателе – в твердотянутом; ** значения параметров после термообработки (закалка + старение). Алюминий является вторым по значению (после меди) проводниковым материалом. Это важнейший представитель так называемых легких металлов (т.е. металлов с плотностью менее 5 Мг/м3); плотность литого алюминия около 2,6, а прокатанного — 2,7 Мг/м3. Таким образом, алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди. Температурный коэффициент расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем меди. Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата теплоты, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди. Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойствами — как механическими, так и электрическими. При одинаковых сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода больше, чем медного, в 0,028:0,0172=1,63 раза. Следовательно, чтобы получить алюминиевый провод такого же электрического сопротивления, как и медный, нужно взять его сечение в 1,63 раза большим, т.е. диаметр должен быть в  1,3 раза больше диаметра медного провода. Отсюда понятно, что если ограничены габариты, то замена меди алюминием затруднена. Если же сравнить по массе два отрезка алюминиевого и медного проводов одной длины и одного и того же сопротивления, то окажется, что алюминиевый провод хотя и толще медного, но легче его приблизительно в два раза: 8,9/(2,71,63)2. Поэтому для изготовления проводов одной и той же проводимости при данной длине алюминий выгоднее меди в том случае, если тонна алюминия дороже тонны меди не более чем в два раза. Весьма важно, что алюминий менее дефицитен, чем медь. Для электротехнических целей используют алюминий, содержащий не более 0,5% примесей, марки А1. Еще более чистый алюминий марки АВОО (не более 0,03% примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов оксидных конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты АВОООО имеет содержание примесей, не превышающее 0,004%. Разные примеси в различной степени снижают удельную проводимость  алюминия. Добавки Ni, Si, Zn или Fe при содержании их 0,5% снижают y отожженного алюминия не более чем на 2-3%. Более заметное действие оказывают примеси Сu, Ag и Mg, при том же массовом содержании снижающие v алюминия на 5-10%. Очень сильно снижают  алюминия добавки Ti и Мп. Прокатка, протяжка и отжиг алюминия аналогичны соответствующим операциям над медью. Из алюминия может прокатываться тонкая (до 6-7 мкм) фольга, применяемая в качестве электродов бумажных и пленочных конденсаторов. Алюминий весьма активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов и делает невозможной пайку алюминия обычными методами. Для пайки алюминия применяются специальные пасты-припои или используются ультразвуковые паяльники. В местах контакта алюминия и меди возможна гальваническая коррозия. Если область контакта подвергается действию влаги, то возникает местная гальваническая пара с довольно высоким значением ЭДС, причем полярность этой пары такова, что на внешней поверхности контакта ток идет от алюминия к меди и алюминиевый проводник может быть сильно разрушен коррозией. Поэтому места соединения медных проводников с алюминиевыми должны тщательно защищаться от увлажнения (покрытием лаками и тому подобными способами). Иногда, например, для замены свинца в защитных кабельных оболочках, используется алюминий с содержанием примесей не более 0,01% (вместо 0,5% для обычного проводникового алюминия). Такой особо чистый алюминий сравнительно с обычным более мягок и пластичен и притом обладает повышенной стойкостью по отношению к коррозии. Алюминиевые сплавы обладают повышенной механической прочностью. Примером такого сплава является альдрей, содержащий 0,3-0,5% Mg, 0,4-0,7% Si и 0,2-0,3% Fe (остальное Аl). Высокие механические свойства альдрей приобретает после особой обработки (закалки катанки — охлаждение в воде при температуре 510-550°С волочение и последующая выдержка при температуре около 150°С). В альдрее образуется соединение Mg2Si, которое сообщает высокие механические свойства сплаву; при указанной выше тепловой обработке достигается выделение MgOSi из твердого раствора и перевод его в тонкодисперсное состояние. Сталеалюминевый провод, широко применяемый в линиях электропередачи, представляют собой сердечник, свитый и из стальных жил и обвитый снаружи алюминиевой проволокой. В проводах такого типа механическая прочность определяется главным образом стальным сердечником, а электрическая проводимость — алюминием. Увеличенный наружный диаметр сталеалюминевого провода по сравнению с медным на линиях передачи высокого напряжения является преимуществом, так как уменьшается опасность возникновения короны вследствие снижения напряженности электрического поля на поверхности провода. На рис. 3 приведены некоторые характеристики сталеалюминевого провода марки АС Рисунок 3 - Зависимость полного сечения сталеалюминиевого провода марки АС (кривая 1), сечения стального сердечника (кривая 2) и активного электрического сопротивления (при частоте 50 Гц) единицы длины провода (кривая 3) от внешнего диаметра провода D Железо (сталь) как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий к тому же высокой механической прочностью, представляет большой интерес для использования в качестве проводникового материала. Однако даже чистое железо имеет значительно более высокое сравнительно с медью и алюминием удельное сопротивление  (около 0,1 мкОм-м); значение  стали, т. е. железа с примесью углерода и других элементов, еще выше. При переменном токе в стали, как в ферромагнитном материале заметно сказывается поверхностный эффект, поэтому в соответствии с известными законами электротехники активное сопротивление стальных проводников переменному току выше, чем постоянному току. Кроме того, при переменном токе в стальных проводниках появляются потери мощности на гистерезис. В качестве проводникового материала обычно применяется мягкая сталь с содержанием углерода 0,10-0,15%, имеющая предел прочности при растяжении р = 700-750 МПа, относительное удлинение перед разрывом l/l = 5-8% и удельную проводимость , в 6-7 раз меньшую по сравнению с медью. Такую сталь используют в качестве материала для проводов воздушных линий при передаче небольших мощностей. В подобных случаях применение стали может оказаться достаточно выгодным, так как при малой силе тока сечение провода определяется не электрическим сопротивлением, а его механической прочностью. Сталь как проводниковый материал используется также в виде шин, рельсов трамваев, электрических железных дорог (включая «третий рельс» метро) и пр. Для сердечников сталеалюминевых проводов воздушных линий электропередачи применяется особо прочная стальная проволока, имеющая ар = 1200-1500 МПа и l/l = 4-5%. Обычная сталь обладает малой стойкостью к коррозии: даже при нормальной температуре, особенно в условиях повышенной влажности, она быстро ржавеет; при повышении температуры скорость коррозии резко возрастает. Поэтому поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более стойкого материала. Обычно для этой цели применяют покрытие цинком. Непрерывность слоя цинка проверяется опусканием образца провода в 20%-ный раствор медного купороса; при этом на обнаженной стали в местах дефектов оцинковки откладывается медь в виде красных пятен, заметных на общем сероватом фоне оцинкованной поверхности провода. Железо имеет высокий температурный коэффициент удельного сопротивления. Поэтому тонкую железную проволоку, помещенную для защиты от окисления в баллон, заполненный водородом или иным химическим неактивным газом, можно применять в бареттерах, т.е. в приборах, использующих зависимость сопротивления от силы тока, нагревающего помещенную в них проволочку, для поддержания постоянства силы тока при колебаниях напряжения. Биметалл. В некоторых случаях для уменьшения расходов цветных металлов в проводниковых конструкциях выгодно применять так называемый проводниковый биметалл. Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно по всей поверхности их соприкосновения. Для изготовления биметалла применяют два способа: горячий (стальную болванку ставят в форму, а промежуток между болванкой и стенками формы заливают расплавленной медью; полученную после охлаждения биметаллическую болванку подвергают прокатке и протяжке) и холодный, или электролитический. Холодный способ обеспечивает равномерность толщины медного покрытия, но требует значительного расхода электроэнергии; кроме того, при холодном способе не обеспечивается столь прочное сцепление слоя меди со сталью, как при горячем способе. Рисунок 4 - Слои десятикратного ослабления для различных материалов в зависимости от энергии квантов излучения Биметалл имеет механические и электрические свойства, промежуточные между свойствами сплошного медного и сплошного стального проводника того же сечения; прочность биметалла больше, чем меди, но электрическая проводимость меньше. Расположение меди в наружном слое, а стали внутри конструкции, а не наоборот, весьма важно: с одной стороны, при переменном токе достигается более высокая проводимость всего провода, в целом, с другой — медь защищает расположенную под ней сталь от коррозии. Биметаллическая проволока выпускается наружным диаметром от 1 до 4 мм содержанием меди не менее 50% полной массы проволоки. Значение Стр (из расчета на полное сечение проволоки) должно быть не менее 550-700 МПа, а l/l не более 2%. Сопротивление 1 км биметаллической проволоки постоянному току (при 20°С) в зависимости от диаметра от 60 (при 1 мм) до 4 Ом/км (при 4 мм). Такую проволоку применяют для линий связи, линий электропередачи и т.п. Из проводникового биметалла изготовляются шины для распределительных устройств, полосы для рубильников и различные токопроводящие части электрических аппаратов. Лекция 1.1.3. Свехпроводники и криопроводники Известно 27 чистых металлов и более тысячи различных сплавов и соединений, у которых возможен переход в сверхпроводящее состояние. К ним относятся чистые металлы, сплавы, интерметаллические соединения и некоторые диэлектрические материалы. Сверхпроводники При понижении температуры удельное электрическое сопротивление металлов уменьшается и при весьма низких (криогенных) температурах электропроводность металлов приближается к абсолютному нулю. В 1911 г. при охлаждении кольца из замороженной ртути до температуры 4,2 К голландский ученый Г. Каммерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление о кольца внезапно падает до очень малого значения, которое невозможно измерить. Такое исчезновение электрического сопротивления, т.е. появление бесконечной удельной проводимости у материала, было названо сверхпроводимостью. Материалы, обладающие способностью переходить в сверхпроводимое состояние при их охлаждении до достаточно низкой температуры, стали называть сверхпроводниками. Критическая температура охлаждения, при которой происходит переход вещества в сверхпроводящее состояние, называют температурой сверхпроводимого перехода или критической температурой перехода Ткр. Переход в сверхпроводимое состояние является обратимым. При повышении температуры до Тк материал возвращается в нормальное (непроводящее) состояние. Особенность сверхпроводников состоит в том, что однажды наведенный в сверхпроводящем контуре электрический ток будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы и притом без всякого дополнительного подвода энергии извне. Подобно постоянному магниту такой контур создает в окружающем пространстве магнитное поле. В 1933 г. немецкие физики В.Майснер и Р.Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее состояние становятся идеальными диамагнетиками. Поэтому внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело. Если переход материала в сверхпроводящее состояние происходит в магнитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника. Известные сверхпроводники имеют весьма низкие критические температуры перехода Тк . Поэтому устройства, в которых используются сверхпроводники, должны работать в условиях охлаждения жидким гелием (температура сжижения гелия при нормальном давлении примерно 4,2 К). Это усложняет и удорожает производство и эксплуатацию сверхпроводниковых материалов. Кроме ртути сверхпроводимость присуща и другим чистым металлам (химическим элементам) и различным сплавам и химическим соединениям. Однако такие металлы, как серебро и медь, при самых низких температурах, достигнутых в настоящее время, перевести в сверхпроводящее состояние не удалось. Возможности использования явления сверхпроводимости определяются значениями температуры перехода в сверхпроводящее состояние Тк и критической напряженности магнитного поля. Сверхпроводниковые материалы подразделяют на мягкие и твердые. К мягким сверхпроводникам относят чистые металлы, за исключением ниобия, ванадия, теллура. Основным недостатком мягких сверхпроводников является низкое значение критической напряженности магнитного поля. В электротехнике мягкие сверхпроводники не применяются, поскольку сверхпроводящее состояние в этих материалах исчезает уже в слабых магнитных полях при небольших плотностях тока.  К твердым сверхпроводникам относят сплавы с искаженными кристаллическими решетками. Они сохраняют сверхпроводимость даже при относительно больших плотностях тока и сильных магнитных полях. Свойства твердых сверхпроводников были открыты в середине нашего столетия и до настоящего времени проблема их исследования и применения является одной из важнейших проблем современной науки и техники. Твердые сверхпроводники обладают рядом особенностей: • при охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит не резко, как у мягких сверхпроводников, а на протяжении некоторого температурного интервала; • некоторые из твердых сверхпроводников имеют не только сравнительно высокие значения критической температуры перехода Тк, но и относительно высокие значения критической магнитной индукции Вкр; • при изменении магнитной индукции могут наблюдаться промежуточные состояния между сверхпроводящим и нормальным; • имеют тенденцию к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока; • зависимость свойств сверхпроводимости от техноло-гических режимов изготовления, чистоты материала и совершенства его кристаллической структуры. По технологическим свойствам твердые сверхпроводники делят на следующие виды: • сравнительно легко деформируемые, из которых можно изготавливать проволоку и ленты [ниобий, сплавы ниобий-титан (Nb-Ti), ванадий-галлий (V-Ga)]; • трудно поддающиеся деформации из-за хрупкости, из которых получают изделия методами порошковой металлургии (интерметаллические материалы типа станнида ниобия Nb3Sn). Часто сверхпроводниковые провода покрывают «стабилизирующей» оболочкой из меди или другого хорошо проводящего электрический ток и тепло металла, что дает возможность избежать повреждения основного материала сверхпроводника при случайном повышении температуры. В ряде случаев применяют композитные сверхпроводниковые провода, в которых большое число тонких нитевидных сверхпроводников заключено в массивную оболочку из меди или другого несверхпроводникового материала. Пленки сверхпроводниковых материалов имеют особые свойства: • критическая температура перехода Ткр в ряде случаев значительно превышает Ткр объемных материалов; • большие значения предельных токов, пропускаемых через сверхпроводник; • меньший температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводники используют при создании: электрических машин и трансформаторов малых массы и размеров с высоким коэффициентом полезного действия; кабельных линий для передачи энергии большой мощности на большие расстояния; волноводов с особо малым затуханием; накопителей энергии и устройств памяти; магнитных линз электронных микроскопов; катушек индуктивности с печатным монтажом. На основе пленочных сверхпроводников создан ряд запоминающих устройств и элементов автоматики и вычислительной техники. Обмотки электромагнитов из сверхпроводников позволяют получать максимально возможные значения напряженности магнитного поля. Криопроводники Некоторые металлы могут достигать при низких (криогенных) температурах весьма малого значения удельного электрического сопротивления р, которое в сотни и тысячи раз меньше, чем удельное электрическое сопротивление при нормальной температуре. Материалы, обладающие такими свойствами, называют криопроводниками (гиперпроводниками). Физически явление криопроводимости не сходно с явлением сверхпроводимости. Плотность тока в криопроводниках при рабочих температурах в тысячи раз превышает плотность тока в них при нормальной температуре, что определяет их использование в сильноточных электротехнических устройствах, к которым предъявляются высокие требования по надежности и взрывобезопасности. Применение криопроводников в электрических машинах, кабелях и т.п. имеет существенное преимущество по сравнению со сверхпроводниками. Если в сверхпроводниковых устройствах в качестве охлаждающего агента применяют жидкий гелий, работа криопроводников обеспечивается благодаря более высококипящим и дешевым хладагентам - жидкому водороду или даже жидкому азоту. Это упрощает и удешевляет производство и эксплуатацию устройства. Однако необходимо учитывать технические трудности, которые возникают при использовании жидкого водорода, образующего при определенном соотношении компонентов взрывоопасную смесь с воздухом. В качестве криопроводников используют медь, алюминий, серебро, золото. Лекция 1.1.4. Неметаллические проводники Неметаллические проводники, например, углеродистые материалы, широко используются в электротехнике. Из угля изготавливают электроды для прожекторов, аноды гальванических элементов, щетки электрических машин, высокоомные резисторы, разрядники для телефонных сетей, а угольные порошки используют в микрофонах и в производстве непроволочных резисторов. Щетки делают из графита, кокса, сажи, в качестве связки выступают каменноугольная и синтетические смолы. для повышения электропроводности в щетках часто используют порошкообразные металлы, медь с добавками свинца, олова и серебра. Углеродистые материалы, кроме сажи и графита, предварительно прокаливают для удаления летучих компонентов; после смешивания с металлическим порошком и связкой прессуют заготовки и затем вырезают щетки. Для прочности щетки спекают в неокислительной атмосфере при температуре около 1300 °С. Некоторые виды щеток подвергают графитизации при 2500 - 3000 0С в неокислительной атмосфере, для перевода кокса и сажи в графит и удаления примесей. Заключительной операцией является пропитка щеток смолой или носком для повышения влагостойкости и снижения коэффициента трения. Повышение механической прочности щеток и увеличение электропроводности достигается за счет пропитки щеток расплавленными металлами. Основные технические параметры щеток: удельное сопротивление, допустимая плотность тока, допустимая линейная скорость. Иногда учитывают также падение напряжения на щетках и удельное давление. В настоящее время различают щетки угольно-графитовые (УГ), графитные (Г), электрографитированные (ЭГ) и медно-графитовые (М и МГ) с содержанием порошка меди, приведенные в таблице 2. Таблица 2 - Параметры электрических щеток Тип щетки Уд.сопр., мкОм м Доп.плот.тока, мА/м Доп.лин. ск.,м/с Г 10 - 46 7 - 11 12 – 25 УГ 18 - 60 6 - 8 10 – 15 ЭГ 10 - 45 9 - 11 25 – 45 М От 0,05 12 - 20 12 – 25 МГ До 1,2 12 - 20 12 - 25 Электрические щетки применяют в электрических машинах различного назначения и мощности, в том числе и в быстроходных машинах с кольцами для подвода или съема тока. 1.2. Полупроводниковые материалы Лекция 1.2.1. Зонная теория твердого тела Из курса атомной физики и квантовой механики известно поведение электронов в отдельно взятом атоме. Электроны в таком атоме могут обладать только определенной энергией или могут находиться только на определенных дозволенных энергетических уровнях. Энергетический спектр электронов приобретает дискретный характер, как это показано на рис. 5. На каждом энергетическом уровне, согласно принципу Паули, может находиться не более двух электронов, отличающихся спиновым квантовым числом. Схема энергетических уровней не зависит от того, заполнены они электронами или нет. Переходы электрона с одного энергетического  уровня на другой  связаны с поглощением или излучением энергии. Возникает вопрос, как изменяются энергетические уровни электронов в атоме, если отдельные атомы приближать друг к другу, т. е. конденсировать в твердую фазу. Рассмотрим качественную сторону поставлен­ного вопроса. В изолированном атоме существу­ют силы притяжения ядром атома всех своих электронов и сила отталкивания между электронами. В кристалле из-за близкого расстояния между атомами возникают новые силы. Это силы взаимодействия между ядрами и электронами, принадлежащими разным атомам и между всеми ядрами и электронами. Под влиянием этих дополнительных сил энергетические уровни электронов в каждом атоме кристалла каким-то образом должны измениться. Одни уровни понизятся, другие – повысятся на шкале энергий. В этом состоит первое следствие сближения атомов. Второе следствие связано с тем, что электронные оболочки атомов, в особенности внешние, могут не только соприкасаться друг с другом, но и способны перекрыться. В результате этого электрон с одного уровня на каком-либо из  атомов может перейти на уровень в соседнем атоме без затрат энергии и, таким образом, свободно перемещаться от одного атома к другому. В связи с этим нельзя утверждать, что данный электрон принадлежит какому-нибудь одному определенному атому, наоборот, электрон в такой ситуации  принадлежит всем атомам кристаллической решетки одновременно. Иными словами происходит «обобществление» электронов. Такие «обобществленные » электроны обычно называют свободными, а их совокупность – электронным газом или электронами проводимости. Разумеется, что полное обобществление происходит лишь с теми электронами, которые находятся на внешних – валентных  электронных оболочках. Чем ближе электрон находится к ядру атома, тем сильней ядро удерживает электрон  на этом уровне и препятствует перемещению электронов от одного атома к другому. Совокупность рассмотренных следствий сближения атомов приводит к расщеплению уровней атома, независимо от того находятся на этом уровне электроны или нет. На энергетической шкале вместо отдельных уровней появляется ряд подуровней или энергетических зон, то есть областей таких значений энергий, которыми может обладать электрон, находясь в пределах твердого тела. Таким образом, различие между кристаллом и отдельным атомом состоит  в следующем. В то время как в изолированном атоме данный энергетический уровень Е(n,l) является единственным, в кристалле, состоящем из  N атомов он повторяется N раз. Иначе говоря, каждый уровень изолированного атома в кристалле, расщепляется на N близко расположенных друг от друга подуровней, образующих энергетическую зону (рис. 6). Энергетические зоны, разделенные интервалами энергий Ез и не принимающие электроны, называются запрещенными зонами. С ростом энергии ширина запрещенной зоны уменьшается, так как имеет место сильное расщепление высокорасположенных атом­ных уровней. Рисунок 6 - Энергетический спектр электронов в кристалле Расстояние между подуровнями в зоне кристалла очень мало. В кристалле объемом 1 м3 содержится N = 1028 атомов. При ширине зоны порядка 1эВ расстояние между подуровнями в ней порядка 10-28 эВ. Тем не менее, из-за того, что число уровней в зоне конечно,  наличие подуровней играет важную роль в определении характера распределения электронов по состояниям. В нейтральном изолированном атоме все нижние уровни вплоть до валентного уровня заполнены электронами полностью, а уровни выше валентного свободные. В кристалле зоны,  произошедшие от нижних уровней, также полностью заполнены электронами, и только зона, произошедшая от валентного уровня, может оказаться в ряде случаев, заполнена не полностью. Зону,  произошедшую от валентных уровней атомов, образующих кристалл, называют валентной зоной. Наибольшее значение энергии этой зоны (или её вершина) равно Ес. Степень заполнения валентной зоны электронами зависит, прежде всего, от химической природы атомов из которых состоит кристалл. В изолированном атоме выше валентного уровня находятся уровни энергий, на которых хотя и нет электронов, но они могут там находиться при возбуждении атома (если атом получит энергию). Точно так же и в кристалле: выше валентной зоны имеются полностью свободные от электронов зоны. Самую нижнюю из незаполненных зон называют зоной проводимости. Минимальное значение энергии этой зоны (или её дно) равно Е. Заполнение зоны проводимости может начаться, если электроны валентной зоны получат дополнительную энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера, равного ширине запрещенной зоны Ез = Е – Ес , лежащей между валентной зоной и зоной проводимости. Электрические свойства кристаллов в основном зависят от заполнения электронами этих двух зон: зоны проводимости и валентной. С учетом заполнения этих зон электронами возможны четыре типа зонных структур кристаллов (рис. 7). Тип А.  Валентная зона заполнена полностью, но запрещенная зона между валентной зоной и зоной проводимости отсутствует, то есть зоны перекрыты (рис. 7, а). В этом случае электроны беспрепятственно могут переходить из валентной зоны в свободную зону проводимости. Такой кристалл будет хорошо проводить электрический ток, и эго электропроводность слабо зависит от температуры. Этот случай соответствует металлам, состоящим из двухвалентных атомов. Тип Б.  Валентная зона заполнена не полностью (рис. 7, б). При приложении к такому кристаллу электрического поля, электроны получают от него энергию и могут переходить на более высокие энергетические уровни в соответствующей зоне. В зонах, лежащих ниже валентной, такой переход не возможен, так как в этих зонах все уровни полностью заполнены электронами. Валентная зона заполнена частично, и в ней переходы электронов будут происходить беспрепятственно, что обеспечивает прохождение электрического тока при любой температуре. Такие кристаллы относятся к проводникам, и этот случай реализуется, например для одновалентных металлов типа натрия. У металлов этой группы валентная зона является и зоной проводимости. а б в г Рисунок 7 - Деление  твердых  тел на: а  и  б – проводники; в – диэлектрик; г – полупроводник без примеси; Т = 0 К; 1 – зона проводимости; 2 – запрещенная зона, 3 – заполненная или валентная зона Тип В. Валентная зона заполнена электронами полностью и не перекрыта со свободной зоной проводимости (рис. 7, в). Перемещение электронов под действием электрического поля не может происходить, пока каким-либо способом не будет переведена часть электронов из валентной зоны в зону проводимости, преодолев запрещенную зону. Такие кристаллы принято относить к диэлектрикам. Условно принято считать, что кристаллы такого типа будут диэлектриками, если ширина запрещенной зоны Ез = E – Ec > 2эВ. Тип Г. Этот случай (рис. 7, г) отличается от типа В только шириной запрещенной зоны. Если ширина запрещенной зоны меньше 2 эВ, то при температурах порядка Т = 300 К  часть электронов за счет теплового движения переходят в свободную зону проводимости и под действием электрического поля могут перемещаться в кристалле. Этот случай описывает кристаллы, электропроводность которых повышается при увеличении температуры. Такие кристаллы принято называть полупроводниками. Лекция 1.2.2. Контактные явления в полупроводниках Электрическим переходом называют переходный слой в полупровод­ни­ко­вом материале между двумя областями с различными типами электро­про­вод­ности или разными значениями удельной электрической проводимости. Если одна из контактирующих областей — металл, а другая — полупро­водник, то такой электрический переход называют переходом Шоттки. Если переход образован двумя полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны, например германием и арсенидом галлия, его назы­вают гетеропереходом. Электрический переход, образованный в резуль­тате контакта полупроводников с одинаковой шириной запрещенной зоны, называют гомопереходом. Электрический переход может быть выпрямляющим, т. е. иметь малое сопротивление при одном направлении тока и большое при другом. Электри­ческое сопротивление омических переходов в отличие от выпрям­ляющих не зависит от направления тока в заданном диапазоне его значе­ний. Большинство полупроводниковых приборов имеют выпрямляющие гомогенные электронно-дырочные (p—n) переходы. Электронно-дырочный переход образуется между областями полупро­водника, одна из которых имеет электропроводность n-типа, а другая p-типа. По соотношению концентраций примесей в p- и n- областях разли­чают симметричные, несимметричные и односторонние переходы. Обычно в полупроводниковых приборах используют несимметричные переходы, у которых концентрации Nд и Na различаются в несколько раз. Если концен­трации примесей различаются более чем в 10 раз, переход называют од­носторонним. Зонная структура полупроводников Согласно постулатам Бора энергетические уровни для электронов в изолированном атоме имеют дискретные значения. Твердое тело представляет собой ансамбль отдельных атомов, химическая связь между которыми объединяет их в кристаллическую решетку. Если твердое тело состоит из N атомов, то энергетические уровни оказываются N-кратно вырожденными. Электрическое поле ядер, или остовов атомов, выступает как возмущение, снимающее это вырождение. Дискретные моноэнергетические уровни атомов, составляющие твердое тело, расщепляются в энергетические зоны. Решение квантовых уравнений в приближении сильной или слабой связи дает качественно одну и ту же картину для структуры энергетических зон твердых тел. В обоих случаях разрешенные и запрещенные состояния для электронов чередуются и число состояний для электронов в разрешенных зонах равно числу атомов, что позволяет говорить о квазинепрерывном распределении энергетических уровней внутри разрешенных зон. Наибольшее значение для электронных свойств твердых тел имеют верхняя и следующая за ней разрешенные зоны энергий. В том случае, если между ними нет энергетического зазора, то твердое тело с такой зонной структурой является металлом. Если величина энергетической щели между этими зонами (обычно называемой запрещенной зоной) больше 3 эВ, то твердое тело является диэлектриком. И, наконец, если ширина запрещенной зоны Eg лежит в диапазоне (0,1 ÷ 3,0) эВ, то твердое тело принадлежит к классу полупроводников. В зависимости от сорта атомов, составляющих твердое тело, и конфигурации орбит валентных электронов реализуется тот или иной тип кристаллической решетки, а следовательно, и структура энергетических зон. На рисунке 8 приведена структура энергетических уровней в изолированном атоме кремния, а также схематическая структура энергетических зон, возникающих при сближении этих атомов и образовании монокристаллического кремния с решеткой так называемого алмазоподобного типа. Верхняя, не полностью заполненная, энергетическая зона в полупроводниках получила название зоны проводимости. Следующая за ней энергетическая зона получила название валентной зоны. Энергетическая щель запрещенных состояний между этими зонами называется запрещенной зоной. На зонных диаграммах положение дна зоны проводимости обозначают значком Ec, положение вершины валентной зоны - Ev, а ширину запрещенной зоны - Eg. Поскольку в полупроводниках ширина запрещенной зоны меняется в широком диапазоне, то вследствие этого в значительной мере меняется их удельная проводимость. По этой причине полупроводники классифицируют как вещества, имеющие при комнатной температуре удельную электрическую проводимость σ от 10-8 до 106 Ом·см, которая зависит в сильной степени от вида и количества примесей, структуры вещества и внешних условий: температуры, освещения (радиации), электрических и магнитных полей и т.д. Для диэлектриков ширина запрещенной зоны Еg > 3 эВ, величина удельной проводимости σ < 10-8Ом·см, удельное сопротивление ρ = 1/σ > 108 Ом·см. Для металлов величина удельной проводимости σ > 106 Ом·см. Рисунок 8 - Структура энергетических уровней в изолированном атоме кремния, а также схематическая структура энергетических зон, возникающих при сближении этих атомов и образовании монокристаллического кремния. 1.3. Диэлектрические материалы Лекция 1.3.1. Поляризация диэлектриков Основные электрические свойства диэлектриков Диэлектрики - вещества, способные поляризоваться и сохранять электростатическое поле. Это широкий класс электротехнических материалов: газообразных, жидких и твердых, природных и интетических, органических, неорганических и элементоорганических. По выполняемым функциям они делятся на пассивные и активные. Пассивные диэлектрики применяются в качестве электроизоляционных материалов. В активных диэлектриках (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики и др.), электрические свойства зависят от управляющих сигналов, способных изменять характеристики электротехнических устройств и приборов. По электрическому строению молекул различают неполярные и полярные диэлектрики. Неполярные диэлектрики состоят из неполярных (симметричных) молекул, в которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Полярные диэлектрики состоят из несимметричных молекул (диполей). Дипольная молекула характеризуется дипольным моментом – р. В процессе работы электротехнических устройств диэлектрик нагревается, так как часть электрической энергии в нем рассеивается в виде тепла. Диэлектрические потери сильно зависят от частоты тока, особенно у полярных диэлектриков, поэтому они являются низкочастотными. В качестве высокочастотных используются неполярные диэлектрики. Основные электрические свойства диэлектриков и их характеристики приведены в табл. 3. Таблица 3 - Электрические свойства диэлектриков и их характеристики Свойство Характеристика Обозначение Поляризация Относительная диэлектричес-кая проницаемость ε Электропроводность Удельное электрическое сопротивление ρ, Ом·м Диэлектрические потери Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ Электрическая прочность Пробивная напряженность Епр, МВ/м Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул в электрическом поле. Под влиянием силовых линий электрического поля заряды диэлектрика смещаются по направлению действующих сил в зависимости величины напряженности. При отсутствии электрического поля заряды возвращаются в прежнее состояние. Различают два вида поляризации: поляризация мгновенная, вполне упругая, без выделения энергии рассеяния, т.е. без выделения тепла, за время 10-15 – 10-13 с; поляризация не совершается мгновенно, а нарастает или убывает замедленно и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагревает - это релаксационная поляризация за время от 10-8 до 102 с. К первому виду относятся электронная и ионная поляризации. Электронная поляризация (Cэ, Qэ) – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и ионов за время 10-15 с. Наблюдается такая поляризация для всех видов диэлектриков и не связана с потерей энергии, а диэлектрическая проницаемость вещества численно равна квадрату показателя преломления света n2. Ионная поляризация (Cи, Qи) характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением (колебанием) упруго связанных ионов в узлах кристаллической решетки за время 10-13 с. С повышением температуры смещение усиливается и в результате ослабления упругих сил между ионами, а температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ионных диэлектриков оказывается положительным. Ко второму виду относят все релаксационные поляризации. Дипольно-релаксационная поляризация (Cдр, rдр, Qдр) связана с тепловым движением диполей при полярной связи между молекулами. Поворот диполей в направлении электрического поля требует преодоления некоторого сопротивления, выделения энергии в виде тепла (rдр). Время релаксации здесь порядка 10-8 – 10-6 с – это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных электрическим полем диполей после снятия поля уменьшится вследствие наличия тепловых движений в 2,7 раза от первоначального значения. Ионно-релаксационная поляризация (Cир, rир, Qир) наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых веществах с неплотной упаковкой ионов. Слабосвязанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых движений получают избыточные набросы в направлении поля и смещаются по силовой линии его. После снятия электрического поля ориентация ионов ослабевает по экспоненциальному закону. Время релаксации, энергия активации и частота собственных колебаний происходит в течение 10-6 – 10-4 с и связано законом (13) где f – частота собственных колебаний частиц;  - энергия активации; k –постоянная Больцмана (8,63 10-5 ЭВ/град); T – абсолютная температура по К0. Электронно - релаксационная поляризация (Cэр, rэр, Qэр) возникает за счет возбужденных тепловых энергий избыточных, дефектных электронов или «дырок» за время 10-8 – 10-6 с. Она характерна для диэлектриков с высокими показателями преломления, большим внутренним полем и электронной электропроводностью: двуокись титана с примесями, Са+2, Ва+2, ряда соединений на основе окислов металлов переменной валентности – титана, ниобия, висмута. При этой поляризации имеет место высокая диэлектрическая проницаемость и при отрицательных температурах наличие максимума в температурной зависимости  ( диэлектрической проницаемости).  для титаносодержащей керамики уменьшается с возрастанием частоты. Структурные поляризации различают: Миграционная поляризация (Cм, rм, Qм) протекает в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях, слоях, границ раздела или наличии примесей за время порядка 102 с.Эта поляризация проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеянием энергии. Причинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических, сложных диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т.д. На границах раздела между слоями в диэлектрике и в при электродных слоях идет накопление зарядов медленно движущихся ионов – это эффект межслоевой или структурной высоковольтной поляризации. Для сегнетоэлектриков различают спонтанную или самопроизвольную поляризацию,(Cсп, rсп, Qсп), когда идет значительное рассеяние энергии или выделение тепла за счет доменов (отдельные области, вращающихся электронных оболочек) , смещающихся в электрическом поле, т. е. еще в отсутствии электрического поля в веществе есть электрические моменты, а при некоторой напряженности внешнего поля наступает насыщение и наблюдается возрастание поляризации. Классификация диэлектриков по виду поляризации. Первая группа – диэлектрики, обладающие электронной и ионной мгновенной поляризациями. Структура таких материалов состоит из нейтральных молекул, может быть слабополярной и характерна для твердых кристаллических и аморфных материалов таких, как парафин, сера, полистирол, а также жидкие и газообразные материалы как бензол водород и др. Вторая группа – диэлектрики, обладающие электронной и дипольно-релаксационной поляризациями – это полярные органические жидкие, полужидкие, твердые вещества как маслоканифольные компаунды, эпоксидные смолы, целлюлоза, хлорированные углеводороды и т.п. материалы. Третья группа – диэлектрики твердые неорганические, которые делятся на две подгруппы, отличающиеся по электрическим характеристикам – а) диэлектрики, обладающие электронной и дипольно-релаксационной поляризациями, такие как кварц, слюда, каменная соль, корунд, рутил; б) диэлектрики с электронной и ионной релаксационными поляризациями – это стекла, материалы со стекловидной фазой (фарфор, микалекс и т.п.) и кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой ионов. Четвертая группа – это диэлектрики, обладающие электронной и ионной мгновенными и структурной поляризациями, что свойственно многим позиционным, сложным, слоистым и сегнетоэлектрикам материалам. Лекция 1.3.2. Диэлектрическая проницаемость О явлении поляризации судят по значению диэлектрической проницаемости . Параметр , характеризующий способность материала образовывать емкость, называется относительной диэлектрической проницаемостью. Слово “относительная” обычно опускается. Надо учесть, что электрическая емкость участка изоляции с электродами, т.е. конденсатора, зависит от геометрических размеров, конфигурации электродов и от структуры материала, образующего диэлектрик этого конденсатора. В вакууме  = 1, а любого диэлектрика всегда больше 1. Если С0 - емкость, между обкладками которого находится вакуум, произвольной формы и размеров, а С - емкость конденсатора таких же размеров и формы, но заполненного диэлектриком с диэлектрической проницаемостью , то С=  С0 (14) Обозначив через С0 электрическую постоянную (Ф/м), равную С0 = 8,854.10-12, найдем абсолютную диэлектрическую проницаемость ’=0. (15) Определим величины емкостей для некоторых форм диэлектриков. Для плоского конденсатора С=0  S/h = 8,854 1О-12  S/h (16) где S - площадь поперечного сечения электрода, м2; h - расстояние между электродами, м. Для цилиндрического конденсатора С = о  2  1/ln(d1 / d2 ) = 0  2  1/1n(г2 / г1) = =2,42IО-11  1/ lg(г2 / r1) (17) где 1 - осевая длина, м; d1, г1 - соответственно диаметр и радиус внутреннего электрода, м; d2, r2 - диаметр и радиус внешнего электрода, м. С некоторыми допущениями при d2 – d1  d1 имеем С = 0   l (d2 + d1) / (d2 – d1) = О   1 (г2 + г1) / (r2 – r1) =2,7810-11 1 (г2 + г1) / (r2 – r1) (18) Для изоляции кабелей - системы параллельных проводов вводят понятие удельной или погонной емкости K=С/l (19) где С емкость изоляции кабеля длиной 1, мкФ; 1 - длина, км. Размерности в этом случае другие: К - мкФ/км = НФ/м. Относительная диэлектрическая проницаемость  - это оказывается отношение заряда Q, полученного при напряжении на конденсаторе, к заряду Q0, который можно получить на том же конденсаторе при том же напряжении, если между электродами находится вакуум. (20) где Qg –заряд, который обусловлен поляризацией вещества фактически разделяющего электроды, поэтому в общем виде, структура материала определяет суммарное Qg.  всегда больше 1, а для вакуума равна 1 Практическое значение диэлектрической проницаемости очень велико, Она определяет не только способность материала образовывать емкость, но и входит в ряд основных уравнений, которые характеризуют физические процессы, протекающие в диэлектрике. Диэлектрическая проницаемость газов, вследствие их малой плотности (из-за больших расстояний между молекулами) незначительна и близка к единице. Обычно поляризация газа электронная или дипольная, если молекулы полярные.  газа тем выше, чем больше радиус молекулы. Изменение числа молекул газа в единице объема газа (n) при изменении температуры и давления вызывает изменение диэлектрической проницаемости газа. Число молекул N пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре. При изменении влажности диэлектрическая проницаемость воздуха незначительно меняется прямо пропорционально изменению влажности ( при комнатной температуре ). При повышенной температуре влияние влажности значительно усиливается. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости характеризуется выражением (21) По этому выражению можно вычислить относительное изменение диэлектрической проницаемости при изменении температуры на 10 К - так называемый температурный коэффициент ТК диэлектрической проницаемости. Значение ТК неполярного газа находится по формуле (22) где Т - температура. К. Диэлектрическая проницаемость жидкостей сильно зависит от их структуры. Значения  неполярных жидкостей невелики и близки к квадрату показателя преломления света n2. Диэлектрическая проницаемость полярных жидкостей, которые используются в качестве технических диэлектриков, лежит в пределах от 3,5 до 5, что заметно выше, чем у неполярных жидкостей. Так поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы, определяется одновременно электронной и дипольно-релаксационной поляризациями. Сильнополярные жидкости, характеризуются высоким значением  из-за их большой проводимости. Температурная зависимость  в дипольных жидкостях имеет более сложный характер, чем нейтральные жидкости. Частота, при которой  снижается находится , (23) где  -вязкость; r – радиус молекулы. Время релаксации молекул 0 связано с частотой f0 выражением . (24) Таблица 4 - Диэлектрической проницаемости при 20 0С и 50 Гц для полярных жидкостей Наименование жидкости  Касторовое масло 4,5 Совол 5 Совтол 3.2 Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков , в которых возможны все виды поляризаций, имеет наименьшее значение, если структура материала построена из нейтральных молекул и обладает электронной поляризацией, тогда  = n2. Температурная зависимость  определяется изменением числа молекул в единице объема. Для сегнетоэлектриков  оказывается в прямопропорциональнной зависимости от напряженности электрического поля. Падение  от времени воздействия напряженности – это старение диэлектрика. Причиной старения является перегруппировка доменов, которая происходит при температурах выше точки Кюри и растет  с ростом напряженности или повышении температуры до точки Кюри. Это нелинейные диэлектрики. Значение диэлектрической проницаемости важно знать для расчетов многослойных диэлектриков. Напряженность электрического поля в слоях Е и напряжение на них U определяются следующим образом: E1=2 U / (h1 2 + h2 1); (25) E2=1 U / (h1 2 + h2 1); (26) U1=2 h1 U / (h1 2 + h2 1); (27) U2=1 h2 U / (h1 2 + h2 1), (28) где h1, h2 - толщина слоев диэлектрика;1, 2 - диэлектрическая проницаемость материала диэлектрика; Е1, Е2 - напряженность поля в слоях;U1,U2 - напряжение, приложенное к слоям; U - полное напряжение между обкладками конденсатора. В случае многослойного конденсатора ( плоский, n слоев ) будем иметь для i-го слоя Е = U / (I hi / i); (29) Ui = Ei hi, (30) где U - полное напряжение на конденсаторе, В; Ui, Еi, hi, i, - соответственно напряжение, напряженность электрического поля, толщина и диэлектрическая проницаемость каждого слоя. То есть слои диэлектрика с большей диэлектрической проницаемостью стремятся “разгрузиться” и переложить часть электрического напряжения на слои с меньшей проницаемостью. Особенно в тяжелых условиях оказывается воздушная прослойка между двумя слоями изоляции. Благодаря малой проницаемости и малой электрической прочности газов в них возникают частичные разряды. Кроме того, для многослойного цилиндрического конденсатора поле оказывается резко неоднородным, и напряженность в i-м слое на расстоянии x от оси конденсатора (r1i < Х < r2i ) зависит от значений i материалов слоев: Е=U / (i Ln(г2i / г1i) / i), (31) где г1, r2 - соответственно внутренний и внешний радиусы i-го слоя. В этом случае порядок слоев влияет на значение Е в отдельных слоях. Чтобы получить наиболее выгодное распределение напряженностей, нужно помещать во внутренние слои многослойного цилиндрического конденсатора диэлектрики с большими  (градирование изоляции). В неравномерном поле для уменьшения электрической нагрузки электроизоляционных материалов следует в места с наибольшим электрическим смещением помещать материалы с наибольшей . Лекция 1.3.3. Электропроводность диэлектриков Абсолютно чистый диэлектрик с идеальной структурой был бы идеальным изолятором, т.е. совсем не проводил бы электрический ток. В реальных же диэлектриках всегда содержатся примеси, их структура имеет дефекты, они подвергаются внешним воздействиям. Вследствие этого все диэлектрики содержат небольшое количество подвижных зарядов, а значит в той или иной степени проводят электрический ток. Свободными зарядами, которые перемещаются в электрическом поле и обуславливают электропроводность, могут быть ионы (положительные и отрицательные), электроны, структурные дефекты вакансии или дырки. Электропроводность определяется концентрацией этих носителей в соответствии с соотношением: , (32) где γ – проводимость, n – концентрация носителей , g – величина заряда носителей, µ – их подвижность. На концентрацию подвижных зарядов оказывают влияние: состав материала, температура среды, облучение материала светом или частицами высоких энергий и другие внешние воздействия. Концентрация подвижных носителей заряда в полярных материалах, как правило, выше, чем в неполярных. Связано это с тем, что полярные материалы труднее поддаются очистке, вследствие чего в них больше примесей. Наличие легко ионизируемых примесей, а так же дефектов кристаллического строения, увеличивают число свободных зарядов в материале и увеличивают его проводимость. Нагрев вещества также приводит к росту проводимости. На рис. 9. приведена температурная зависимость электрической проводимости γ. В первом приближении она описывается экспоненциальной функцией: , (33) где Еа – энергия активации электропроводности, к- постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, γо – постоянный параметр. Такая зависимость обусловлена увеличением концентрации заряженных частиц за счет теплового возбуждения или активации. Электрическая проводимость диэлектриков зависит и от напряженности электрического поля. На рис.10. при­ведены два характерных графика изменения плотности тока J от напряженности поля E. На первом графике сначала величина плотности тока пропорциональна приложенной напряженности электрического поля. Это участок линейной зависимоcти тока от напряженности поля и соответствует закону Ома: (34) с постоянным значением проводимости γ. Далее величина тока отклоняется вверх относительно линейной зависимости, т.е. величина проводимости материала растет, и значит на данном участке происходит увеличение концентрации подвижных носителей заряда. Такой график зависимости характерен для ионных, полярных диэлектриков, и материалов содержащих примеси. При значительной напряженности электрического поля в них происходит ионизация примесных или собственных атомов, что и приводит к увеличению концентрации подвижных носителей. На втором графике величина тока отклоняется вниз и перестает увеличиваться, наблюдается насыщение тока. Такой график зависимости характерен для неполярных диэлектриков высокой чистоты. В этих материалах число носителей заряда ничтожно. Поэтому с ростом напряженности поля ток перестает увеличиваться, когда все имеющиеся носители оказываются задействованы в процессе переноса заряда. Лекция 1.3.4. Диэлектрические потери в диэлектриках Диэлектрическими потерями называется мощность, рассеиваемая в диэлектрике под действием приложенного к нему электрического поля и вызывающая его нагрев. Рассматривают полные диэлектрические потери вызываемые как при переменном, так и при постоянном напряжениях за счет сквозных токов, обусловленного проводимостью. Природа диэлектрических потерь в изоляционных материалах различна и зависит от агрегатного состояния вещества: газообразного, жидкого и твердого. При изучении диэлектрических потерь, связанных с явлением поляризации диэлектрик можно отобразить в виде кривых зависимостей заряда Q на обкладках конденсатора с заданным диэлектриком от напряжения электрического поля. Потери, вызванные мгновенными поляризациями, не разогревают диэлектрик и графическое отображение их – линейная зависимость. Потери, вызванные любой замедленной поляризациями, выражаются площадью овала пропорциональной энергии рассеяния на тепло за один период напряжения. Для диэлектриков с спонтанной поляризацией потери энергии за один период определяются площадью, ограниченной петлей гистерезиса. Рисунок 11 - Векторные диаграммы и эквивалентные схемы диэлектрика с потерями: а – последовательная; б – параллельная. При постоянном напряжении U ( В) на участке изоляции сопротивлением Rиз (Ом) значение активных потерь Ра ( Вт) определится как Ра=U2 / Rиз = U I =I2 Rиз, (35) где I - сквозной ток утечки через диэлектрик или изоляцию, А. При переменной форме напряжения имеем значение энергии рассеяния на тепло Wа или активные потери Ра, Вт, на участке изоляции емкостью С, пФ, (рис. 11) при действующем значении приложенного напряжения U, В, частоте f, Гц или  = 2  f (круговая частота). Причем, чем больше рассеяние мощности в диэлектрике, переходящей в тепло, тем меньше угол сдвига фаз  и тем больше угол  и, следовательно, его функция tg - тангенс угла диэлектрических потерь, таким образом, Wа=Ра= U I cos = U I tg = U  C tg. (36) Для последовательной схемы замещения: (37) Где tg=Csrs. (38) Для параллельной схемы замещения: Ра=U2g = U2 b tg = U2  Cp tg, (39) где tg= (40) Приравнивая значения tg при последовательной и параллельной схемах замещения изоляции, если они эквивалентны и мощность Ра одинакова, получим , (41) где в первом приближении, пренебрегая tg2 по сравнению с «1», можно считать Ср  Сs  C, тогда активная мощность будит равна Ра = U I tg. Можно выразить tg из векторных диаграмм рисунков 1.12. 1.13: tgs=Ua/Uc и tgp = Ia / Ic. (42) Значения tg для высококачественных материалов составляют тысячные и даже десятитысячные доли единицы, но могут быть и больше для электротехнических материалов более низкого качества (нескольких сотых долей единицы). Для расчета диэлектрических потерь в единице объема, где напряженность поля равна Е, В/м и любая картина электрического поля (равномерная, резконеоднородная, слабонеоднородная), а также любой неоднородный диэлектрик, принимается эмпирическая формула Ра=5,56.10-11.Е2 f  tg. (43) Произведение относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь ( tg) называется коэффициентом диэлектрических потерь материала. Если величина  = 5,56 10-11 tg, Ом м является объемной удельной проводимостью материала тогда Ра примет вид Ра=E. (44) При переменном напряжении потери обычно больше, чем на постоянном напряжении. В газообразных диэлектриках при малых напряженностях поля Е, в неполярных жидкостях, таких как сухое трансформаторное масло, в неполярных твердых диэлектриках потери при постоянном и переменном напряжениях одинаковы. Следовательно, на переменном напряжении имеем равенство: tg =1,1010 / (f  ) = 1,8.1010  / ( f). (45) Для диэлектриков с большими потерями расчетное значение емкости зависит от выбора схемы замещения и тогда  также окажется зависящей от схемы замещения, т.е. окажется величиной неопределенной, а величина угла потерь и tg от этого не зависит. Виды диэлектрических потерь Диэлектрические потери по своей природе и физической сущности или воздействию электрического поля делятся на четыре основных вида: 1) диэлектрические потери, обусловленные всеми видами мгновенной и замедленной поляризацией в диэлектриках; 2) потери от сквозной электропроводности; 3) ионизационные потери; 4) потери, вызванные неоднородностью структуры Таким образом, три явления электрического поля определяют или вызывают нагрев диэлектрика: поляризация, электропроводность и ионизация. Поляризация обусловливает изменение  и соответственно tg в веществах, обладающих релаксационными поляризациями или в диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов или дипольной структуры с ковалентной связью между молекулами. Поляризация вызывает нарушение теплового движения частиц по направлению электрического поля и приводит к рассеянию энергии или нагреву диэлектрика. Такие потери возрастают при увеличении частоты приложенного напряжения и могут резко проявится на высокой частоте. Однако, если при высокой частоте поляризация не проявляется (ионы или диполи не успевают сместиться вслед частоте электрического поля), то tg падает. Это характерно для большинства технических диэлектриков со стекловидной фазой в структуре. В сегнетоэлектриках потери от спонтанной поляризация наблюдаются значительными до точки Кюри, так как успевают смещаться заряды или отслеживают изменение температуры. За пределами точки Кюри потери уменьшаются и значительно, так как не проявляется поляризация. В радиотехнических материалах при световых частотах, за пределами МГц, проявляются резонансные потери. Это наблюдается в газах, когда идет интенсивное поглощение энергии электрического поля и в твердых диэлектриках, когда частота вынужденных колебаний, вызванных электрическим полем, совпадает с частотой собственных колебаний частиц вещества. Диэлектрические потери от электропроводности обнаруживаются в зависимости от объемной или поверхностной удельной проводимости вещества, поэтому (46) Здесь  не зависит от частоты поля и tg уменьшается с увеличением частоты f по гиперболическому закону. Температурная зависимость в этом случае определяется как экспонента вида , (47) где А, b, а – постоянные материала; РТ – потери при температуре Т; Рt – потери при температуре t, 0С; Р0 – потери при 0 0С. Ионизационные потери характерны для газообразных и неоднородных твердых диэлектриков с газовым включением. В неоднородном электрическом поле при напряженностях превышающих значение, соответствующее началу ионизации газа, имеем Ри=А1 f (U – Uи)3, (48) где А1 - постоянный коэффициент, зависящий от вида материала; U- приложенное напряжение; Uи- напряжение ионизации, если U > Uи; f- частота поля. Величина Uи зависит от давления газа, поскольку ионизация это соударение молекул при свободном пробеге электронов, и пропорционально увеличению его. Диэлектрические потери, связанные с неоднородностью структуры диэлектриков, наблюдаются у многих технических диэлектриков - слоистых пластиков, пропитанных бумаг, пластических масс с наполнителями, в керамике, материалах на основе слюды, асбестовых материалах и т.д. Ввиду большого разнообразия структуры неоднородных диэлектриков и содержащихся в них составляющих, общей формулы для расчета их диэлектрических потерь не существует. Однако, возможная оценка диэлектрических потерь в композиционных материалов связана с выделением тепла при двух явлениях: электропроводность и одно из явлений поляризация или ионизация, а то и всех трех явлений одновременно. Это обусловлено примесями или отдельными компонентами, введенными в диэлектрик для изменения его свойств. Диэлектрические потери в газах при напряженности поля, ниже необходимой для возникновения ударной ионизации молекул, очень малы. В таком случае газ - идеальный диэлектрик. Источником диэлектрических потерь в газах является в основном электропроводность, потому что ориентация дипольных молекул в газах при их поляризации не сопровождается диэлектрическим потерями. Все газы имеют очень малую электропроводность, поэтому угол диэлектрических потерь у них мал, особенно на высоких частотах и выражаются зависимостью. Диэлектрические потери в жидкостях существенно зависят от строения жидкости: в неполярных жидкостях (без примесей с дипольными молекулами), они обусловлены только электропроводностью. Удельная проводимость их тоже очень мала и малы диэлектрические потери. В этом случае tg очень мал. Полярные жидкости в зависимости от условий могут обладать большими потерями, связанными с дипольно-релаксационной поляризацией и потерями от электропроводности. Применяемые в технике диэлектрики могут представлять смеси неполярных и полярных веществ, например, масляно-канифольные компаунды, или могут быть полярными жидкостями. Жидкие полярные диэлектрики имеют заметную зависимость диэлектрических потерь от вязкости. Диэлектрические потери в них в основном обусловлены поляризацией и называются дипольно-релаксационными потерями. Диполи, следуя за изменением электрического поля, поворачиваются в вязкой среде и вызывают потери электрической энергии на трение с выделением теплоты. Если вязкость жидкости велика, то молекулы не успевают следовать за изменением поля и потери от поляризации будут малы, дипольные потери малы также в жидкостях с малой вязкостью, т.к. поворот диполей происходит без трения. При средней вязкости дипольные потери могут быть достаточно велики и при некотором значении вязкости имеют максимум. Рассеиваемая мощность Ра при дипольно-релаксационных потерях в жидком диэлектрике возрастает с частотой до тех пор, пока поляризация успевает следовать за изменением поля. Когда же частота становится настолько велика, что дипольные молекулы не успевают ориентироваться в направлении поля, и tg падает, потери становятся постоянными. При работе диэлектрика на синусоидальном переменном напряжении с угловой частотой  ток абсорбции (от поляризации) будет также синусоидальным и имеет две составляющие - активную и реактивную. Через диэлектрик в этом случае протекают три тока: 1)емкостной ток, опережающий на 900 напряжение: Ic = U  С, где С - геометрическая емкость, измеренная при высокой частоте, когда нет релаксационной поляризация; 2)ток абсорбции с активной и реактивной составляющими вычисляется по формулам: Iаабс=UG 2 t2 / (2 t2 + 1); (49) Irабс=UG  t / (2 t2 + 1), (50) где U – приложенное напряжение; G – проводимость для сквозного тока из выражения G = U / icк при тангенсе угла фазы равном tg =  t; 3)сквозной ток находится из выражения iск =UG = U / Rиз (51) Диэлектрические потери твердых диэлектриков. С молекулярной структурой потери зависят от вида молекул. В неполярных молекулах и не устойчивой (Ван-дер-Ваальса) связью, вещества, не имеющие примеси, tg очень мал, оценивается электропроводностью, поэтому порядка 10-4. Это высокочастотные диэлектрики, как сера, парафин, полимеры и др. Для технических материалов с полярной молекулой и дипольно-релаксационной поляризацией потери значительные, т.е. явления электропроводности и поляризации повышают их до 10-3. К таким диэлектрикам можно отнести: целлюлозосодержащие материалы, материалы со стекловидной фазой (органические стекла); полиамиды (капрон и др.); каучуковые материалы (эбонит), фенолоформальдегидные смолы (бакелит и др). Диэлектрики с ионной структурой связаны с упаковкой ионов в решетке. Так tg  10-3 для диэлектриков с кристаллической решеткой и плотной упаковкой ионов при отсутствии примесей, когда проявляется явление электропроводности. Это характерно для керамики и каменной соли. А проявление релаксационных поляризаций ( ионной и электронной) в материалах с не плотной упаковкой ионов значительно повышает tg  10-2, когда проявляются электропроводность и ионно- и электронно- релаксационные поляризации. Термическая обработка (обжиг, закалка) стекла снижает tg, а наличие щелочных окислов (N2O, K2O) при отсутствии тяжелых металлов (BaO, PbO) вызывают повышение tg, однако, введение только тяжелых окислов металлов снижает tg, так как проявляются явления электропроводности и электронно-релаксационной поляризации. Сегнетоэлектрики и сложные, неоднородные структуры оцениваются более высокими диэлектрическими потерями, порядка tg 10-1. Здесь, наряду с электропроводностью, проявляется длительная спонтанная (сегнетова соль пьезоэлектрики, керамика) или миграционная (высоковольтная) (гетенакс, текстолит, фибра, пластические массы, миканит и др.) поляризации. Факторы, влияющие на диэлектрические потери Частотная и температурная зависимости диэлектрической проницаемости приведены на рисунке 12а и 12б. Рисунок 12 - а) Частотная зависимость диэлектрических потерь однородного 1, неоднородного 2 и композиционного диэлектрика; б) Температурная зависимость диэлектрических потерь однородного 1, неоднородного 2 и композиционного диэлектрика. Температура. Повышение температуры вызывает рост tg, если потери обусловлены проводимостью, т. к. при нагревании диэлектрика возрастает интенсивность смещения или перемещения зарядов (кривая 1 рисунка 12б). Если потери обусловлены поляризацией, то при росте температуры tg проходит через максимум. Это объясняется тем, что при низких температурах вязкость велика и потерь нет, а при высоких температурах вязкость мала и диполи смещаются, не испытывая трения (кривая 2 рисунка 12б). При наличии двух видов потерь, результирующие потери определяются сложной кривой 3 рисунка 12б. Частота. Увеличение частоты вызывает снижение tg, если потери обусловлены проводимостью (кривая 1 рисунка 12а). В этом случае активная составляющая тока, вызванная утечкой через диэлектрик, не меняется с изменением частоты, а реактивная (емкостной ток) растет пропорционально частоте, поэтому отношение активного тока к реактивному, т. е. tg, будет снижаться с увеличением частоты. Если потери вызваны поляризацией, то tg , будет иметь максимум (кривая 2 рисунка 12а). При низких частотах потери малы, т. к. скорость поворота диполей и смещение ионов при неплотной упаковки невелико, а, следовательно, мало и трение. При очень больших частотах диполи и ионы не успевают поворачиваться или смещаться вслед за частотой электрического поля и поэтому потери, малы. В сложных диэлектриках существуют потери обоих типов и tg получается путем суммирования обоих типов по кривой 3 рисунка 12а. Следовательно, tg с увеличением частоты падает, однако, это не означает, что активные потери снижаются, т. к. Pа = U I cos, где I  Ic = U  C; сos = sin  tg, т.е. Pа = U2  C tg. Снижение tg с ростом частоты меньше соответствует увеличению частоты, а следовательно и потерь с ростом частоты. Влажность. Появление влаги в любом агрегатном состоянии (эмульгированное, молекулярнорастворимое или газообразное) вызывает рост tg. Это объясняется тем, что у большинства диэлектриков при увлажнении снижается удельное сопротивление, т.е. увеличивается проводимость. Напряжение электрического поля. Если потери обусловлены ионизацией, то tg увеличивается с ростом напряжения, начиная с Uи, т.е. с напряжения ионизации газового включения. При отсутствии включений tg не зависит от U. Поэтому кривая зависимости tg = f(U) позволяет установить, асть ли воздушные включения в изоляции. Лекция 1.3.5.Газообразные, твердые и жидкие диэлектрики, их основные виды и свойства. Электроизоляционными материалами, или диэлектриками, называют такие материалы, с помощью которых осуществляют изоляцию, т. е. препятствуют утечке электрического тока между какими-либо токопроводящими частями, находящимися под разными электрическими потенциалами. Диэлектрики имеют очень большое электрическое сопротивление. По химическому составу диэлектрики делят на органические и неорганические. Основным элементов в молекулах всех органических диэлектриков является углерод. В неорганических диэлектриках углерода нет. Наибольшей нагревостойкостью обладают неорганические диэлектрики (слюда, керамика и др.). По способу получения различают естественные (природные) и синтетические диэлектрики. Синтетические диэлектрики могут быть созданы с заданным комплексом электрических и физико-химических свойств, поэтому они широко применяются в электротехнике. По строению молекул диэлектрики делят на неполярные (нейтральные) и полярные. Нейтральные диэлектрики состоят из электрически нейтральных атомов и молекул, которые до воздействия на них электрического поля не обладают электрическими свойствами. Нейтральными диэлектриками являются: полиэтилен, фторопласт-4 и др. Среди нейтральных выделяют ионные кристаллические диэлектрики (слюда, кварц и др.), в которых каждая пара ионов составляет электрически нейтральную частицу. Ионы располагаются в узлах кристаллической решетки. Каждый ион находится в колебательном тепловом движении около центра равновесия - узла кристаллической решетки. Полярные, или дипольные, диэлектрики состоят из полярных молекул-диполей. Последние вследствие асимметрии своего строения обладают начальным электрическим моментом еще до воздействия на них силы электрического поля. К полярным диэлектрикам относятся бакелит, поливинилхлорид и др. По сравнению с нейтральными диэлектриками полярные имеют более высокие значения диэлектрической проницаемости, а также немного повышенную проводимость. По агрегатному состоянию диэлектрики бывают газообразными, жидкими и твердыми. Самой большой является группа твердых диэлектриков. Электрические свойства электроизоляционных материалов оценивают с помощью величин, называемых электрическими характеристиками. К ним относятся: удельное объемное сопротивление, удельное поверхностное сопротивление, диэлектрическая проницаемость, температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, тангенс угла диэлектрических потерь и электрическая прочность материала. Удельное объемное сопротивление - величина, дающая возможность оценить электрическое сопротивление материала при протекании через него постоянного тока. Величина, обратная удельному объемному сопротивлению, называется удельной объемной проводимостью. Удельное поверхностное сопротивление - величина, позволяющая оценить электрическое сопротивление материала при протекании постоянного тока по его поверхности между электродами. Величина, обратная удельному поверхностному сопротивлению, называется удельной поверхностной проводимостью. Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления - величина, определяющая изменение удельного сопротивления материала с изменением его температуры. С повышением температуры у всех диэлектриков электрическое сопротивление уменьшается, следовательно, их температурный коэффициент удельного сопротивления имеет отрицательный знак. Диэлектрическая проницаемость - величина, позволяющая оценить способность материала создавать электрическую емкость. Относительная диэлектрическая проницаемость входит в величину абсолютной диэлектрической проницаемости. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости - величина, дающая возможность оценить характер изменения диэлектрической проницаемости, а следовательно, и емкости изоляции с изменением температуры. Тангенс угла диэлектрических потерь - величина, определяющая потери мощности в диэлектрике, работающем при переменном напряжении. Электрическая прочность - величина, позволяющая оценить способность диэлектрика противостоять разрушению его электрическим напряжением. Механическая прочность электроизоляционных и других материалов оценивается при помощи следующих характеристик: предел прочности материала при растяжении, относительное удлинение при растяжении, предел прочности материала при сжатии, предел прочности материала при статическом изгибе, удельная ударная вязкость, сопротивление раскалыванию. К физико-химическим характеристикам диэлектриков относятся: кислотное число, вязкость, водопоглощаемость. Кислотное число - это количество миллиграммов едкого калия, необходимое для нейтрализации свободных кислот, содержащихся в 1 г диэлектрика. Кислотное число определяется у жидких диэлектриков, компаундов и лаков. Эта величина позволяет оценить количество свободных кислот в диэлектрике, а значит, степень их воздействия на органические материалы. Наличие свободных кислот ухудшает электроизоляционные свойства диэлектриков. Вязкость, или коэффициент внутреннего трения, дает возможность оценить текучесть электроизоляционных жидкостей (масел, лаков и др.). Вязкость бывает кинематической и условной. Водопоглощаемость - это количество воды, поглощенной диэлектриком после пребывания его в дистиллированной воде в течение суток при температуре 20°С и выше. Величина водопоглощаемости указывает на пористость материала и наличие в нем водорастворимых веществ. С увеличением этого показателя электроизоляционные свойства диэлектриков ухудшаются. К тепловым характеристикам диэлектриков относятся: температура плавления, температура размягчения, температура каплепадения, температура вспышки паров, теплостойкость пластмасс, термоэластичность (теплостойкость) лаков, нагревостойкость, морозостойкость. Большое применение в электротехнике получили пленочные электроизоляционные материалы, изготавливаемые из полимеров. К ним относятся пленки и ленты. Пленки выпускают толщиной 5-250 мкм, а ленты - 0,2-3,0 мм. Высокополимерные пленки и ленты отличаются большой гибкостью, механической прочностью и хорошими электроизоляционными свойствами. Полистирольные пленки выпускают толщиной 20-100 мкм и шириной 8-250 мм. Толщина полиэтиленовых пленок обычно составляет 30-200 мкм, а ширина 230-1500 мм. Пленки из фторопласта-4 изготавливают толщиной 5-40 мкм и шириной 10-200 мм. Также из этого материала выпускают неориентированные и ориентированные пленки. Наиболее высокими механическими и электрическими характеристиками обладают ориентированные фторопластовые пленки. Полиэтилентерефталатные (лавсановые) пленки выпускают толщиной 25-100 мкм и шириной 50-650 мм. Полихлорвиниловые пленки изготавливают из винипласта и из пластифицированного полихлорвинила. Большей механической прочностью, но меньшей гибкостью обладают пленки из винипласта. Пленки из винипласта имеют толщину 100 мкм и более, а пленки из пластифицированного полихлорвинила - 20-200 мкм. Триацетатцеллюлозные (триацетатные) пленки изготавливают непластифицированными (жесткими), окрашенными в голубой цвет, слабо пластифицированными (бесцветными) и пластифицированными (окрашенными в синий цвет). Последние обладают значительной гибкостью. Триацетатные пленки выпускают толщиной 25, 40 и 70 мкм и шириной 500 мм. Пленкоэлектрокартон - гибкий электроизоляционный материал, состоящий из изоляционного картона, оклеенного с одной стороны лавсановой пленкой. Пленкоэлектрокартон на лавсановой пленке имеет толщину 0,27 и 0,32 мм. Его выпускают в рулонах шириной 500 мм. Пленкоасбестокартон - гибкий электроизоляционный материал, состоящий из лавсановой пленки толщиной 50 мкм, оклеенной с двух сторон асбестовой бумагой толщиной 0,12 мм. Пленкоасбестокартон выпускают в листах 400 х 400 мм (не менее) толщиной 0,3 мм. Лекция 1.3.6. Пробой диэлектриков Диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение, когда разрушаются молекулярные связи. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности; значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а значение напряженности электрического поля, соответствующее пробивному напряжению, - электрической прочностью диэлектрика. Пробой (длительный или кратковременный) диэлектрика приводит к потере диэлектрических свойств и образованию канала с высокой электрической проводимостью. Электрическая прочность диэлектрика определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя. Как правило, пробивное напряжение измеряется в киловольтах. Епр=Uпр / h, (52) где Епр - электрическая прочность диэлектрика, кВ/м; Uпр - пробивное напряжение, кВ; h - толщина диэлектрика в месте пробоя, м. На практике часто пользуются значениями пробивного напряжения, выраженными в мегавольтах, киловольтах или вольтах. Тогда электрическая прочность Епр будет выражаться так: 1 МВ/м = 1 кВ/мм = 106 В/м. Пробой в газообразных и жидких диэлектриках отличается от пробоя в твердых диэлектриках тем, что в силу подвижности частиц после снятия напряжения пробитый промежуток диэлектрика полностью восстанавливает свои диэлектрические свойства, т.е. первоначальное значение пробивного напряжения Uпр, при условии, что длительность и величина электрической дуги не были столь велики, чтобы вызвать необратимые изменения в диэлектрике или в токопроводящих частях аппарата. В большинстве случаев при возрастании толщины h диэлектрика значение уменьшается, а Uпр растет нелинейно. Для надежной работы диэлектрика в любых установках значение рабочего напряжения Uраб должно быть существенно меньше пробивного Uпр. Отношение Uпр / Uраб называется коэффициентом запаса электрической прочности изоляции. Электрическая прочность высококачественных твердых диэлектриков, как правило, выше, чем электрическая прочность жидких и газообразных диэлектриков. Поэтому если расстояние между ближайшими точками электродов по поверхности твердой изоляции ненамного превосходит расстояние по объему изоляции, то при повышении напряжения в первую очередь пробивается не изоляция, а происходит поверхностный пробой - перекрытие изоляции, т.е. разряд в прилегающем к твердой изоляции слое газообразного диэлектрика, например воздуха (перекрытие фарфоровых изоляторов). По физической природе различают несколько, видов пробоя диэлектриков, основными из которых являются следующие: - электрический; - электротепловой; - электромеханический; - электрохимический; - ионизационный. Для твердых диэлектриков явно выражены четыре вида пробоя: В общем случае чисто электрический пробой представляет собой непосредственное разрушение структуры диэлектрика силами электрического поля, воздействующими на электрически заряженные частицы диэлектрика; он развивается практически мгновенно. Поэтому, если пробой не произошел сразу после приложения электрического поля к диэлектрику, он должен выдержать это поле длительно. Исключением является напряжение Uпримп к пробивному напряжению длительного воздействия называется коэффициентом импульса Кимп для данной изоляции Кимп=Uпримп/Uпрдл. (53) Коэффициент импульса зависит от вида материала изоляции, формы и размеров диэлектрика. Для газов Кимп в неоднородном поле больше при прочих равных условиях. Электротепловой пробой (тепловой) связан с нагревом изоляции в электрическом поле и диэлектрическими потерями. Развитие теплового пробоя идет по следующей схеме: при некоторой разности потенциалов на электродах (например, Uраб) в диэлектрике выделяется тепловые потери, его температура повышается, увеличиваются потери и процесс продолжается до тех пор, пока диэлектрик не оплавиться или произойдет его обугливание (в зависимости от того термопластичный или термореактивный материал) и его собственная электрическая прочность упадет до такой величины, что произойдет пробой диэлектрика. Тепловой пробой, так же как и электрический может быть местным. Если удельная активная проводимость диэлектрика мала и температурный коэффициент Тк невелик, то при хороших условиях отвода тепла в окружающее пространство устанавливается тепловое равновесие между выделяющимся в диэлектрике теплом и его отводом в окружающую среду, и диэлектрик будет длительно работать при данном напряжении. При тепловом пробое Uпр зависит от частоты приложенного напряжения, уменьшаясь при значительных частотах и так же снижаясь при возрастании температуры. Электромеханический пробой сопровождается механическим разрушением и образованием микротрещин под действием электрического поля и механического давления электродов. Электрохимический пробой – вид медленно развивающегося пробоя, вызванного химическим изменением материала под действием электрического поля. Процесс этот часто связан со старением диэлектрика и является необратимым, особенно, в области дефекта. Ионизационный пробой объясняется действием на диэлектрик химически агрессивных веществ, образующихся в газовых порах диэлектрика при частичных разрядах в газе, а также эрозией диэлектрика на границе пор ионами газа. Пробой в газах - распространенный пробой, т.к. во многих электрических аппаратах, на линиях электропередач внешней изоляцией служит воздух или какой-нибудь газ. Пробой газов обусловлен явлениями ударной и фотонной ионизации. Электрическая прочность воздуха невелика в сравнении с жидкости и твердых диэлектриков. Явление пробоя газа зависит от степени однородности поля, в котором осуществляется пробой. При малых расстояниях между электродами, порядка нескольких микрон, электрическая прочность газов сильно увеличивается. Это объясняется тем, что из-за малости расстояния процесс ионизации затруднен, и ионизация наступает при более высоком напряжении. Экспериментально установлено, что пробивное напряжение любого газа пропорционально произведению давления газа Р на расстояние между электродами h (при Т = const). Эта зависимость носит название закона Пашена и иллюстрируется графиком на рис.13 Рисунок 13 - Зависимость электрической прочности воздуха от расстояния между электродами в однородном поле. Пробой жидких диэлектриков происходит при более высоких, чем в газе, значениях пробивного напряжения, при прочих равных условиях. Повышенная электрическая прочность жидкого диэлектрика обусловлена значительно меньшей длиной свободного пробега электронов в жидкости, чем в газах. Пробой технических жидкостей может быть связан с газовыми включениями, что вызывает ионизацию газа и местный перегрев жидкости, приводящей к образованию газового канала в ней. Вода в диэлектрике также сильно снижает электрическую прочность. Электрическая прочность сухого трансформаторного масла не зависит от температуры, когда начинают испаряться легкие фракции масла, образуя пузырьки газа в жидкости. Требования, предъявляемые к изоляционным маслам, нормируют все посторонние примеси в масле. У сухого масла Епр = 20 - 25 МВ/м, а у масла, бывшего в эксплуатации, Епр = 4 - 5 МВ/м. Для повторного использования масло подвергают регенерации. Пробой твердых диэлектриков может быть любой из четырех видов, в зависимости от характера электрического поля, структуры диэлектрика, наличия дефектов, условий его охлаждения и времени воздействия на него напряжения. Электрический пробой макроскопически однородных твердых диэлектриков - это чисто электронный пробой, время развития которого около десятка мс, он не обусловлен тепловой энергией. Чисто электрический пробой наблюдается, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь и отсутствует ионизация газовых включений. Такой пробой отмечается у монокристаллов щелочно-галлоидных соединений и у некоторых полимеров. В этом случае Епр = 100 МВ/м и даже больше. Для однородных материалов значения пробивного напряжения в однородном и неоднородном электрическом поле заметно отличаются друг от друга. Для случая электрического пробоя неоднородных диэлектриков развитие его тоже достаточно быстрое, но значения для неоднородных диэлектриков (в том числе и с газовыми включениями) в однородном и неоднородном электрическом поле отличаются друг от друга незначительно. Электрическая прочность при электрическом пробое не зависит от температуры, но после достижения температурой некоторых определенных значений заметно уменьшается: это говорит о наличии теплового пробоя. Низкая электрическая прочность наблюдается у диэлектриков с открытыми порами (дерева, бумаги, неглазурованной керамики) и мало отличается от газов. Для диэлектриков с закрытыми порами - плотной бумаги, глазурованной керамики - характерна высокая электрическая прочность. Тепловой пробой отличается от электрического тем, что электрическая прочность при тепловом пробое является характеристикой не только электротехнического материала, но и изделия из него, тогда как Епр при электрическом пробое, является характеристикой только самого материала. 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 Uпр полагаем, что пробой происходит при повышенных температурах и в диэлектрике преобладают потери от сквозной электропроводности. Таким образом, учитывая экспоненциальную зависимость тангенса потерь (tg) от температуры и используя выражение Ра = U  С-tg, после преобразований получим Pа =U2f  S tg e(t – t0) / (1,8 1010 h), (54) где U - приложенное напряжение; f - частота; . - диэлектрическая проницаемость материала; S - площадь электрода; tg - тангенс угла потерь диэлектрика при t0 - температуре окружающей среды; - температурный коэффициент тангенса угла потерь; t - температура нагретого за счет диэлектрических потерь материала; t0 - 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  S (t - t0 ). (55) где  - коэффициент теплопередачи системы диэлектрик - металл электродов. Напряжение U , при котором имеет место неустойчивый режим - граничный режим, можно принять за напряжение пробоя Uпр. Его значение можно определить по двум условиям: Ра=Рt, (56) dPa/dt= dPt / dt. (57) Решая эти два уравнения относительно Ui с учетом выше обозначенных значений для Ра и Рt, получаем: U2ftg S e(t – t0) / (1,8 1010 h) = 2  S (t – t0), (58) U2ftg S e(t – t0) / (1,8 1010 h) = 2  S. (59) Разделив эти два выражения, получим 1 /  = t – t0, тогда, подставив его в последнее выражение и решив его относительно U, получим U2пр=1,8 1010 2  h / (f  tg ) (60) или Uпр=К (  h / (f  tg )1/2, (61) где К – числовой коэффициент, равный 1,15 105, 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 ( больше), частота ниже, а  и tg меньше. При больших , tg и при высоких частотах, а также при большом температурном коэффициенте тангенса угла потерь пробивное напряжение будет ниже. Этот расчет, пригодный только для одномерного потока теплоты, называется графоаналитическим и является приближенным, В нем не учтены перепад температуры по толщине диэлектрика (искажение электрического поля и повышение градиента напряжения в поверхностных слоях), а также теплопроводность материала электродов. Поэтому тепловой пробой часто наступает при напряжении ниже расчетного. Более точные методы расчета разработаны академиками Н.Н. Семеновым и ВА. Фоком только для изделий простейшей конфигурации. 1.4. Магнитные материалы Лекция 1.4.1. Магнитные свойства вещества Все вещества — твердые, жидкие и газообразные в зависимости от магнитных свойств делят на три группы: ферромагнитные, парамагнитные и диамагнитные. К ферромагнитным материалам относят железо, кобальт, никель и их сплавы. Они обладают высокой магнитной проницаемостью, в тысячи и даже десятки тысяч раз большей магнитной проницаемости неферромагнитных веществ, и хорошо притягиваются к магнитам и электромагнитам. К парамагнитным материалам относят алюминий, олово, хром, марганец, платину, вольфрам, растворы солей железа и др. Относительная магнитная проницаемость у них несколько больше единицы. Парамагнитные материалы притягиваются к магнитам и электромагнитам в тысячи раз слабее, чем ферромагнитные материалы. Диамагнитные материалы к магнитам не притягиваются, а, наоборот, отталкиваются. К ним относят медь, серебро, золото, свинец, цинк, смолу, воду, большую часть газов, воздух и пр. Относительная магнитная проницаемость у них несколько меньше единицы. Магнитные свойства ферромагнитных материалов. Ферромагнитные материалы благодаря их способности намагничиваться широко применяют при изготовлении электрических машин, аппаратов в других электротехнических установок. Основными характеристиками их являются: кривая намагничивания, ширина петли гистерезиса и потери мощности при перемагничивании. Кривая намагничивания. Процесс намагничивания ферромагнитного материала можно изобразить в виде кривой намагничивания (рис. 14, а), которая представляет собой зависимость индукции В от напряженности Н магнитного поля. Так как напряженность магнитного поля определяется силой тока, посредством которого намагничивается ферромагнитный материал, эту кривую можно рассматривать как зависимость индукции от намагничивающего тока I. Кривую намагничивания можно разбить на три участка: Оа, на котором магнитная индукция возрастает почти пропорционально намагничивающему току (напряженности поля); аб, на котором рост магнитной индукции замедляется («колено» кривой намагничивания), и участок магнитного насыщения за точкой б, где зависимость В от H становится опять прямолинейной, но характеризуется медленным нарастанием магнитной индукции при увеличении напряженности поля по сравнению с первым и вторым участками кривой. Следовательно, при большом насыщении ферромагнитные вещества по способности пропускать магнитный поток приближаются к неферромагнитным материалам (магнитная проницаемость их резко уменьшается). Магнитная индукция, при которой происходит насыщение, зависит от рода ферромагнитного материала. Рисунок 14 - Кривая намагничивания ферромагнитного материала (а) и петля гистерезиса (б) Чем больше индукция насыщения ферромагнитного материала, тем меньший намагничивающий ток требуется для создания в нем заданной индукции и, следовательно, тем лучше он пропускает магнитный поток. Магнитную индукцию в электрических машинах, аппаратах и приборах выбирают в зависимости от предъявляемых к ним требований. Если необходимо, чтобы случайные колебания намагничивающего тока мало влияли на магнитный поток данной машины или аппарата, то выбирают индукцию, соответствующую условиям насыщения (например, в генераторах постоянного тока с параллельным возбуждением). Если желательно, чтобы индукция и магнитный поток изменялись пропорционально намагничивающему току (например, в электроизмерительных приборах), то выбирают индукцию, соответствующую прямолинейному участку кривой намагничивания. Перемагничивание ферромагнитных материалов, петля гистерезиса. Большое практическое значение, особенно в электрических машинах и установках переменного тока, имеет процесс перемагничивания ферромагнитных материалов. На рис. 14, б показан график изменения индукции при намагничивании и размагничивании ферромагнитного материала (при изменении намагничивающего тока I или напряженности магнитного поля Н). Как видно из этого графика, при одних и тех же значениях напряженности магнитного поля магнитная индукция, полученная при размагничивании ферромагнитного тела (участок а—б—в), будет больше индукции, полученной при намагничивании (участки О — а и д — а). Когда напряженность поля (намагничивающий ток) будет доведена до нуля, индукция в ферромагнитном материале не уменьшится до нуля, а сохранит некоторое значение Вr соответствующее отрезку Об. Это значение называется остаточной индукцией. Явление отставания, или запаздывания, изменений магнитной индукции от соответствующих изменений напряженности магнитного поля называется магнитным гистерезисом, а сохранение в ферромагнитном материале. магнитного поля после прекращения протекания намагничивающего тока — остаточным магнетизмом. При изменении направления намагничивающего тока можно полностью размагнитить ферромагнитное тело и довести магнитную индукцию в нем до нуля. Обратная напряженность Нс, при которой индукция в ферромагнитном материале уменьшается до нуля, называется коэрцитивной силой. Кривую О—а, получающуюся при условии, что ферромагнитное вещество было предварительно размагничено, называют первоначальной кривой намагничивания. Следовательно, при перемагничивании ферромагнитного вещества, например при постепенном намагничивании и размагничивании стального сердечника электромагнита, кривая изменения индукции будет иметь вид петли; ее называют петлей гистерезиса. Влияние ферромагнитных материалов на распределение магнитного поля. Если поместить в магнитное поле какое-либо тело из ферромагнитного материала, то магнитные силовые линии будут входить и выходить из него под прямым углом. В самом теле и около него будет иметь место сгущение силовых линий, т. е. индукция магнитного поля внутри тела и вблизи него возрастает. Если выполнить ферромагнитное тело в виде кольца, то во внутреннюю его полость магнитные силовые линии практически проникать не будут (рис. 15) и кольцо будет служить магнитным экраном, защищающим внутреннюю полость от влияния магнитного поля. На этом свойстве ферромагнитных материалов основано действие различных экранов, защищающих электроизмерительные приборы, электрические кабели и другие электротехнические устройства от вредного воздействия внешних магнитных полей. Рисунок 15 - Распределение магнитных силовых линий в кольце из ферромагнитного материала Магнитная проницаемость В технике используется несколько десятков видов магнитной проницаемости в зависимости от конкретных применений магнитного материала. Магнитная индукция и напряженность поля в изотропной среде связаны простым соотношением , (62) где - абсолютная магнитная проницаемость, характеризующая магнитные свойства среды. Сравнивая магнитное поле тока в проводе, расположенном в данной среде и в вакууме, установили, что в зависимости от свойств среды (материала) поле получается более интенсивным, чем в вакууме (парамагнитные материалы), или наоборот, менее интенсивным (диамагнитные материалы). Таким образом, интенсивность магнитного поля, т.е. индукция В, зависит от среды, в которой существует поле. Абсолютная магнитная проницаемость вакуума называется магнитной постоянной . В системе СИ для нее принято значение Ом·с/м. Абсолютную магнитную проницаемость различных материалов и сред сравнивают с магнитной постоянной. Отношение абсолютной магнитной проницаемости какого-либо материала к магнитной постоянной называется магнитной проницаемостью (или относительной магнитной проницаемостью), так что . (63) Магнитная проницаемость – отвлеченное число. Для диамагнитных материалов и сред <1, например, для меди =0,999995. Для парамагнитных материалов >1, например для воздуха =1,0000031. При технических расчетах магнитная проницаемость диамагнитных и парамагнитных материалов и сред принимается равной единице. У ферромагнитных материалов, играющих исключительную роль в электротехнике, магнитная проницаемость достигает десятков тысяч и зависит от магнитных свойств материала, температуры, интенсивности магнитного поля, т.е. величины индукции или от величины напряженности магнитного поля. Зависимость . Начальная и максимальная проницаемости являются частными случаями нормальной проницаемости , (64) . (65) При одновременном воздействии на магнитный материал постоянного и магнитных полей и обычно, при условии << вводят понятие дифференциальной проницаемости . (66) Зависимость . Характер этой зависимости различен в слабых, средних и сильных полях. Для при наблюдается четко выраженный максимум, сглаживающийся при увеличении напряженности поля на рисунке 16. Возрастание объясняется тем, что при нагревании облегчается смещение доменных границ и поворот векторов намагниченности доменов. Главным образом из-за уменьшения констант магнитострикции и магнитной анизотропии. Уменьшение при высоких температурах связывается с резким уменьшением спонтанной намагниченности доменов. Рисунок 16 - Зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля Н Потери в магнитных материалах В переменных полях площадь петли гистерезиса увеличивается за счет потерь на гистерезис и дополнительных потерь . Такая петля называется динамической, а суммарные потери полными или суммарными. Потери на гистерезис, отнесенные к единице объема материала (удельные потери). , Дж/м³. (67) При перемагничивании с частотой f (Гц) , Вт/кг, (68) где - плотность материала, кг/м³. Рисунок 17 - Зависимость магнитной проницаемости от температуры Т <<< - соответствует , - соответствует области насыщения Потери на вихревые токи для листового образца , (69) где -амплитуда магнитной индукции, Тл; f - частота переменного тока, Гц; d - толщина листа, м; - плотность, кг/м³; - удельное электросопротивление, Ом·м Дополнительные потери или потери на магнитную вязкость (магнитное последействие) обычно находят как разность между полными потерями и суммой потерь на гистерезис и вихревые токи . (70) Магнитная вязкость зависит от времени действия магнитного поля (рис.18) J при включении магнитного поля Н быстро достигает значения J1, а затем со временем возрастает в соответствии с формулой , (71) где Jno – намагниченность при t , - время релаксации. В магнитотвердых материалах время магнитной релаксации может достигать нескольких минут. Такое явление называют сверхвязкостью. Тангенс угла магнитных потерь используется в переменных полях. Его можно выразить через параметры эквивалентной схемы. Рисунок 18 - Зависимость намагничивания J магнитного материала от времени действия магнитного поля t Индуктивную катушку с сердечником из магнитного материала представляют в виде последовательной схемы из индуктивности L и активного сопротивления R. Пренебрегая собственной емкостью и сопротивлением обмотки катушки, получаем . (72) Активная мощность , где ; -магнитная восприимчивость (73) Лекция 1.4.2. Определение и основные характеристики магнитных материалов. Магнитные материалы, вещества, магнитные свойства которых обусловливают их применение в технике (электротехнике, вычислительной технике, электронике, радиотехнике и других областях). Hаибольшее применение находят магнитоупорядоченные вещества: ферро-, ферри- и антиферромагнетики. К ферромагнетикам относятся в основном металлы и сплавы Fe, Co и Сu, РЗЭ (Nd, Sm, Gd, Tb, Dy и др.), некоторые соединения Mn и Сr, например MnBi, MnAl, CrPt; Магнитные материалы могут быть металлы (в основном ферромагнетики), диэлектрики и полупроводники (главным образом ферри- и антиферромагнетики. Основная характеристика магнитных материалов - намагниченность М, которая определяется как магнитный момент единицы объема вещества. Единица намагниченности в СИ - А/м. Зависимость М от напряженности поля H для ферро- и ферримагнетиков определяется кривой намагничивания с петлей гистерезиса (рис.19). Если напряженность поля достаточна для намагничивания образца до насыщения, соответствующая петля гистерезиса называют предельной; множество др. возможных петель, получаемых при меньших значениях H и лежащих внутри предельной петли, называют частными (непредельными). Если до начала действия внешнего поля образец был полностью размагничен, кривая зависимости М от H называют основной кривой намагничивания. Рисунок 19 – Петля гистерезиса Кривые намагничивания и размагничивания ферромагнетика: Н - напряженность внешнего магнитного поля; М-намагниченность образца; Нc - коэрцитивная сила; Мr - остаточная намагниченность; Мs - намагниченность насыщения; 1 - предельная петля гистерезиса; 2 - непредельная (частная) петля; 3 - начальная кривая намагничивания. Другие важные параметры магнитных материалов: 1. Остаточная намагниченность Мr [или остаточная магнитная индукция Вr, единица измерения - тесла (Тл)]; количественно оценивается величиной намагниченности, сохраняющейся в образце после того, как он был намагничен внешнем магнитным полем до насыщения, а затем напряженность поля сведена до нуля. Величина Мr (Вr) существенно зависит от формы образца, его кристаллической структуры, температуры, мех. воздействий (удары, сотрясения и т.п.) и других факторов. 2. Коэрцитивная сила Hс; измеряется в А/м; количественно определяется как напряженность поля, необходимая для изменения намагниченности тела от значения Мr до нуля. Зависит от магнитной, кристаллографической и других видов анизотропии вещества, наличия дефектов. способа изготовления образца и его обработки, а также внеш. условий, например температуры. 3. Oтносительная магнитная проницаемость m; характеризует изменение магнитной индукции В среды при воздействии поля H; связана с магнитной восприимчивостью c соотношением: m = 1 + c (в СИ). В ферромагнетиках и ферритах m сложным образом зависит от H; для описания этой зависимости вводят понятия дифференциальной (mдиф), начальной (mн) и максимальной (mмакс) проницаемостей. 4. Максимальная удельная магнитная энергия Wмакс (в Дж/м3) или пропорциональная ей величина (BH)макс на участке размагничивания петли гистерезиса. 5. Намагниченность насыщения Мs (или магнитная индукция насыщения Bs). 6. Кюри точка ТK.  7. Уд. электрическое сопротивление r (в Ом • м). В ряде случаев существенны и др. параметры, например температурные коэффициенты остаточной индукции и коэрцитивной силы, характеристики временной стабильности основных параметров.  Из аморфных магнитных материалов наиболее распространены материалы на основе Fe, Ni, Со с аморфизующими добавками В, Р, С, Si, Ge, а также аморфные сплавы РЗЭ с Fe и Со. Аморфные магнитные материалы получают из жидкой фазы сверхбыстрым охлаждением (скорость охлаждения св. 105 К/с) либо осаждением из газовой фазы на холодную подложку. При нагревании до 300-450°С аморфные магнитные материалы переходят в кристаллическое состояние. Для многих технических приложений, главным образом в электротехнике и радиоэлектронике, необходимы магнитные материалы, обладающие большой величиной остаточной намагниченности. В зависимости от величины коэрцитивной силы различают магнитомягкие и магнитотвердые магнитные материалы.  Магнитомягкие магнитные материалы намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сравнительно слабых магнитных полях (не св. 4 кА/м). Для них характерны высокие значения магнитной проницаемости (mмакс достигает 106), узкая петля магнитного гистерезиса, малые потери энергии при перемагничивании.  Магнитомягкими магнитными материалами являются: 1) электротехническое железо и стали (низкоуглеродистые и кремнистые); 2) кристаллические сплавы на основе Fe-Ni - в т.ч. бинарные (пермаллои) и легированные Мо (суперпермаллои), Mn (муметалл), Сr, Ti, Nb, Сu, Аl (изопермы); на основе Fe-Co с добавками V (пермендюры); на основе Fe-Ni-Co с добавками Mn и Сr (перминвары); на основе Fe-Al (алферы, алфенолы) и Fe-Si-Al (альсиферы, сендасты и др.); 3) аморфные сплавы на основе Fe (типа 80% Fe, 20% В), Fe-Ni (типа 40% Fe, 40% Ni, 20% SiB), Co-Fe (типа 70% Co, 5% Fe, 10% Si, 15% B), Co-Zr, Co-Zr-Mo; 4) ферриты-шпинели, ферриты-гранаты, ортоферриты (со структурой перовскита); 5) композиты ферромагнитного металлического порошка (карбонильное железо, пермаллой. алсифер) с диэлектрическим связующим на основе смол (напр., шеллака), полистирола, жидкого стекла, талька и т.п. (магнитодиэлектрики). Металлические магнитомягкие магнитные материалы обладают наибольшими значениями магнитной проницаемости (напр., у суперпермаллоя mмакс = 106 при коэрцитивной силе Hс = 0,3 А/м) и магнитной индукции насыщения (напр., у пермендюра Bs = 2,4 Тл), температурной стабильностью свойств. Аморфные сплавы (обычно изготовляют в виде тонкой ленты) сочетают высокие магнитные свойства с хорошими прочностными характеристиками, коррозионной стойкостью, температурной и деформационной стабильностью. Ферриты и магнитодиэлектрики характеризуются сравнительно небольшими значениями магнитных характеристик (начальная магнитная восприимчивость mн = 5.104 - 2.104, Bs = 0,3-0,5 Тл, Hс = 3.103 А/м) и высоким удельным электрическим сопротивлением (r ~ 1014 Ом.м). Магнитные и электрические свойства ферритов можно регулировать изменением хим. состава, режимов спекания и термообработки.  Магнитомягкие магнитные материалы применяют для изготовления магнитопроводов, трансформаторов и магнитных усилителей, дросселей, реле, дефектоскопов, магнитных головок для видео- и звукозаписи, магнитных экранов, сердечников высокодобротных катушек индуктивности (в колебательных контурах, электрических фильтрах, элементах памяти и др.), линий задержки. Рисунок 20 - Типы изделий из магнитомягких материалов Металлические магнитные материалы используют в основном для работы на частотах переменного поля до нескольких десятков кГц, т.к. из-за относительно низкого удельного электрического сопротивления при повышении рабочей частоты в них резко возрастают вихревые токи. Это приводит к снижению эффективного сечения магнитопроводов и повышению потерь на перемагничивание. Ферриты используют для работы на частотах до нескольких МГц. Композиционные Магнитные материалы применяют для создания экранирующих устройств от СВЧ полей; металлические компоненты материалов используют в виде пленок или мелкодисперсных порошков. Многокомпонентные слоистые материалы с ферромагнитной составляющей позволяют создавать поглотители полей с минимальными геометрическими размерами.  Магнитотвердые магнитные материалы (магнитожесткие, высококоэрцитивные Магнитные материалы) намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в относительно сильных магнитных полях (св. 4 кА/м). Высококоэрцитивными магнитные материалы иногда наз. только Магнитные материалы с коэрцитивной силой Нс > 20 кА/м. Магнитотвердые Магнитные материалы применяют как постоянные магниты, в качестве носителей магнитной памяти, в гистерезисных двигателях, различных механических удерживающих устройствах, в узлах радиоаппаратуры и др.  Выделяют следующие группы магнитотвердых магнитных материалов: 1. Стали, закаливаемые на мартенсит (углеродистые, легированные Сr, W, Со). Они обладают сравнительно малыми Hс(4-12 кА/м) и Wмакс (0,6-1,4 кДж/м3). 2. Диффузионно-твердеющие сплавы на основе Fe-Ni-Аl (ални) с добавками Со, Сu, Ti и др. Значения магнитных параметров этой группы магнитных материалов зависят от состава и наличия текстуры (кристаллографической, магнитной). В целом они характеризуются умеренными значениями Нс (36-145 кА/м), высокими значениями Вr (0,5-1,4 Тл) и Wмакс (3,6-40 кДж/м3), наименьшими из всех магнитных материалов температурными коэффициентами основных параметров (температурный диапазон использования до 770 К); эти магнитные материалы хрупки, обрабатываются только шлифованием.  3. Дисперсионно-твердеющие сплавы Fe-Ni-Сu (кунифе), Co-Ni-Cu (кунико), Fe-Co-V (викаллой), Fe-Cr-Co и др. По своим магнитным свойствам они близки к диффузионно-твердеющим сплавам, но менее хрупки и подвергаются обработке давлением, а некоторые - и термомагнитообработке. Применение диффузионно-твердеющих и дисперсионно-твердеющих сплавов ограниченно из-за дефицитности ряда компонентов (особенно Со).  4. Сплавы с использованием благородных металлов (напр., Pt, Ir, Pd) с высокими значениями коэрцитивной силы (до 400 кА/м). Применение их также весьма ограниченно из-за высокой стоимости. Сплавы Co-Pt, однако, применяют для изготовления сверхминиатюрных магнитов, т.к. они обладают высокой пластичностью, допускающей холодную вытяжку в тонкую проволоку. 5. Бариевые и стронциевые ферриты с гексагональной кристаллической решеткой и кобальтовый феррит со структурой шпинели. Характеризуются сравнительно низкими значениями Вr (0,19-0,42 Тл), весьма высокими Hc (130-350 кА/м) и Wмакс (3-18 кДж/м3), температурной стабильностью (вплоть до 700 К), высоким удельным электрическим сопротивлением. Последнее обусловливает их широкое применение при высоких частотах переменного поля. Достоинство всех магнитотвердых ферритов - высокое удельное электрическое сопротивление, позволяющее применять их при высоких частотах переменного поля. Доступность компонентов гексагональных бариевых и стронциевых ферритов, возможность автоматизации производства постоянных магнитов из них и невысокая стоимость обусловили широкое применение этих магнитных материалов в различных областях техники. Основной недостатки ферритовых магнитных материалов - высокая твердость, хрупкость, ограниченный температурный диапазон использования (230-500 К).  6. Интерметаллические соединения металлов группы железа с РЗЭ. Обладают очень высокой кристаллической анизотропией. Распространены бинарные сплавы "редкая земля - кобальт", например SmCo5, квазибинарные соединения "2-17" типа R2(CoFe)17. На основе таких сплавов разработаны магнитные материалы с рекордными значениями Hс (640-1300 кА/м) и Wмакс (55-80 кДж/м3) при достаточно высоких Вr (0,77-1,0 Тл) и удовлетворит. характеристиках температурной стабильности. Недостатки этих Магнитные материалы - высокая твердость, хрупкость, дороговизна. Применяют их в основном в таких системах, где важно снижение массы и габаритных размеров магнитов. Разработаны также составы типа "редкая земля - железо - бор", например Nd2Fe14B, (YEr)2Fe14B. Такие магнитные материалы не только обладают высокими значениями магнитной энергии (BH)макс но и значительно дешевле, чем SmCo5.  7. Композиционные магнитные материалы на основе порошкообразных ферритов и интерметаллических веществ (5-я и 6-я группы) и связующего. Различают магнитопласты (связующее - пластическая масса) и магнитоэласты (связующее - каучук). Из-за сравнительно большого количества немагнитных компонентов эти магнитные материалы по своим магнитным параметрам хуже, чем материал исходного порошка, но они значительно более технологичны и позволяют изготовлять магниты сложной формы.  8. Материалы для магнитной записи, получаемые нанесением магнитных материалов в виде тонкой пленки или тонкодисперсного порошка на немагнитную подложку. Используют порошки оксидов переходных металлов, ферритов или покрытия из сплавов Co-Ni, Co-Pt, Co-W, Co-Ni-P, Co-Ni-Cr, Со-Сr и др., получаемые вакуумным напылением, гальванопластическим или химическим осаждением. При создании таких магнитных материалов стремятся получить наибольшую Вr и умеренную Нс (обычно 20-80 кА/м в зависимости от плотности записи, способа записи информации и т. п.). Перспективными материалами для магнитооптической записи информации являются высококоэрцитивные аморфные пленки на основе соединений типа "редкая земля -железо - кобальт" (Tb-Fe, Cd-Tb-Co, Tb-Gd-Fe-Co, Nd-Dy-Fe-Со); их коэрцитивная сила Нс = (1 - 5).105 А/м.