Основы строения материалов

ЛЕКЦИЯ № 1 Введение Развитие электротехники, радиотехники, электроники требует использования материалов, обладающих определенными свойствами и качествами. Для того, чтобы правильно использовать эти материалы, необходимо знание их физических, механических и химических характеристик. Материалы, используемые в различных отраслях электротехники, можно подразделить на конструкционные и электротехнические. Из конструкционных материалов изготовляют вспомогательные детали и элементы радиоприборов, выполняющих в основном роль механических нагрузок 6 корпуса, шасси, шкалы, элементы управления и т.д. Электрорадиоматериалы необходимы для изготовления проводов, кабелей, волноводов, антенн, изоляторов, конденсаторов, резисторов, катушек индуктивности, трансформаторов, электродвигателей, магнитопроводов, диодов, транзисторов, электронных ламп, приемников света и т.д. От их свойств зависит работа электрической схемы прибора: генерация, передача, выпрямление, усиление и модуляция электрического тока, образование электрической изоляции и др. В различных случаях при работе приборов на электрорадиоматериалы воздействуют электрическое и магнитное поля. По поведению в электрическом поле электротехнические материалы подразделяются на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические. По поведению в магнитном поле на магнитные и немагнитные. Основным свойством вещества по отношению к электрическому полю является электропроводность, то есть способность проводить электрический ток под воздействием постоянного, то есть не изменяющегося во времени электрического напряжения. Если вещество находится в электрическом поле напряженностью Е, то имеющиеся в веществе свободные заряженные частицы – носители заряда – под действием силы поля F = qE, где q – заряд частицы, приобретают ускорение в направлении вектора поля Е (положительные заряды) или противоположное (отрицательные заряды). Упорядоченное в пространстве движение электрических зарядов представляет собой электрический ток в веществе. Для носителей заряда одного вида плотность тока J, то есть электрический заряд, переносимый за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной к Е определится как: J = qNvэ, (1) Где N – концентрация носителей заряда м-3, vэ – средняя скорость упорядоченного движения носителей. Обычно скорость пропорциональна напряженности поля: vэ = E (2) где  - подвижность носителей м2/Вс. С учетом выражения (2) плотность тока можно представить: J = qNE = E = E/ (3) Где  =qN - удельная электрическая проводимость См/м,  = 1/ - удельное электрическое сопротивление Ом/м. Выражение (3) представляет собой закон Ома в дифференциальной форме. Параметры  и  определяют также рассеяние электрической энергии в веществе. Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме определяет количество энергии электрического поля, превращающегося в тепло за единицу времени в единице объема вещества: Р = Е2 = Е2/ Вт/м3 (4) Значения удельных сопротивления и проводимости для различных материалов отличаются в очень широких пределах. К проводникам относят вещества с удельным сопротивлением менее 10-5 Ом/м, они применяются для проведения электрического тока. К диэлектрикам относят вещества с удельной проводимостью более 107 Ом/м. Они используются в качестве электроизоляционных материалов, в этом случае их задача препятствовать прохождению электрического тока по путям, нежелательным для данного устройства. К полупроводникам относят вещества, удельная проводимость которых составляет 10-6 – 109 Ом/м, они используются для управления температурой, напряжением, освещенностью и другими факторами. Курс «Электротехнические материалы» ставит перед собой следующие задачи: 1.Рассмотрение теоретических основ, из которых надо исходить при изучении и испытании материалов, применяемых в электротехнике. 2.Установление классификации электротехнических материалов по их назначению, составу и свойствам. 3.Изучение основных характеристик, служащих для оценки пригодности материалов при их использовании в электротехнике. Основы строения материалов. Физические и электротехнические свойства материалов определяются структурой и строением атомов и молекул из которых они состоят. Рассмотрим, как связь между атомами в молекуле влияет на свойства вещества. 1.Виды связи. Итак, все вещества состоят из атомов и молекул. Атом любого вещества состоит из положительно заряженного ядра, составными частями которого являются протоны и нейтроны. Ядро окружено несколькими электронными оболочками, несущими отрицательный заряд. Каждая оболочка заполнена строго определенным количеством электронов, сильно связанных с ядром, и только на последней оболочке находится несколько электронов, слабо связанных с ядром. Их количество определяет валентность вещества. С помощью этих валентных электронов атомы устанавливают связи и взаимодействуют с атомами других веществ. Атомы могут терять электроны, слабо связанные с ядром при воздействии каких-либо внешних факторов (соударение, облучение и т.д.), либо присоединять электроны. Если атом потерял или присоединил электрон, то получается соответственно положительный или отрицательный ион. При этом размеры и масса положительного иона меньше, чем у нейтрального атома, а отрицательного иона – больше. Число атомов в молекуле может быть различным от одноатомных веществ (гелий, аргон, неон) и двухатомных (азот, водород, кислород) до сложных многоатомных молекул. В зависимости от строения внешних электронных оболочек могут возникать различные виды связи атомов в молекуле. Ковалентная – связь атомов друг с другом, возникающая за счет электронов, которые становятся общими для двух атомов. То есть электрон внешней оболочки вращается вокруг ядер обоих атомов. + Такая связь существует в случае одинаковых, незаряженных атомов (например, молекула водорода). При этом центры тяжести положительных или отрицательных зарядов могут совпадать или не совпадать. Если эти центры совпадают, то молекулы называются нейтральными, если не совпадают, то молекула будет полярной или дипольной. Ионная - определяется силами притяжения между положительными и отрицательными ионами. Такой тип связи возникает в щелочно-галоидных соединениях, например в молекуле NaCl. При образовании такой связи единственный валентный электрон натрия переходит на атом хлора, у которого не хватает одного электрона, вследствие чего образуются два иона: Na+ и Cl- , притягивающиеся друг к другу. Твердые тела ионной структуры характеризуются повышенной механической прочностью и относительно высокой температурой плавления. Металлическая - приводит к образованию твердых кристаллических тел. Металлы можно рассматривать как системы, построенные из расположенных в узлах решетки положительно заряженных атомных остовов, между которыми перемещаются свободные электроны. Наличие свободных электронов приводит к высокой электропроводности и теплопроводности металлов. Молекулярная связь (Ван Дер-Ваальса) – существует у ряда веществ между молекулами с ковалентными молекулярными связями. Межмолекулярное притяжение в этом случае обусловлено согласованным движением валентных электронов в соседних молекулах. В любой момент времени электроны максимально удалены друг от друга и максимально приближены к ядру. В результате силы притяжения между электроном и ядром превышают силы отталкивания между электронами. Такие связи очень непрочные, и кристалличес- кая решетка легко разрушается. 2. Строение твердых тел. Твердые материалы по структуре могут быть монокристаллическими, поликристаллическими, аморфными и смешанными. Монокристаллы однородные анизотропные тела, которые характеризуются правильным порядком в расположении атомов во всем объеме и состоят из периодически повторяющихся одинаковых кристаллических ячеек. Поликристаллы – материалы, состоящие из большого количества сросшихся друг с другом мелких кристаллических зерен, хаотически ориентированных в разных направлениях. Аморфные – материалы, у которых отсутствует строго упорядоченное расположение атомов. Это затвердевшие жидкости, стекла, смолы. Смешанные (аморфно-кристаллические) – частично закристаллизованные аморфные. Такую структуру имеют многие полимеры, ситаллы. Большинство веществ в твердом состоянии обладают кристаллической структурой. Располагаясь в пространстве, ближайшие друг к другу атомы образуют контур какого-нибудь геометрического тела, например, куба. Каждый кристалл состоит из множества таких одинаково ориентированных геометрических тел, называемых элементарными ячейками. Совокупность этих ячеек представляет собой кристаллическую решетку. Кристаллические решетки могут иметь различную структуру. Различают 32 класса различных видов симметрии, которые объединяют 230 возможных пространственных групп. Причина образования той или иной решетки зависит в основном от размеров атома и электронной конфигурации его внешних оболочек. Правильный кристалл имеет кристаллическую решетку со строго периодичным электростатическим полем. Наиболее высоким порядком расположения частиц отличаются химические соединения в твердом (кристаллическом) состоянии. Относительный порядок наблюдается в случае твердых растворов кристаллических веществ и в стеклообразном состоянии. Полное отсутствие порядка в расположении частиц у аморфных тел. 3.Дефекты твердых тел. Дефекты строения вещества обусловливают особые физические свойства материалов, которые широко используются в технике. К дефектам кристаллического твердого тела относятся любые нарушения периодичности электростатического поля кристаллической решетки: нарушение стехиометрического состава, наличие посторонних примесей, механически напряженные участки структуры, дополнительные кристаллографические плоскости ( дислокации, трещины, поры). Вакансией называется незаполненный по той или иной причине узел кристаллической решетки. В местах нахождения вакансий кристаллическая решетка искажена, там возникают местные внутренние напряжения, которые обусловлены нарушениями неоднородности сил межатомного взаимодействия, существующей в идеальной кристаллической решетке. Внедренные атомы. В отдельных ячейках кристаллической решетки между ее узлами по каким-либо причинам могут оказаться лишние атомы данного или другого элемента. Внедренные атомы также искажают кристаллическую решетку и создают внутренние напряжения. Дислокации – это линейные несовершенства кристаллической решетки. Дислокации можно представить следующим образом: если надрезать идеальный кристалл и сместить края надреза на величину, кратную периоду решетки, то внутри кристалла у краев надреза возникнет некоторое искажение, которое и является дислокацией. Если края надреза сдвинуты параллельно надрезу, то образующаяся дислокация называется винтовой. Если края надреза раздвинуть и внутрь щели вставить или удалить из нее лишнюю атомную плоскость того же материала, то получится краевая дислокация. По своей природе дефекты могут быть тепловыми и биографическими. 3.Классификация вещества по электрическим свойствам. В зависимости от электрических свойств, все вещества подразделяются на диэлектрики, полупроводники и проводники. Различие между этими видами веществ можно показать с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердых тел. Для атомов каждого вещества характерны вполне определенные спектральные линии. Это говорит о наличии определенных энергетических состояний (уровней) для разных атомов. Часть этих уровней заполнена электронами в нормальном, невозбужденном состоянии атома, на других уровнях электроны могут находиться только после того, как атом подвергнется внешнему энергетическому воздействию. При этом он возбуждается. Стремясь перейти к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии в момент возвращения электронов на уровни, при которых энергия атома минимальна. 3 1 – нормальный энергетичес - 4 кий уровень атома 2 – заполненная электронами зона 3 – уровни возбужденного со- 5 стояния 4 – свободная зона 1 2 5 – запрещенная зона. При переходе газообразного вещества в жидкость, а затем образование кристаллической решетки твердого тела все имеющиеся у данного типа атома электронные уровни (как заполненные электронами, так и незаполненные) несколько смещаются из-за действия соседних атомов друг на друга, поэтому из отдельных энергетических уровней образуется зона энергетических уровней. Диэлектрики – материалы, у которых запрещенная зона настолько велика, что электронной электропроводности в обычных условиях не наблюдается. 3 1 – зона, заполненная электронами, 2 – запрещенная зона, 2 3 – зона свободных энергетических уровней. 1 Полупроводники - вещества с более узкой запрещенной зоной, которая может быть преодолена за счет внешних энергетических воздействий Проводники – материалы, у которых заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или перекрывает ее. 4. Классификация вещества по магнитным свойствам. По магнитным свойствам вещества подразделяются на слабомагнитные и сильномагнитные. Слабомагнитные – диамагнетики и парамагнетики, сильномагнитные – ферромагнетики. Диамагнетики – вещества, у которых магнитная проницаемость μ<1. Значение магнитной проницаемости не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Это – водород, инертные газы, каменная соль, медь, цинк, серебро, золото, ртуть и т.д. Парамагнетики – вещества, у которых μ>1 и не зависит от напряженности внешнего поля. Это – кислород, окись азота, соли железа, кобальта, никеля, щелочные металлы и т.д. Ферромагнетики – вещества, у которых μ>>1 и зависит от напряженности поля. Они могут намагничиваться даже при слабых внешних полях и наиболее широко применяются в электротехнике. Это – железо, никель, кобальт и их сплавы, сплавы хрома, марганца, ферриты. ДИЭЛЕКТРИКИ Диэлектриками называются вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле. В газообразных, жидких и твердых диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться. Происходит разделение центров положительного и отрицательного зарядов, т.е. поляризация. Используемые на практике диэлектрики содержат и свободные заряды, которые, перемещаясь в электрическом поле, обусловливают электропроводность, способность диэлектрика пропускать постоянный электрический ток. Однако количество таких свободных зарядов в диэлектрике невелико, а поэтому весьма мал и ток. Следовательно, для диэлектрика характерным является весьма большое сопротивление прохождению постоянного тока. Удельное сопротивление диэлектриков составляет 107 – 1016 Ом.м. Диэлектрическими материалами называют класс электротехнических материалов, предназначенных для использования их диэлектрических свойств. Электроизоляционными материалами называют диэлектрические материалы, предназначенные для создания электрической изоляции токоведущих частей в электротехнических и радиоэлектронных устройствах. 1.Классификация диэлектриков. В электротехнике диэлектрики применяются в качестве электроизоляционных материалов и для изготовления конденсаторов. Электроизоляционные материалы подразделяются: 1) по агрегатному состоянию - на газообразные, жидкие, твердые. 2) По химической природе - на органические и неорганические. Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость. Основным, характерным для любого диэлектрика процессом, возникающим при воздействии на него электрического напряжения, является поляризация, то есть ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул. +Q0 -Q0 +(Q0+QД) -(Q0+QД) + -_ + - + - + - + - + - + - + - + - + - + U - + U - + - В первом конденсаторе между электродами находится вакуум. Если к электродам приложить напряжение U(B), то в пространстве между электродами возникнет электрическое поле с напряженностью Е = U/d, где d – расстояние между электродами. Электрический заряд, накопленный в конденсаторе с вакуумом, называется свободным зарядом и равен Q0. В электрическом поле в частицах, из которых построен диэлектрик, связанные положительные и отрицательные заряды смещаются. В результате образуются электрические диполи с электрическим моментом m = ql, где – суммарный заряд частицы, l – расстояние между центрами положительных и отрицательных зарядов (плечо диполя). Вследствие этого, на поверхности диэлектрика образуются поляризационные заряды: отрицательный у положительного электрода, положительный – у отрицательного. Для компенсации этих поляризационных зарядов источником напряжения создается дополнительный заряд QД. Тогда полный заряд конденсатора с диэлектриком равен Q = Q0 + QД = Q0, Где  – относительная диэлектрическая проницаемость. Это один из важнейших параметров диэлектрика, характеризующий процесс поляризации. Относительная диэлектрическая проницаемость определяется отношением заряда в данном диэлектрике к заряду в вакууме:  = Q/Q0 = (Q0 + QД )/Q0 = 1 + QД/Q0 . В вакууме  = 1, в других веществах  > 1. Характеристикой конденсатора является электрическая емкость. Электрическая емкость конденсатора с вакуумом между электродами равна С0 = Q0/U. Если пространство между обкладками конденсатора заполнить диэлектриком, то емкость определится как С = Q/U. Отсюда следует, что диэлектрическую проницаемость вещества можно определить как отношение емкости конденсатора с данным диэлектриком к емкости конденсатора таких же размеров, но с вакуумом.  = С/С0. Лекция 3 Основные виды поляризации диэлектриков Поляризация диэлектриков может происходить мгновенно, без рассеяния энергии, либо замедленно с рассеянием энергии. Мгновенную поляризацию называют упругой (нерелаксационной), это ионная и электронная поляризации. Упругая поляризация происходит за время много меньшее, чем полупериод приложенного напряжения, порядка 10-15 – 10-14 с. Неупругая (релаксационная) поляризация завершается за время, соизмеримое с полупериодом приложенного напряжения. Поляризованное состояние диэлектрика характреизуется электрическим моментом единицы объема Р [Кл/м2], которая связана с диэлектрической проницаемостью соотношением: Р = 0( - 1) Е. В каждой частице диэлектрика в результате поляризации создается электрический момент m, тогда Р = Nm, где N – число частиц в единице объема. В свою очередь m = Е, где  - поляризуемость частицы [Ф/м2]. Это микроскопическая характеристика поляризации, связанная с относительной диэлектрической проницаемостью уравнением Клаузиуса-Москотти: Рассмотрим основные виды поляризации диэлектриков. Электронная поляризация. Она обусловлена тем, что в электрическом поле деформируются (смещаются) внешние оболочки атомов. Смещение происходит на небольшие расстояния в пределах атомов и молекул. Диэлектрики, у которых имеет место только электронная поляризация, являются неполярными. + + Диэлектрическая проницаемость таких диэлектриков равна квадрату показателя преломления света.  = n2. Диэлектрическую проницаемость, рассчитанную по такой формуле, называют диэлектрической проницаемостью, рассчитанной в поле бесконечно большой частоты, и обозначают . Неполярными диэлектриками являются газы: гелий, водород, азот, метан; жидкости: бензол, тетраформ; твердые: алмаз, полиэтилен, фторопласт –4, парафин. Ионная поляризация характерна для твердых кристаллических тел с ионным строением ( например, NaCl) и обусловлена смещением упруго связанных ионов. Это смещение приводит к появлению дополнительного электрического момента mи, увеличивающего поляризованность, а следовательно, диэлектрическую проницаемость на и. Таким образом, диэлектрическая проницаемость ионного кристалла равна  =  + и. Дипольно-релаксационная поляризация связана с тепловым движением частиц. Дипольные моменты, находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием поля, что и является причиной поляризации. Промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных полем диполей уменьшается вследствие наличия теплового движения в е = 2,7 раз после снятия поля называется временем релаксации. Ионно-релаксационная поляризация. Используемые в практике диэлектрики могут иметь неплотную упаковку объема частицами. В таких материалах образуются ионы, которые в ходе тепловых колебаний перебрасываются из положений временного закрепления на расстояния, соизмеримые с расстояниями между частицами (10-10 м) и закрепляются в новых положениях. В электрическом поле переносы становятся направленными. В результате в диэлектрике возникает различие в расположении центров положительного и отрицательного зарядов, то есть появляется электрический момент. Такой процесс называют ионно-релаксационной поляризацией. Электронно-релаксационная поляризация возникает за счет возбуждения тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или дырок. Миграционная поляризация возникает в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей. Проявляется при низких частотах и сопровождается значительным рассеянием энергии. Процесс миграционной поляризации один из самых медленных (1 – 10-3 сек). Спонтанная поляризация. В сегнетодиэлектриках даже в отсутствие электрического поля наблюдается самопроизвольное смещение частиц, которое приводит к смещению центров положительного и отрицательного зарядов в объеме диэлектрика, то есть поляризации. Такая поляризация называется спонтанной (самопроизвольной). В результате в диэлектрике образуются области (домены), где все частицы смещены в одном направлении. В этом направлении ориентирован и вектор спонтанной поляризованности домена Рs. В электрическом поле векторы поляризованности доменов ориентируются вдоль поля. Поляризованность кристалла увеличивается с ростом напряженности поля и при некоторой напряженности достигает насыщения. Диэлектрическая проницаемость газов. Газ обладает свойством занимать весь предоставленный ему объем. Расстояния между молекулами газа велики, и силами взаимодействия между ними можно пренебречь. Значение диэлектрической проницаемости газов мало отличается от единицы, но тем выше, чем больше радиус молекулы. В газах преобладает электронная поляризация. Диэлектрическая проницаемость тем больше, чем больше концентрация молекул. Так как n = p/kT, то  увеличивается с увеличением давления и уменьшается с увеличением температуры. При увеличении температуры газ расширяется, число молекул в единице объема уменьшается, соответственно уменьшается . Температурная зависимость диэлектрической проницаемости характеризуется выражением:  - температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, характеризующий относительное изменение диэлектрической проницаемости при изменении температуры на 1 градус. Для неполярного газа . Чем выше давление, тем выше плотность молекул, следовательно, выше диэлектрическая проницаемость. Зависимость  от давления характеризуется выражением . Диэлектрическая проницаемость жидкостей. Жидкость могут состоять как из неполярных, так и из полярных молекул. Для неполярных жидкостей значения диэлектрической проницаемости малы, и так же как для газов близки к квадрату показателя преломления света   n2. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости неполярных жидкостей связана с уменьшением количества молекул в единице объема с увеличением температуры и имеет следующий вид  =1 t tкип Дипольные жидкости обладают тем большей диэлектрической проницаемостью, чем больше электрический момент диполей и число молекул в единице объема. Дипольная поляризация возможна, если молекулярные силы не мешают диполям ориентироваться вдоль поля. С увеличением температуры молекулярные силы ослабляются, и  увеличивается. Но с увеличением температуры возрастает и тепловое движение молекул, а это препятствует поляризации молекул вдоль поля. Поэтому с увеличением температуры диэлектрическая проницаемость полярных жидкостей сначала растет, при некоторой температуре наступает равновесие двух рассмотренных процессов,  достигает максимума, а затем начинает уменьшаться.   t t1 t Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости при этом находят графически, проводя касательную в точке с нужной температурой и проектируя эту касательную на оси, находят  и t. Отсюда определяют температурный коэффициент: . У неполярных жидкостей диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты. Для полярных жидкостей велико влияние частоты на . Это связано с тем, что при больших частотах диполи не успевают переориентироваться за полем, поэтому, начиная с некоторой частоты f0, в диэлектрике будет преобладать электронная поляризация,  начнет уменьшаться с ростом частоты, стремясь к значению .   f0 f, Гц Частота f0, при которой начинается снижение , определяется из выражения , где  - динамическая вязкость жидкости, r – радиус молекулы. Время релаксации связано с частотой соотношением: . Значение диэлектрической проницаемости жидких диэлектриков, используемых в технике, обычно не превышает 2,5 для неполярных, и составляет 3,5 – 5 для полярных диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков. В твердых диэлектриках возможны все виды поляризации. Для твердых неполярных диэлектриков характерны все те же особенности, что для неполярных жидкостей и газов. Твердые диэлектрики, представляющие собой кристаллы с плотной упаковкой частиц, обладают электронной и ионной поляризацией с положительным ТК. Ионные кристаллы с неплотной упаковкой обладают еще и ионно-релаксационной поляризацией с большим положительным ТК и небольшими значениями . Зависимость диэлектрической проницаемости для ионного кристалла KCl и электротехнического фарфора показана на рисунках. •  to to Особый характер носит диэлектрическая проницаемость сегнетодиэлектриков. Она имеет большие значения и резко выраженную зависимость от напряженности поля и температуры. Зависимость (Т) имеет резко выраженный максимум, например для титанита бария (ВаТiО3) при температуре 125оС.  8000 2000 -80 0 125 160 ТоС Температура, при которой  имеет максимум, называется температурой (точкой) Кюри . В области выше точки Кюри сегнетодиэлектрические свойства вещества теряются. Для сегнетодиэлектриков наблюдается процесс электрического старения, то есть уменьшение диэлектрической проницаемости с течением времени. Диэлектрическая проницаемость сложных диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость твердых сложных диэлектриков, представляющих собой смесь компонентов с различными диэлектрическими проницаемостями, в первом приближении может быть определена на основе логарифмического закона смещения х = 11х + 22х, где , 1, 2 – диэлектрические проницаемости смеси и отдельных компонент, 1, 2 – объемные концентрации компонент, удовлетворяющие условию 1 + 2 = 1. х – константа, характеризующая распределение компонент и принимающая значения от –1 до 1. В частности, при параллельном включении компонент х = 1, и  = 11 +22. При последовательном включении х = -1, и . При хаотическом распределении компонент х  0, тогда ln = 1ln1 +2ln2 Температурный коэффициент сложных диэлектриков определяется дифференцированием этого выражения по температуре: , или ТК = 1ТК1 +2ТК2 ЛЕКЦИЯ №4 Электропроводность диэлектриков. Процессы поляризации, длящиеся некоторое время, вызывают поляризационные токи или токи смещения. При ионной и электронной поляризации они очень кратковременны. У большинства технических диэлектриков поляризация замедленна, при этом возникают абсорбционные токи. i iаб iск t 1мин Наличие небольшого числа свободных электронов в диэлектрике приводит к возникновению слабых сквозных токов или токов утечки. Плотность тока в диэлектрике представляет собой сумму токов смещения и утечки Плотность тока смещения определяется скоростью изменения вектора электрической индукции Проводимость диэлектрика при постоянном напряжении определяется по сквозному току, сопровождающемуся выделением и нейтрализацией зарядов на электродах. Из рисунка видно, что после завершения процессов поляризации через диэлектрик протекает только сквозной ток. Абсорбционные токи следует принимать во внимание при измерении проводимости диэлектрика. Сквозной ток утечки складывается из тока Iv, протекающего через объем диэлектрика, и тока Is, протекающего по поверхности изоляции. Соответственно электропроводность диэлектрика характеризуют параметрами: удельной объемной v и удельной поверхностной s проводимостью, либо удельным объемным v сопротивлением или удельным поверхностным s сопротивлением. Удельным объемным сопротивлением называется сопротивление куба с ребром 1 м, если ток проходит от одной грани куба к другой. Удельное объемное сопротивление определяется по формуле: , где Rv – объемное сопротивление образца диэлектрика, S – площадь его сечения, h – толщина. Измеряется v в Ом*м, удельная проводимость, соответственно в См*м-1. Поверхностное удельное сопротивление определяется по формуле h , где р – периметр электро- дов. Измеряется удельное поверхност - ное сопротивление в Ом, проводимость • в См. Электропроводность газов. Электропроводность газов связана с наличием в них некоторого числа электронов и ионов, которые образуются в результате ионизации при воздействии внешних факторов (рентгеновское излучение, космические лучи, ультрафиолетовое излучение, и т.д.). Электропроводность газов, обусловленная внешними факторами, называется несамостоятельной. При наличии большой кинетической энергии заряженных частиц может возникнуть ударная ионизация, появившаяся при этом электропроводность газов называется самостоятельной. Наряду с ионизацией в газах происходит обратный процесс - рекомбинация, то есть соединение положительных ионов с электронами, в результате чего образуются нейтральные молекулы. В результате совместного действия ионизации и рекомбинации устанавливается равновесие, то есть в газе постоянно имеется определенное количество заряженных частиц. Если ионизованный газ поместить между двумя электродами, в поле с напряженностью Е, то заряженные частицы начнут перемещаться, в газе возникнет ток. В результате часть ионов исчезнет за счет рекомбинации, часть нейтрализуется на электродах. При увеличении напряжения ток сначала подчиняется закону Ома, увеличиваясь пропорционально напряжению. При некоторой напряженности Ен, когда все ионы не успевая рекомбинировать, нейтрализуются на пластинах, ток достигнет насыщения и не будет изменяться. При напряжености Екр образующиеся под действием внешних ионизаторов заряженные частицы ускоряются в электрическом поле и на длине свободного пробега приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа. Возникает самостоятельная электропроводность, и ток снова увеличивается. J Jн Eн Eкр E Газовый диэлектрик практически всегда работает в условиях насыщения. Электропроводность жидкостей. Электропроводность жидкостей связана со строением молекул жидкости. В неполярных диэлектриках электропроводность зависит от наличия диссоциированных примесей, в том числе влаги, в полярных диэлектриках электропроводность определяется еще и диссоциацией молекул самой жидкости. Проводимость полярных жидкостей выше, чем проводимость неполярных, причем возрастание диэлектрической проницаемости приводит к росту проводимости. Ток в жидкостях может быть вызван как перемещением ионов, так и перемещением крупных коллоидных заряженных частиц. Для того, чтобы уменьшить проводимость, производят очистку диэлектриков от содержащихся в них примесей. Для удаления частиц загрязнений из жидкости используют специальные сита с калиброванными отверстиями, а также обрабатывают жидкости адсорбентами – специальными веществами, мелкие частички которых связываются с частичками примесей, адсорбируют их, а затем удаляются из жидкости с помощью фильтра. Довольно часто применяется так называемая электрическая очистка: через неполярный жидкий диэлектрик длительно пропускают электрический ток, при этом удельное сопротивление возрастает за счет переноса свободных ионов к электродам и оседанию там. Удельная проводимость жидкостей сильно зависит от температуры. С увеличением температуры возрастает подвижность ионов в связи с уменьшением вязкости жидкости, а так же увеличивается тепловая диссоциация. Перемещение иона в жидкости происходит следующим образом. Ион совершает тепловые колебания в положении временного закрепления с частотой  = 1012-1013 Гц. В результате ион преодолевает силы взаимодействия с соседними молекулами и перемещается в новое положение временного закрепления, которое отстоит на расстоянии, равном межмолекулярному расстоянию (10-10 м). Силы взаимодействия иона с молекулами принято характеризовать энергией активации, то есть потенциальным барьером, который ион преодолевает, переходя из одного положения временного закрепления в другое. Зависимость удельного сопротивления от температуры для такого механизма определяется выражением: = Аехр(-а/Т), где n – число носителей заряда в единице объема диэлектрика, м-3; q - заряд иона, Кл;  - межмолекулярное расстояние, м;  - частота колебаний иона в положении временного закрепления, Гц; W – энергия активации процесса электропроводности, Дж/К. В сильных электрических полях, начиная с критической напряженности, равной Е = (15)107 В/м, переход иона в положение временного закрепления происходит также из-за действия электрического поля, растет подвижность ионов, и начиная с некоторого значения плотности тока J0, плотность тока увеличивается по закону . Согласно правилу Писаржевского Л.В., Вальдена П.И. произведение удельной проводимости и вязкости жидкости  в отсутствие тепловой диссоциации остается постоянным для данной жидкости. При наличии тепловой диссоциации произведение возрастает с увеличением температуры. В коллоидных системах наблюдается молионная или электрофоретическая электропроводность, где носителями зарядов являются группы ионов – молионы. Различают два типа коллоидных систем: эмульсии (обе компоненты жидкости) и суспензии (примесь твердых частиц в жидкости). При наложении поля электроны приходят в движение, что проявляется как явление электрофореза. ЛЕКЦИЯ №5 Электропроводность твердых тел. Для используемых в технике диэлектриков характерной является ионная электропроводность. При воздействии внешних факторов (освещение, радиация, электрическое поле) сначала ионизуются дефекты и примеси. Как и в жидком диэлектрике, ионы перемещаются, преодолевая потенциальный барьер W, который составляет 0,5 – 1 эВ. Образовавшиеся таким образом ионы определяют низкотемпературную примесную область электропроводности. При большем нагреве или более сильных других воздействиях ионизуются основные частицы, из которых построен твердый диэлектрик. Удельная проводимость изменяется с ростом температуры с большей скоростью, так как число основных носителей, гораздо больше, чем примесных. Эта область электропроводности называется высокотемпературной собственной. Зависимость удельной проводимости твердого диэлектрика с ионной электропроводностью такая же, как у жидкостей. Если в твердом диэлектрике имеется примесная и собственная ионная проводимость, то температурная зависимость имеет вид: где А1, W1 и А2, W2 характеризуют примесную и собственную электропроводности соответственно. Во многих диэлектриках удельное сопротивление сильно зависит от их увлажнения. Молекулы воды хорошо диссоциируют на ионы, в воде растворяются частицы примесей, обычно содержащиеся в жидких диэлектриках. Влага с растворенными ионогенными примесями проникает в поры и микротрещины, смачивает поверхность изолятора, уменьшая сопротивление. Кроме ионной проводимости в твердых диэлектриках может возникать электронная электропроводность. На поверхности токоведущих частей электротехнических устройств могут быть трудноустранимые острые выступы, около которых вследствие неоднородности поля напряженность может достигать 105 – 108 В/м. В таких полях может происходить инжекция электронов и дырок с электродов. Кроме того, в диэлектриках могут иметь место несовершенства структуры – дефекты и примеси, на которых образуются ловушки для электронов. Электроны могут быть высвобождены из таких ловушек и переведены в зону проводимости нагревом, облучением, сильным электрическим полем. Эти механизмы обусловливают электронную электропроводность. Кроме того, свободные электроны в сильных электрических полях могут образовываться и в результате ударной ионизации В случае электронной электропроводности сопротивление твердых диэлектриков с увеличением давления уменьшается. Поверхностная электропроводность твердых диэлектриков. Поверхностная электропроводность возникает в результате способности поверхности диэлектрика адсорбировать загрязняющие компоненты. Поверхность может увлажняться за счет влаги, содержащейся в окружающей атмосфере. Хорошо увлажняются полярные диэлектрики (резина, фенолформальдегидные смолы), их называют гидрофильными веществами. Плохо смачиваются неполярные диэлектрики (парафин, полиэтилен), их называют гидрофобными. На поверхности смачиваемого диэлектрика влага распределяется тонким непрерывным слоем, на поверхности несмачиваемого – отдельными островками. Тонкий слой влаги на поверхности снижает поверхностное сопротивление диэлектрика. Кроме этого поверхность может адсорбировать пыль, газы и другие вещества, образующиеся в результате физико-химических процессов, протекающих в окружающей диэлектрик среде входе эксплуатации электрооборудования. Образовавшийся на поверхности слой загрязнений имеет очень маленькое сопротивление, и возникающие при этом токи утечки могут нагревать поверхность диэлектрика до 100оС, что приводит к закипанию влаги на поверхности. Перепады температур, возникающие при этом, могут привести к образованию микротрещин и механическому разрушению приповерхностного слоя изоляции. Диэлектрические потери Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика. Диэлектрические потери в электроизоляционных материалах характеризуют рассеиваемой мощностью, отнесенной к единице объема, или удельными потерями. Однако, чаще при определении диэлектрических потерь пользуются понятием угла потерь или тангенса угла потерь. Углом диэлектрических потерь δ называют угол, дополняющий до 90о угол сдвига фаз φ между током и напряжением. Необходимость оценивать диэлектрические потери при использовании диэлектриков, вызвана тем, что недопустимо большие потери могут привести к перегреву и разрушению диэлектрика. Диэлектрические потери могут иметь различную природу: а)потери, обусловленные сквозными токами; б)потери от замедленной поляризации; в)ионизационные диэлектрические потери; г)потери, вызываемые неоднородностью структуры. Диэлектрические потери, обусловленные сквозными токами присутствуют в диэлектриках, имеющих заметную объемную или поверхностную электропроводность. Диэлектрические потери при этом не зависят от частоты поля, а tgδ уменьшается с частотой по гиперболическому закону. В зависимости от температуры диэлектрические потери и tgδ изменяются по экспоненциальному закону: , где Ра0 – потери при 0оС, α – постоянная материала. Потери от замедленной поляризации присутствуют в веществах, обладающих релаксационной поляризацией и обусловлены нарушением теплового движения частиц под влиянием сил электрического поля. Температурная зависимость tgδ при этом имеет максимум при некоторой температуре, для которой время релаксации частиц совпадает с периодом приложенного электрического поля. При более низких температурах тепловое движение частиц менее интенсивно, и потери меньше. При более высоких температурах в результате слишком интенсивного теплового движения связь между молекулами уменьшится, и потери станут меньше. Ионизационные диэлектрические потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии и наблюдаются в неоднородных электрических полях при напряженностях, превышающих значение, соответствующее началу ионизации. Ионизационные потери зависят от частоты: Раи = Аf(U-Uи)3, где А – постоянный коэффициент, f – частота, U – приложенное напряжение, Uи – напряжение ионизации, и от давления, поскольку развитие ударной ионизации связано с длиной пробега носителей заряда. Диэлектрические потери, связанные с неоднородностью имеют место в слоистых диэлектриках: в пропитанной бумаге и ткани, в пластмассах с наполнителем, в пористой керамике и т.д. Схематически диэлектрические потери можно представить в виде конденсатора с последовательно или параллельно включенным сопротивлением. С r İ İr δ jİ/ωС φ U Возникновение угла потерь можно пояснить векторной диаграммой. В отсутствии потерь сопротивление конденсатора было бы чисто реактивным (емкостным) и сдвиг фаз между током и напряжением составлял бы 90о. Наличие активного сопротивления, характеризующего потери, приводит к уменьшению угла сдвига фаз φ между током и напряжением на угол δ. Аналогично можно представить параллельную схему. С Ug İ R jUωC δ φ U Активная мощность в цепи переменного тока определится выражением: P = UIcosφ Для последовательной схемы имеем: , где . Для параллельной схемы: , где . Приравнивая выражения (1) и (3), а также (2) и (4), получим: . Для доброкачественных диэлектриков tg2δ « 1, Сp = Cs = C, R » r. Тогда P = U2ωCtgδ одинакова для обеих схем. Удельные электрические потери определяют как . Диэлектрические потери в газах. При небольших напряженностях поля газ можно рассматривать как идеальный диэлектрик, так как потери в нем очень малы. Источником диэлектрических потерь в газах может быть только электропроводность, так как ориентация дипольных молекул в газах не сопровождается диэлектрическими потерями. tgδ ничтожно мал, особенно при высоких частотах . При высоких напряжениях и неоднородном поле, когда напряженность в отдельных местах может превосходить некоторое критическое значение, молекулы газа ионизуются, за счет чего возникают потери на ионизацию. Газовые включения в твердую изоляцию оказывают существенное влияние на диэлектрические потери в диэлектрике. Если диэлектрик, содержащий газовые включения, поместить в электрическое поле, то при увеличении напряжения тангенс угла потерь изменяется незначительно. Начиная с некоторого напряжения U0, начинается ионизация газа в порах, и tgδ возрастает. tgδ U0 U1 U Выше напряжения U1 все газы в порах становятся ионизованными, следовательно, ионизация закончилась, и потери на ионизацию начинают уменьшаться. Эту кривую tgδ = f(U) называют кривой ионизации. При высоких частотах ионизация и потери возрастают настолько, что могут привести к разогреву и разрушению изоляции. Диэлектрические потери в жидкостях В неполярных жидкостях потери обусловлены только электропроводностью, а так как удельная проводимость жидкостей мала, малы и диэлектрические потери. Полярные жидкости в зависимости от условий могут обладать заметными потерями, связанными с дипольно-релаксационной поляризацией. Эти потери могут быть значительны, так как дипольные молекулы, следуя за изменением электрического поля, испытывают трение за счет вязкости жидкости, при этом выделяется тепло. При большой вязкости ориентация молекул вдоль поля затруднена, молекулы не успевают следовать за полем, и потери будут уменьшаться. При малой вязкости молекулы поворачиваются быстро, практически не испытывая трения, потери при этом тоже малы. Рассеиваемая мощность и tgδ имеют следующую зависимость от частоты P, tgδ Pa tgδ f Потери возрастают с частотой до тех пор, пока поляризация успевает следовать за изменением поля. Когда частота становится настолько велика, что дипольные молекулы не успевают следовать за изменением поля, tgδ падает, и потери становятся постоянными. ЛЕКЦИЯ №6 Диэлектрические потери в твердых диэлектриках. В связи с разнообразием состава и строения твердых веществ, различны будут и виды диэлектрических потерь. Диэлектрические потери в диэлектриках молекулярной структуры зависят от вида молекул. В случае неполярных молекул в отсутствие примесей потери малы (сера, парафин, полиэтилен). Такие диэлектрики применяются в качестве высокочастотных диэлектриков. Диэлектрики с полярными молекулами обладают большими потерями вследствие дипольно-релаксационной поляризации (бумага, картон, капрон, каучук, орг.стекло и др.). Для этих диэлектриков характерна сильная зависимость tgδ от температуры и частоты. tgδ 10кГц 1кГц 100кГц -80 -40 –20 0 ТоС Возрастание потерь после минимума объясняется увеличением потерь сквозной электропроводности. Диэлектрические потери твердых веществ ионной структуры связаны с особенностями упаковки ионов в решетке В кристаллах с плотной упаковкой ионов в отсутствие примесей потери ничтожно малы. При высоких температурах в таких диэлектриках появляются потери, связанные со сквозной электропроводностью (корунд, каменная соль). В кристаллах с неплотной упаковкой имеет место релаксационная поляризация, вызывающая значительные диэлектрические потери. К таким веществам относятся различные виды керамики. Так как в керамике число ионов, участвующих в релаксационной поляризации, возрастает с температурой, то tgδ будет возрастать по экспоненте. tgδ Т Диэлектрические потери в аморфных веществах ионной структуры связаны как с поляризацией, так и с электропроводностью. К ним относятся неорганические стекла. Здесь различают два вида потерь: 1.Потери мало зависящие от температуры и возрастающие прямо пропорционально частоте (tgδ не зависит от частоты). Эти потери вызваны релаксационной поляризацией . 2.Потери, экспоненциально возрастающие с температурой и мало зависящие от частоты (tgδ уменьшается с частотой). Эти потери проявляются при температурах выше 50-100о и вызваны сквозной электропроводностью. Диэлектрические потери в сегнетодиэлектриках выше, чем у обычных диэлектриков. Это вызвано наличием спонтанной поляризации. В области самопроизвольной поляризации tgδ мало изменяется с температурой и резко уменьшается выше точки Кюри, когда теряются сегнетодиэлектрические свойства. tgδ 1 2 Т Диэлектрические потери в твердых веществах неоднородной структуры. Эти вещества состоят как минимум из двух компонент, механически смешанных друг с другом. Чаще всего это керамика, в составе которой различают кристаллическую фазу, стекловидную и газовую. Диэлектрические потери определяются соотношением между кристаллической и стекловидной фазами. Слюда, имеющая слоистую структуру, характеризуется повышением tgδ при переменном напряжении низкой частоты из-за наличия полупроводящих прослоек. Пропитанная бумага. Если пропиткой является масляно-канифольный компаунд, то зависимость tgδ от температуры имеет два максимума. tgδ Т Первый (низкотемпературный) характеризует дипольно-релаксационные потери самой бумаги, второй (высокотемпературный) обусловлен дипольно-релаксационными потерями пропитывающего компаунда. Пробой диэлектриков. При повышении напряжения напряженность электрического поля в диэлектрике может достигнуть некоторого критического значения, выше которого диэлектрик теряет свои электроизолирующие свойства. При этом сквозной ток, протекающий через диэлектрик, резко возрастает до 108 А/м2 . I Uпр U Если напряжение, приложенное к диэлектрику, достигло значения Uпр, то сквозной ток резко увеличивается даже при уменьшении напряжения на электродах, поскольку в диэлектрике происходят необратимые процессы, резко уменьшающие его электрическое сопротивление. Сопротивление уменьшается до такого значения, что происходит короткое замыкание электродов. Это явление называют пробоем диэлектрика. Значение напряжения в момент пробоя называют пробивным напряжением, напряженность электрического поля, при которой происходит пробой – электрической прочностью. Если пробой электрической изоляции происходит в однородном электрическом поле, то электрическая прочность определяется выражением: Eпр = Uпр/h, Где h – расстояние между электродами, Uпр – пробивное напряжение, Епр – электрическая прочность. На практике напряжение, как правило, выражают в киловольтах, толщину диэлектрика в мм, электрическую прочность в кВ/мм. Тогда справедливы соотношения: 106 В/м = 1 МВ/м = 1кВ/мм. Физическая природа пробоя диэлектриков Существует несколько видов пробоя диэлектриков. Электрический пробой (время развития 10-8 – 10-5 с), в процессе которого диэлектрик разрушается силами, действующими в электрическом поле на заряды его атомов, молекул, ионов. Он вызывается ударной ионизацией электронами. На длине свободного пробега λ электрон в электрическом поле Е приобретает энергию W = eEλ, где е – заряд электрона. Если энергия электрона достаточна для ионизации, то электрон при соударении с атомами диэлектрика ионизует их. В результате появляются новые электроны, которые тоже ускоряются электрическим полем до энергии ионизации. Таким образом число электронов резко возрастает, что приводит к увеличению проводимости и пробою. Электротепловой пробой (время развития 10-3 – 10-2 с) обусловлен нарастанием выделения теплоты в диэлектрике в результате диэлектрических потерь или электропроводности. Этот вид пробоя возникает, когда нарушается равновесие между теплотой, выделяющейся в диэлектрике, и теплотой, отводимой в окружающую среду. Тогда в местах наихудшего теплоотвода происходит прожег, проплавливание диэлектрика, то есть пробой. Электрохимический пробой (электрическое старение)(время развития 103 –108с) обусловлен медленными изменениями химического состава и структуры диэлектрика под действием электрического поля. Время развития электрохимического пробоя называется временем жизни диэлектрика τж. С увеличением напряжения или температуры время жизни уменьшается. Процесс электрохимического пробоя развивается в электрических полях меньших, чем электрическая прочность. Пробой газообразных диэлектриков Воздух служит внешней изоляцией электроизоляционных узлов трансформаторов, высоковольтных выключателей. Линий электропередач. Газообразные диэлектрики используются в изоляции конденсаторов, кабелей, распределительных устройств. Однако высокими электроизоляционными свойствами они обладают только при низких напряжениях. В сильных электрических полях начинается ударная ионизация и проводимость газов резко возрастает. Энергия ионизации различных газов составляет от4 до 25 Эв. Такую энергию имеет электрон, если его скорость равна 1000 км/ч. Пробой развивается следующим образом. Под действием внешнего ионизатора в разрядном промежутке образуются электроны. Перемещаясь от катода к аноду они приобретают дополнительную энергию W = qUλ = qλE Где q – заряд электрона, Uλ – падение напряжения на длине свободного пробега λ, Е – напряженность поля. При столкновении с нейтральными частицами эти электроны производят ударную ионизацию, в результате чего возникает первичная электронная лавина. Эта лавина перемещается к аноду, образуя на пути следования канал из электронов и положительных ионов, плотность которых лавинно увеличивается по мере приближении фронта лавины к аноду. Часть атомов не ионизуется, а возбуждается. Переходя в нормальное состояние, эти атомы излучают квант энергии (фотон), который, перемещаясь со скоростью света может вызвать ионизацию далеко впереди лавины. В результате начинается новая волна ударной ионизации с образованием лавины. Отдельные лавины могут нагонять друг друга и сливаться, образуя сплошной канал. Более быстрые электроны перемещаются к аноду, поэтому канал состоит в основном из ионов, и его называют стримером. Стример имеет форму острия, обращенного к катоду. Вблизи острия напряженность электрического поля повышена и образующиеся в разрядном промежутке электроны притягиваются к острию. Стример перемещается к катоду со скоростью 106 м/с. Когда он достигает катода, электропроводящий плазменный канал замыкает разрядный промежуток. В результате ударов положительных ионов о катод возникает катодное пятно, излучающее электроны, которые распространяются по проводящему каналу со скоростью 107 м/с. Этот процесс наблюдается в разрядном промежутке как искра или, при достаточной мощности, как дуга. Поэтому пробивным напряжением газа является напряжение, при котором происходит искровой разряд. ЛЕКЦИЯ №7 Электрическая прочность воздуха зависит от давления. Епр 0,1МПа р При увеличении давления от нормального электрическая прочность растет, потому что длина пробега мала, и для того, чтобы набрать энергию, достаточную для ионизации нужна большая напряженность поля. При уменьшении давления Епр снижается, так как уменьшается число молекул в единице объема, а следовательно и число соударений, что ведет к уменьшению вероятности ионизации. При очень низком давлении (вакууме) ионизация происходит за счет холодной эмиссии вырывания электронов из катода. Зависимость электрической прочности воздуха от расстояния между электродами объясняется следующим образом. Е d При малых расстояниях электрическая прочность велика, потому что из-за малой длины свободного пробега электронов эффективность ионизации мала. С увеличением расстояния увеличивается длина свободного пробега, увеличивается количество атомов диэлектрика, следовательно, возрастает ионизация и уменьшается электрическая прочность. Пробой жидких диэлектриков. Природа пробоя жидких диэлектриков зависит от их чистоты. В жидкостях, как правило, содержатся примеси: вода, газы, твердые частицы, которые и являются основой пробоя. В предельно чистых диэлектриках наблюдается электрический пробой. Он развивается за время 10-8 – 10-5 с и наблюдается при малом времени выдержки образца под напряжением. Процесс электрического пробоя начинается с инжекции электронов с катода. Возникает ударная ионизация, в результате чего образуются стримероподобные образования, перемещающиеся от анода к катоду. Пробой завершается, когда плазменный канал замыкает электроды. Плотность жидкости больше, чем газа, поэтому длина пробега электрона меньше, и энергию, достаточную для ионизации электрон приобретает при большей напряженности поля (107 В/м). В жидкости, содержащей газы, пробой начинается с ионизации газовых включений. В результате ионизации температура стенок газовых включений возрастает, что приводит к вскипанию микрообъемов жидкости, примыкающих к включению. Объем газа увеличивается, включения сливаются, образуя между электродами мостик, по которому проходит разряд в газе. Для жидких диэлектриков с газовыми включениями Епр увеличивается с ростом давления, так как увеличиваются температура кипения и растворимость газа в жидкости, что затрудняет рост объема газовых включений. Механизм пробоя увлажненных жидкостей зависит от содержания воды в них. Вода, содержащаяся в жидком диэлектрике в свободном виде, может быть в эмульсионном состоянии, когда образуются сферические капельки диаметром 10-6 м. В электрическом поле водяные включения втягиваются в пространство между электродами и деформируются. При деформации образуются эллипсоиды вращения, которые поляризуются и притягиваются друг к другу, сливаются, замыкая электроды мостиком с пониженным сопротивлением, по которому проходит разряд. Этим объясняется уменьшение Епр трансформаторного масла при его увлажнении. Епр Содержание влаги % Электрическая прочность трансформаторного масла зависит от температуры Епр ТоС -40 0 40 80 При температурах, близких к 0о содержащаяся в масле вода находится в эмульсионном состоянии и Епр минимальна. При повышении температуры вода переходит в растворенное состояние и в меньшей степени снижает Епр трансформаторного масла. При температурах около 70оС в трансформаторном масле начинается процесс кипения легких его фракций и количество газов увеличивается, что снижает его электрическую прочность. Электрическая прочность сухого масла имеет большее значение, чем увлажненного и почти не изменяется с температурой. При загрязнении жидкости твердыми частицами последние поляризуются, втягиваются в межэлектродное пространство и , так же как вода образуют сплошные цепочки с пониженным сопротивлением, по которым проходит разряд. Электрическая прочность жидких диэлектриков, содержащих газовые включения ниже, чем в чистых, поскольку при наличии газов в жидкостях протекают также и химические процессы разложения жидкости под действием ионизации. Это явление называется вольтализацией жидкости. Ионизация протекает в полях намного меньших, чем Епр, обусловливает электрическое старение, поэтому этот процесс относят к электрохимическим. Пробой твердых диэлектриков. Развитие той или иной формы пробоя твердых диэлектриков зависит не только от природы диэлектрика, но и от условий определения электрической прочности. При импульсном воздействии в течение 10-8 – 10-5 с в диэлектрике происходит электрический пробой. При более длительном воздействии в течение 10-3 –10-2с развивается тепловой пробой. При воздействии на тот же образец в течение длительного времени меньшим напряжением, но таким, при котором возникают частичные разряды, наблюдается электрохимический пробой. Для электрического пробоя характерны следующие признаки: В сильных электрических полях отсутствует участок насыщения в зависимости тока от напряжения. Перед пробоем ток растет экспоненциально. Величина электрической прочности не зависит от свойств окружающей среды, выдержки образца под напряжением и толщины образца. Однако, при выдержке меньше 10-8 – 10-7 с пробой не успевает завершиться и Епр растет. Пробой тонких диэлектриков обусловлен образованием многих лавин и поэтому требует большего времени. Поэтому при толщине меньше 10-7 – 10-6 м Епр растет. Епр Епр Время толщина . Электрическая прочность неоднородных диэлектриков зависит от площади электродов. Чем больше площадь электродов, тем больше дефектов попадает в объем между электродами, тем меньше электрическая прочность. Электротепловой пробой характеризуется следующими признаками. За время более длительной выдержки под напряжением диэлектрик нагревается больше и его электрическая прочность снижается . В объемных образцах теплоотдача от внутренних областей осуществляется хуже, они перегреваются больше, поэтому Епр уменьшается при увеличении толщины диэлектрика. Епр U,Eпр U Епр Время толщина Электрохимический пробой имеет различные механизмы в органических и неорганических диэлектриках. Основной причиной электрического старения органических диэлектриков (полимеры) являются частичные разряды, особенно интенсивные на переменном напряжении. Под действием частичных разрядов в газовых включениях образуются дендриты – ветвящиеся тончайшие трубочки, заполненные газами, возникающими при разложении полимера. Дендриты растут, ветвятся, пронизывают всю толщу диэлектрика и в конце концов замыкают электроды заполненным газом каналом, по которому происходит пробой. Старение неорганических диэлектриков протекает более интенсивно при постоянном напряжении. В процессе ионной электропроводности происходит перенос вещества, что приводит к необратимому изменению химического состава материала диэлектрика. Вследствие этого диэлектрическая прочность может уменьшиться и в результате произойдет пробой. Поверхностный пробой. Поверхностный пробой или перекрытие может возникнуть в различных электроизоляционных конструкциях при неблагоприятных условиях эксплуатации. Увлажнение и загрязнение приводят к искажению распределения потенциала и тока утечки на поверхности твердого диэлектрика, вследствие чего пленка влаги в отдельных местах испаряется. При разрыве проводящей пленки в этом месте на поверхности возникают искры, под действием которых в материале могут образоваться проводящие каналы – треки. Повреждение диэлектрика вследствие поверхностного пробоя называют трекингом диэлектрика . Поверхностный искровой разряд существенно не повреждает поверхность неорганических диэлектриков, однако, при более мощном дуговом разряде происходит оплавление поверхности, а поверхность органических диэлектриков обугливается, и на ней остается сплошной проводящий след. ЛЕКЦИЯ №8 Механические свойства диэлектриков. Механические свойства характеризуют способность диэлектрика выдерживать внешние статические и динамические нагрузки без недопустимых изменений первоначальных размеров и форм. Способность диэлектрика выдерживать статические нагрузки характеризуется разрушающим напряжением при растяжении, сжатии или изгибе, характеризуется пределом прочности σ, выражающемся в Паскалях. Испытание на предел прочности еще не дает окончательного представления о поведении материала при эксплуатации, поскольку некоторые вещества обладают способностью деформироваться при длительном воздействии механических нагрузок. Это явление называется холодным или пластическим течением материала. Кроме того материалы характеризуются относительным удлинением при разрыве, относительной деформацией при сжатии и другими характеристиками, которые определяются стандартизированными методами. Для тонких листов бумаги и картона определяют прочность на разрыв . Для пластмасс важным параметром является сопротивление раскалывания. Гибкие материалы (бумага, лакоткань, пленки) характеризуются стойкостью к надрыву. Стойкость надрыва численно равна нагрузке в ньютонах, при которой происходит надрыв краев полоски. Способность диэлектрика выдерживать динамические механические нагрузки характеризуют ударной вязкостью и стойкостью к вибрации. Удельная ударная вязкость это отношение энергии удара при изломе образца к площади его поперечного сечения σуд = W/S Дж/м2. Она характеризует прочность образца при динамическом изгибе. Стойкость к вибрациям определяется отсутствием механических повреждений, нарушением герметичности, сохранением заданных электрических параметров изоляции после воздействия в течение определенного времени вибрации с заданными параметрами. Важным параметром многих электроизоляционных материалов является гибкость, которая обеспечивает сохранение высоких механических и электрических параметров изоляции при разнообразных механических деформациях. Для жидких диэлектриков важной механической характеристикой является вязкость. Вязкость (внутреннее трение) – свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Количественно вязкость характеризуется коэффициентом динамической вязкости η. В системе СИ она измеряется в паскалях, умноженных на сек. Кинематическая вязкость ν– отношение динамической вязкости жидкости к ее плотности ρ: ν=η ⁄ρ м2/с. Термические свойства диэлектриков Поведение диэлектрика при нагреве характеризуется рядом свойств, определяющих его допустимую рабочую температуру. К ним относятся: теплопроводность, теплоемкость, плавление и размягчение материала, тепловое расширение, нагревостойкость, стойкость к термоударам. Теплоемкость определяет процесс отвода теплоты от нагретых проводников через слой электрической изоляции, а так же отвод теплоты из толщи электрической изоляции, нагретой за счет диэлектрических потерь. Количественно теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности λ [Вт/м К], который равен количеству теплоты прошедшей за единицу времени через единицу площади при градиенте температуры 1К/м. Для газов λ = (2-5)10-2 Вт/м К, для твердых диэлектриков λ = 0,02 – 3,0 Вт/м К. Теплоемкость вещества С [Дж/кг К] определяет количество теплоты Q, которое необходимо для нагреве 1 кг вещества от температуры Т0 до температуры Т1 . Для твердых кристаллических диэлектриков, которые плавятся при нагреве, характерным параметром является температура плавления. Аморфные материалы переходят из твердого состояния в жидкое в некотором интервале температур, и для них характерна температура размягчения. Диэлектрики при нагревании расширяются. Термическое расширение оценивают температурным коэффициентом длины ТКl и температурным коэффициентом объема ТКv . Температурный коэффициент характеризует относительное изменение параметра при изменении температуры на один градус. Нагревостойкость электрической изоляции определяют по изменениям ее электрической прочности, тангенсу угла диэлектрических потерь, потере массы, механической прочности и других параметров при выдержке при повышенных по сравнению с рабочими температурах. ГОСТом установлено разделение электроизоляционных материалов для электрических машин, трансформаторов, то есть устройств, в которых выделяется большое количество тепла на классы нагревостойкости. Класс нагревостойкости Y A E B F H C Наибольшая допустимая 90 104 120 130 155 180 >180 рабочая температура оС К классу Y относятся волокнистые материалы на основе целлюлозы и шелка. (пряжа, ткань, бумага, картон, древесина). К классу А те же материалы, только пропитанные лаком или компаундом, (лакоткани, лакобумага и т.д.)а так же полиамидные пленки и смолы. К классу Е относятся пластмассы с органическим наполнителем.(гетинакс, текстолит), эпоксидные и полиуретановые смолы. К классу В относятся материалы с большим содержанием неорганических компонент (слюда, асбестовые и стекловолокнистые материалы). К классу F относятся материалы на основе стекловолокна с применением органических связующих и пропитывающих материалов повышенной нагревостойкости. Класс Н – материалы, изготовленные с использованием кремнийорганических смол особо высокой нагревостойкости. К классу С относятся чисто неорганические материалы, не содержащие склеивающих или пропитывающих органических элементов, а также такие органические материалы как фторопласт – 4 и полиамидные материалы. Холодостойкость электрической изоляции определяют путем сравнения механических характеристик при отрицательной и нормальной температурах. Это необходимо в связи с тем, что многие вещества, как правило гибкие, при низких температурах становятся твердыми и ломкими, ято легко приводит к их механическому повреждению. Стойкость к термоударам – это способность материалов выдерживать резкие смены температур. Она определяется для хрупких материалов. Например фарфоровые изоляторы должны выдерживать трехкратное нагревание без заметного ухудшения основных свойств. Физико-химические свойства диэлектриков. Химостойкость (стойкость к разрушению, коррозии) это способность материалов сохранять свои диэлектрические свойства при контактировании с водой, кислотами, щелочами, солевыми растворами, маслами, газами. Влагостойкость определяет способность диэлектрика сорбировать (поглощать) влагу из окружающей среды (влажного воздуха). При этом контролируют такие параметры диэлектрика как объемное удельное сопротивление, которое уменьшается при увлажнении, электрическая прочность, сопротивление изоляции. При этом учитываются такие характеристики как смачиваемость и гигроскопичность. Смачиваемость характеризует растекание влаги по поверхности элемента и определяется краевым углом смачивания. Гигроскопичность характеризует свойство материалов впитывать в себя влагу. Причем молекулы воды способны проникать в самые маленькие поры и трещины. Наиболее гигроскопичны текстильные материалы. Водостойкость и водопоглощение определяется по изменению тех же параметров при выдержке материала в дистиллированной воде. Влагопроницаемость – спсобность материалов пропускать сквозь себя влагу. Это свойство особенно важно для материалов, выполняющих защитные функции (оболочки кабелей, лаковые и компаундные заливки и др.) Влагопроницаемость материала определяется величиной П = mh/St(p1 – p2) И в системе СИ измеряется в секундах. Здесь m –количество влаги, проходящей за время t через участок поверхности S сквозь слой толщиной h под действием разности давления водяных паров с двух сторон этого слоя. Тропикостойкость определяет изменение удельного объемного сопротивления, тангенса угла диэлектрических потерь, электрической и механической прочности и т.д. под воздействием тропических климатических факторов. Своеобразие тропического климата – высокая влажность, повышенные температуры, растительный мир – могут привести к различным нарушениям изоляции: появлению плесени, повреждению электрической изоляции насекомыми. С целью предохранения от плесени изоляционные материалы пропитывают специальными веществами – фугницидами. ЛЕКЦИЯ №9 ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ. Диэлектрические материалы – это материалы, предназначенные 1.Для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрооборудования и отделяет друг от друга части, находящиеся под различными электрическими материалами. 2.Для использования в качестве диэлектриков в электрических конденсаторах для создания определенной величины емкости и требуемых характеристик конденсатора. 3.Для использования в качестве активных диэлектриков (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты). Электроизоляционные материалы подразделяются по агрегатному состоянию на твердые, жидкие, газообразные. Отдельно можно выделить твердеющие материалы, которые в процессе изготовления изоляции находятся в жидком состоянии, а в процессе эксплуатации – в твердом. В соответствии с химической природой электроизоляционные материалы подразделяются на органические и неорганические. К органическим относятся соединения углерода, которые могут содержать так же кислород, водород, азот, галогены и другие элементы. Неорганические вещества содержат кремний, различные металлы, кислород и другие вещества. Разнообразие диэлектрических материалов очень велико, так же велико различие их физических и химических свойств. Поэтому невозможно в кратком курсе лекций охарактеризовать все свойства и параметры различных веществ, и мы только очень кратко остановимся на некоторых из них. Газообразные диэлектрики. Преимуществами газов перед другими видами диэлектрических материалов являются высокое удельное сопротивление, малый тангенс угла диэлектрических потерь, малая (близкая к единице) диэлектрическая проницаемость. Наиболее важным свойством газов является их способность восстанавливать электрическую прочность после разряда. Наиболее распространенным газообразным диэлектриком является воздух, который является естественным изолятором в линиях электропередач, в воздушных конденсаторах и многих других устройствах, часто играя роль дополнительного изолятора. Кроме воздуха в качестве электрической изоляции используются двух- и трех- атомные газы: азот, водород, углекислый газ. Электрические прочности этих газов мало отличаются друг от друга и могут считаться равными электрической прочности воздуха. Азот часто применяют вместо воздуха для заполнения газовых конденсаторов, поскольку он не содержит кислорода, оказывающего окисляющее влияние на соприкасающиеся с ним материалы. Однако, некоторые газы с более высокой плотностью, обычно это галогеносодержащие газы, имеют гораздо более высокую электрическую прочность. Лучше всего требованиям, предъявляемым к газам, применяемым в электроизоляционных конструкциях, удовлетворяют элегаз (гексафторид серы SF6 ) и фреон СCl2F2, электрическая прочность которых в 2,3 и 2,4 раза превышает прочность воздуха. Элегаз обладает более низкой температурой кипения (-64оС) и высокой плотностью ( в 5,1 раз тяжелее воздуха). Он может быть сжат до давления 2 Мпа без сжижения. Элегаз нетоксичен, химически стоек, не разлагается при нагреве до 800оС. Наиболее ярко его преимущества проявляются при повышенных давлениях. Кроме высокой электрической прочности элегаз обладает высокой дугогасящей способностью. Особый интерес представляет водород. Электрическая прочность водорода меньше, чем воздуха (примерно на 40%), но он имеет высокий коэффициент теплопроводности и применяется в качестве электроизоляционной и охлаждающей среды в крупных турбогенераторах. Кроме того при замене воздуха водородом заметно снижаются потери мощности на трение ротора машины о газ. Ввиду отсутствия окисляющего действия кислорода воздуха, замедляются процессы старения органической изоляции обмоток, снижается пожароопасность при коротком замыкании внутри машин. К изоляционным газам относятся перфторированные углеводороды, то есть углеводороды, в молекулах которых все атомы водорода заменены фтором СхFy (CF4, C2F6, C3F8 и т.д.). Электрическая прочность некоторых из них превышает электрическую прочность воздуха в 6-10 раз. Жидкие диэлектрики. Жидкие диэлектрики представляют собой электроизоляционные жидкости, используемые в электрических аппаратах высокого напряжения и в блоках электронной аппаратуры. Применение электроизоляционных жидкостей позволяет обеспечить надежную и длительную работу электрической изоляции находящихся под напряжением элементов конструкций и отводить от них теплоту, выделяющуюся при работе. Наиболее распространенным жидким диэлектриком является трансформаторное масло. Его получают из нефти, очищая масляный дистиллят, который остается после отгонки от нефти легких нефтепродуктов: бензина, керосина, легроина. Дистиллят очищают серной кислотой, затем нейтрализуют щелочью, промывают водой и сушат при температуре 75-85оС, продувая через него воздух. Для очистки от примесей и механических загрязнений масло фильтруют через адсорбенты. Свежее трансформаторное масло имеет светло-желтый цвет, в процессе эксплуатации из-за накопления продуктов окисления оно темнеет. Трансформаторное масло широко применяется в различных электротехнических устройствах. Большинство трансформаторов – это масляные трансформаторы. Масло, во-первых, заполняя пространство между витками обмоток и пропитывая волокна изолирующего материала, служит дополнительным изолятором. Во-вторых, оно служит для теплоотвода от нагревающихся в процессе работы частей трансформатора. Кроме этого, трансформаторное масло применяется в высоковольтных выключателях. В момент коммутации в таких выключателях возникает электрическая дуга. Заполнение выключателей маслом способствует быстрому охлаждению канала дуги и ее гашению. Трансформаторное масло применяется в качестве диэлектрика в некоторых типах кабелей, конденсаторах. Нефтяные электроизоляционные масла являются горючими жидкостями и представляют большую пожарную опасность, которая оценивается по температуре вспышки паров трансформаторного масла в смеси с воздухом. Согласно ГОСТ эта температура не должна быть ниже 135 –140оС. Температурой вспышки является температура, при которой смесь паров масла с воздухом вспыхивает при поднесении легкого пламени. Температура воспламенения – температура, при которой масло загорается при поднесении к нему пламени. Температура вспышки как правило на 25-30оС ниже, чем температура воспламенения. При использовании трансформаторного масла в высоковольтных выключателях для гашения дуги, важным параметром является температура застывания. Тогда как обычное трансформаторное масло имеет температуру застывания около -45оС, специальное «арктическое масло» масло застывает при -70оС. Наиболее важные свойства масла нормируются ГОСТом. К ним относятся: кинематическая вязкость при температуре 20 и 50оС, так как при увеличении вязкости хуже отводится теплота от обмоток. Кислотное число – количество граммов КОН, которым можно полностью нейтрализовать все кислые продукты в 1 кг масла. (0,03 – 0,1 г). Плотность масла (0,85 – 0,9 мг/м3). Температурный коэффициент объемного расширения – 0,00065 К-1. Удельная теплоемкость 1,5 Дж/кг К. Коэффициент теплопроводности 1 Вт/м К. Хорошо очищенное масло является неполярным диэлектриком. При температуре 20оС его диэлектрическая проницаемость ε = 2,2 – 2,3, tgδ ≤ 0,003, ρ ≤ 1013 Ом м. Наиболее важной характеристикой трансформаторного масла является его электрическая прочность, которая очень чувствительна к увлажнению. С целью контроля электрической прочности масло регулярно проверяют на пробой. Пробой масла производят в стандартном разряднике между погруженными в масло дисковыми электродами диаметром 25 мм и расстоянием между ними 2,5 мм. Пробивное напряжение в стандартных разрядниках составляет 50 – 60 кВ. Примесь воды в масле значительно уменьшает его электрическую прочность. В процессе эксплуатации масло постепенно стареет, при этом ухудшаются его параметры: tgδ, цвет, кислотность, вязкость, температура замерзания и другие. Наиболее интенсивно процессы старения происходят при температурах, превышающих максимально допустимую рабочую температуру (для масла не более 95оС) при одновременном воздействии электрического поля. Старение ускоряется в присутствии катализаторов (медь, ее сплавы и соли, органические кислоты). В начале процесса старения масла сначала образуются частично растворимые загрязняющие продукты – смолы и кислоты, потом появляются тяжелые, нерастворимые, которые в виде ила или шлама осаждаются на дне и на различных частях трансформатора, ухудшая теплоотвод. Под действием электрического поля изменяется структура масла и характер продуктов окисления, происходит выделение газов. Масла, побывавшие в эксплуатации, подвергают регенерации, то есть очистке и сушке. Синтетические жидкие диэлектрики. Кроме нефтяных масел в электротехнике широко применяются синтетические жидкие диэлектрики. Их достоинством является то, что они позволяют обеспечить длительную и надежную работу высоковольтных электрических аппаратов при повышенных тепловых нагрузках, в пожароопасной и взрывоопасной среде, при больших напряженностях поля. Наиболее распространенные – синтетические жидкости на основе хлорированных углеводородов. Они обладают высокой термической устойчивостью, электрической стабильностью, негорючестью, повышенным значением диэлектрической проницаемости. Существенным недостатком является их высокая токсичность, в результате чего их применение запрещено, тем не менее в эксплуатации еще остается большое их количество. Хлорированные углеводороды получают путем хлорирования дифенила С6Н5-С6Н5, с различной степенью хлорирования. Недостаток – высокая вязкость, которая растет с увеличением степени хлорирования. Наиболее распространен пентахлордефинил С10Н12Сl5 – совол. Его диэлектрическая проницаемость при 20оС равна 5, а при 90оС – 4,1, что позволяет использовать его в конденсаторах, уменьшая их размеры. Для применения в силовых трансформаторах чаще используется совтол-10 – смесь 90% совола и 10% трихлорбензола (С6Н3Cl3) или гексол – смесь 20% совола и 80% гексахлорбутадиена (С4Cl6). Для сравнения важнейших параметров этих диэлектриков составим таблицу. Совол совтол гексол Кинематическая вязкость(мм2/с) 75 25 1,8 Температура застывания(оС) 5 -7 -60 Электрическая прочность большинства хлорированных углеводородов невелика и составляет 18-22 МВ/м. ЛЕКЦИЯ №10 Кремнийорганические жидкие диэлектрики. Это жидкости, которые представляют собой полимеры с низкой степенью полимеризации, в молекулах которых содержится повторяющаяся силоксанная группировка | | • Si – O – Si – | | атомы кремния в которой связаны с органическими радикалами. В зависимости от строения радикала (метил, этил или фенил) кремнийорганические жидкости носят название полиметилсилоксановые (ПМСЖ), полиэтилсилоксановые (ПЭСЖ), полифенилсилоксановые (ПФСЖ), полиметилфенилсилоксановые (ПМФСЖ). Эти диэлектрики обладают очень высокой температурой вспышки (не ниже 300оС) и низкой температурой застывания (не выше -60оС). Электрические характеристики: tgδ = (2-3)10-4, ε = 2,4-2,5, ρ = 1011-1012 Омм, Uпр≥45 кВ. Кремнийорганические жидкости используются в импульсных трансформаторах, специальных конденсаторах, блоках радио электронной аппаратуры. Фторорганические соединения. По химическому составу представляют собой углеводороды, эфиры и другие соединения, в которых атомы водорода частично или полностью заменены атомами фтора (или хлора). Если атомы водорода полностью заменены на атомы фтора, то такие соединения называются перфторированными. Достоинства: негорючесть, высокая химическая и термическая стабильность, высокие электрофизические и теплопередающие свойства. Последнее свойство позволяет применять их в качестве хладоагентов, когда рабочие температуры велики для других диэлектриков. Их называют хладонами (раньше называли фреонами). По диэлектрическим свойствам фторированные углеводороды относятся к неполярным диэлектрикам, их характеристики: tgδ = (1-2)10-4, ε = 2,2-2,5, ρ = 1012-1014 Омм, Uпр = 28-49 кВ. Смесь хладона с воздухом невзрывоопасна, хладоны нетоксичны, но при высоких температурах разлагаются с выделением токсичных продуктов. Полимеры. Полимеры – это высокомолекулярные соединения, то есть вещества, состоящие из больших молекул, содаржащих иногда многие тысячи атомов. Молекулярная масса таких веществ может доходить до миллиона, а геометрические размеры молекул настолько велики, что растворы этих веществ, если они вообще способны растворяться, приближаются по свойствам к коллоидным системам. Молекулы полимеров, называемые макромолекулами, состоят из большого числа многократно повторяющихся структурных группировок, элементарных звеньев, соединенных в цепи химическими связями. Например, в молекуле поливинилхлорида Н Н Н Н Н Н ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ – С – С – С – С – С – С – ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ Н Cl H Cl H Cl Повторяющимся звеном является группировка Н Н ׀ ׀ – С – С – ׀ ׀ Н Cl Полимеры получают из мономеров, веществ, каждая молекула которых способна образовывать одно или несколько составных звеньев. Полимеры характеризуются степенью полимеризации, то есть числом элементарных звеньев в молекуле. Например, Структурную формулу поливинилхлорида можно записать в виде Н Н ׀ ׀ – С – С – ׀ ׀ Н Cl n Где n- степень полимеризации. Полимеры получают путем полимеризации или поликонденсации. Полимеризация – реакция образования полимера из мономера без выделения низкомолекулярных побочных продуктов. Поликонденсация – реакция образования полимеров из мономеров с выделением низкомолекулярных продуктов – воды, спирта и др. Полимеры подразделяются на линейные и пространственные. В линейных полимерах макромолекулы состоят из последовательно повторяющихся звеньев с большим отношением длины молекулы к ее поперечным размерам. Макромолекулы пространственных полимеров связаны в общую сетку. Линейные полимеры используют для получения термопластов. При нагревании они размягчаются, а при охлаждении затвердевают. При этом процессе не происходит никаких химических изменений. На основе пространственных полимеров получают термореактивные полимеры. При нагревании они переходят в неплавкое и нерастворимое состояние. Этот процесс является необратимым. Полимеры в зависимости от физической структуры вещества могут иметь либо кристаллическое, либо аморфное строение. Как аморфные, так и кристаллизующиеся полимеры могут находиться в трех состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем. В стеклообразном состоянии полимеры обладают хрупкостью. Температура, при которой в результате нагревания полимер приобретает эластичность, называется температурой стеклования (Тс). при более высоких температурах материалы обладают большой упругой деформацией и находятся в высокоэластичном состоянии. Полимеры, обладающие этим свойством в широком интервале температур, называются эластомерами или каучуками. Если полимер, находящийся в высокоэластичном состоянии нагревать до температуры текучести (Тт), то он переходит в вязкотекучее состояние. В этом состоянии материал обладает необратимыми пластическими деформациями. Δl/l СС ВЭС ВТС Тс Тт Т Кристаллические полимеры обычно содержат как кристаллическую, так и аморфную фазы. Многие свойства полимеров зависят от соотношения аморфной и кристаллической фаз – степени кристалличности. Совокупность характеристик, определяющих поведение полимеров в электрическом поле (Епр, ρ, ε, tgδ) зависит от полярности звеньев макромолекул, наличия остаточных реакционноспособных групп и различных примесей и изменяется от темепературы, частоты и амплитуды внешнего электрического поля. Для неполярных полимеров, очищенных от примесей (полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен) характерны большие значения ρ = 1014 – 1016 Ом м, малое значение ε = 2,0 – 2,4, малый tgδ ~ 10-4. Полярные полимеры имеют меньшее удельное сопротивление и большие значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь. Неполярные и слабополярные полимерные диэлектрики применяются в кабельной технике, полярные полимеры с повышенным ε применяют в конденсаторной технике. При высоких частотах используются полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен, у которых малы ε и диэлектрические потери. В низкочастотных конденсаторах и при постоянном токе можно применять полимеры с повышенным ε и в стеклообразном состоянии. Электрическая прочность полимеров резко снижается в области температур стеклования для аморфных и температур плавления для кристаллических полимеров. Полярные полимеры имеют более высокую электрическую прочность, чем неполярные при комнатных температурах. Длительная рабочая температура линейных полимеров не превышает 120оС, исключение составляют фторсодержащие полимеры и полифенилы. Кремнийорганические полимеры имеют рабочую температуру 180-200оС. Высокую устойчивость при повышенных температурах имеют пространственные полимеры. Природные смолы. Природные смолы – это органические соединения растительного и биогенного происхождения. При нагревании природные смолы размягчаются и плавятся. В воде нерастворимы, растворяются в спирте, эфире, эфирных маслах и других органических растворителях. К природным смолам, используемым в электротехнике относятся: Шеллак – продукт жизнедеятельности насекомых на ветвях тропических деревьев. Хорошо растворим в спирте, почти нерастворим в бензине и бензоле. Плавится при температуре 80оС, при длительном нагревании переходит в неплавкое и нерастворимое состояние. Относится к слабополярным диэлектрикам. Применяется в виде спиртового раствора для изготовления клеющих лаков, для слюдяной изоляции и для лакировки деталей. Канифоль – получают из смолы хвойных деревьев. Растворяется в спирте, бензине, бензоле, растительных маслах, в воде не растворяется. Слабополярный диэлектрик. Применяется для изготовления лаков и компаундов, добавляется к нефтяному маслу при пропитке бумажной изоляции силовых кабелей, применяется как составная часть многих электроизоляционных смол. Янтарь – ископаемая смола растений с температурой плавления выше 300оС. Не растворяется почти ни в каких растворителях, в расплавленном состоянии растворяется в скипидаре, бензине, маслах. Слабополярный диэлектрик с высоким удельным сопротивлением ρ = 1017 Ом м. Из-за дороговизны применяется мало, в основном в электроизмерительных приборах, где нужна высокая степень изоляции. ЛЕКЦИЯ №11 Синтетические линейные неполярные полимеры (смолы). Наибольшее техническое значение из этого класса полимеров имеют: полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен. Эти полимеры получают полимеризацией. Полиэтилен – получают при высоком, низком и среднем давлении полимеризацией этилена в присутствии катализаторов. Этилен Н2С = СН2 – при комнатной температуре газообразное вещество. Полиэтилен Н Н Н Н Н Н ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ – С – С – С – С – С – С – ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ Н Н H Н H Н твердое вещество. Полиэтилен кристаллизующийся полимер со степенью кристаллизации 50-90%. Отличается высокой прочностью, стойкостью к действию агрессивных сред и радиации, нетоксичен, обладает хорошими диэлектрическими свойствами. Изделия из полиэтилена становятся хрупкими только при –70оС, поэтому он пригоден к эксплуатации в суровых климатических условиях. В промышленности получают полиэтилен со сшитой структурой молекул, когда создаются поперечные химические связи между линейными цепями молекул. Сшитый полиэтилен получают при облучении частицами высоких энергий или при воздействии специальных перекисных соединений, вызывающих сшивку молекул при высокой температуре. Такой полимер становится резиноподобным при 110-115оС и сохраняет прочность до температур порядка 200оС. Полиэтилен применяется в качестве электроизоляционного материала в электротехнике и радиоэлектронике, в кабельной промышленности. Полистирол – получают полимеризацией мономерного стирола. Формула полистирола [ – H2C – CH – C6H5 – ]n. Полистирол – термопластичный материал с высокими диэлектрическими свойствами. Получают его в виде блоков, эмульсий, суспензий, растворов. Для электротехнических целей в основном применяется блочный полистирол, эмульсионный имеет худшие диэлектрические качества и используется для изготовления пенопластов для конструкционных систем. Полистирол химически стоек, устойчив к воздействию влаги, растворяется в хлорированных углеводородах. Недостатки – низкая механическая прочность и невысокая теплостойкость. Полистирол прозрачен, бесцветен, применяется для изготовления оптических стекол. Температура стеклования 80-82оС, температура эксплуатации не должна превышать 60оС. Полистирол применяется для изготовления деталей электро- и радиоэлектронных приборов, в конденсаторной технике, в кабельной промышленности в качестве электроизоляционного материала, для изготовления полистирольных лаков. Политетрафторэтилен [ – CF2 – CF2 – ]. Выпускается под названием фторопласт-4 и получается полимеризацией тетрафторэтилена F2C = CF2. Степень кристалличности около 90%. Кристаллическая структура нарушается при температуре 327оС, после чего полимер переходит в высокоэластическое состояние, сохраняющееся вплоть до температуры разложения 415оС. Рабочая температура от –269 до 260оС. Фторопласт-4 не горит, не растворяется в диапазоне рабочих температур ни в одном растворителе, на него не действуют кислоты, щелочи и другие агрессивные вещества. По химической стойкости превосходит золото и платину, не смачивается водой, стоек к тропическому климату. Имеет исключительно высокие электроизоляционные свойства. Недостатки – ползучесть, возникающая под действием небольших механических нагрузок, и низкая устойчивость к действию коронного разряда. Применяется в электронике и радиотехнике для изготовления электрической изоляции проводов, кабелей, конденсаторов, трансформаторов, работающих при высоких и низких температурах и в агрессивных средах. Фторопласт-4 физиологически безвреден, но при температуре выше 250оС из него начинают выделяться высокотоксичные газообразные продукты. Синтетические полярные полимеры. По сравнению с неполярными полярные полимеры обладают большими значениями диэлектрической проницаемости (ε = 3-6) и повышенными диэлектрическими потерями. Эти свойства обусловлены асимметричностью строения элементарных звеньев макромолекул, вследствие чего в этих материалах возникает дипольно-релаксационная поляризация. Поливинилхлорид (ПВХ) представляет собой полимер, получаемый полимеризацией хлористого винила с образованием высокомолекулярного соединения по следующей схеме: nCH2 = CHCl→[ – CH2 – CH ]n ‌ Cl Молекула хлористого винила асимметрична, поэтому обладает резко выраженными полярными свойствами. Поливинилхлорид не воспламеняется, почти не горит, нерастворим в воде, спирте, бензине и других растворителях, при нагревании растворяется в хлорированных углеводородах, ацетоне. Стоек к действию кислот, щелочей, смазочных масел. Материалы на основе ПВХ имеют высокую влагостойкость, поэтому применяются для изоляции защитных оболочек кабелей, проводов, а также в виде лент, трубок, листов в электрических машинах. Политрифторхлорэтилен (фторопласт-3) [ – CF2 – CFCl – ]n - кристаллический полимер с температурой плавления кристаллической фазы около 215оС. По сравнению с фторопластом-4 имеет меньшую термическую стойкость и способен отщеплять хлор при температуре выше 260оС, но может перерабатываться в различные изделия методом прессования. Применяется для изготовления радиодеталей, пленов в конденсаторной технике, фольгированных диэлектриков. Все вышеперечисленные полимеры получают путем полимеризации. К полимерам, получаемым в результате поликонденсации, относятся фенолформальдегидные смолы, полиэфирные, глифталевые, эпоксидные, кремнийорганические. В зависимости от условий проведения поликонденсации можно получить термопластичные смолы, называемые новолачными, или термоактивные, называемые резольными или бакелитами. Новолачные смолы получают при избытке фенола (7:6) , резольные – при избытке формальдегида (6:7). Новолачные смолы сохраняют плавкость и растворимость в этиловом спирте и других растворителях при нагревании. Бакелит непосредственно после получения находится в стадии А (резол). При нагревании бакелита в стадии А до температуры 110-140оС он проходит через промежуточную стадию В (резитол) и переходит в неплавкую и нерастворимую стадию С (резит). Новолачные смолы применяются для изготовления лаков и пресс-порошков для изготовления изоляции. Резольные смолы отличаются высокой механической прочностью и применяются при изготовлении слоистых пластиков (гетинакса и текстолита). Гетинакс получают путем горячего прессования бумаги, прорпитанной термореактивной смолой. Бумага пропитывается раствором смолы определенной концентрации и сушится при температуре 100-140оС на пропиточных машинах со скоростью 10-60 м/мин. Потом нарезается на листы, укладывается в пачки и прессуется под давлением 6-10 МПа. Затем охлаждается при комнатной температуры без снятия давления. Гетинакс используется для панелей распределительных устройств, щитов, изоляционных перегородок в устройствах низкого напряжения. Электрическая прочность в направлении перпендикулярном слоям 20-40 МВ/м, диэлектрическая проницаемость 5-6. Вдоль слоев электрическая прочность в 5-8 раз ниже, а удельное сопротивление в 50-100 раз. Текстолит аналогичен гетинаксу, но изготовляется из хлопчатобумажной ткани, пропитанной фенолформальдегидной смолой. Может работать в интервале температур от -60 до +105оС. Отличительная особенность – повышенное сопротивление раскалыванию и истиранию, в 5-6 раз дороже гетинакса. ЛЕКЦИЯ №12 Резины Резина состоит из многокомпонентной смеси на основе каучуков и близких к ним по свойствам веществ, называемых эластомерами, для получения необходимых свойств подвергается вулканизации. Натуральный каучук получают из млечного сока растений – каучуконосов. По химическому составу он представляет собой полимер углеводорода (С5Н8)n, в отдельных звеньях которого имеются двойные связи. – СН2 – С = С – СН2 – С = СН – СН2 – ‌ ‌ СН3 СН3 Высокая эластичность каучука обусловлена тем, что его молекулы имеют зигзагообразную форму. При растяжении форма цепочки приближается к прямолинейной, а структура близка к кристаллической. В нерастянутом состоянии каучук имеет свойства аморфных тел. В чистом виде каучук для изоляции не применяется, так как имеет слабую стойкость как к повышенным, так и к пониженным температурам. Эти недостатки устраняются в процессе вулканизации, то есть нагрева после введения в каучук серы. При вулканизации двойные связи некоторых атомов разрываются и сшивают цепочки молекул в пространственные структуры через атомы серы. По электрическим свойствам натуральный каучук относится к неполярным диэлектрикам ρ = 1014 Ом м, ε = 2,4, tgδ = 0,002. При увеличении в его составе серы усиливаются полярные свойства материала, в результате чего увеличиваются ε и tgδ. ε tgδ 102 4,0 10 2,4 2 2,0 0 5 10 15 20 25 30 %S При 1-3% серы получают мягкую резину с высокой растяжимостью и упругостью. При использовании различных добавок получают резины, обладающие различными механическими и электрическими свойствами. Резина применяется для изготовления изоляции установочных и монтажных проводов, кабелей, гибких переносных проводов и кабелей, защитных оболочек, перчаток, калош, ковриков и т.д. К недостаткам следует отнести низкую нагревостойкость, при нагреве резина становится хрупкой и трескается. Быстро стареет при воздействии света, особенно ультрафиолета. Неустойчива к действию озона. Имеющиеся молекулы свободной серы взаимодействуют с медью проводов, образуя сернистую медь. Поэтому при изготовлении изоляции в качестве вулканизатора обычно применяют не серу, а тиурам – органическое соединение, содержащее серу. При высокой степени вулканизации в структуре молекулы каучука почти полностью исчезают двойные связи и получается твердый электроизоляционный материал, называемый эбонитом. Эбонит содержит от 30 до 35% серы, отличается высокой твердостью, относительное удлинение резины перед разрывом составляет 150-500%, а эбонита 2-6%. В электротехнике эбонит применяется в основном в качестве конструкционного материала. Кроме резин в электротехнике применяются синтетические каучуки: бутиловый, хлоропреновый, кремнийорганические. Последние отличаются повышенной нагревостойкостью (рабочая температура 250оС) и высокая холодоустойчивость, они сохраняют гибкость при температуре –70 - -100оС. Лаки, эмали, компаунды. Электроизоляционные лаки представляют собой коллоидные растворы на лаковой основе, образующей после удаления растворимую пленку, которая обладает электроизоляционными свойствами. Лаковая основа представляет собой ту часть лака, которая образует пленку и состоит из битумов, высыхающих растительных масел, природных и синтетических смол. Битумы – черные твердые или пластичные вещества с аморфной структурой, состоящие из сложной смеси углеводородов. Природные битумы – асфальты содержат различные минеральные добавки. Битумы при нагревании переходят в жидкое состояние, при охлаждении затвердевают. Для электроизоляционной техники применяют нефтяные битумы марок БН-111, БН-IV, БН-V. Растительные масла получают из семян различных растений. Под действием нагрева, освещения, соприкосновения с кислородом воздуха они способны переходить в твердое состояние. Пленки масел практически не растворяются в воде и органических растворителях. Для изготовления растворения и использования лаков применяют растворители – летучие жидкости, применяемые для растворения лаковых основ и улетучивающиеся в процессе образования пленки. Сиккативы – вещества, ускоряющие процесс высыхания растительных масел и лаков. Пластификаторы – вещества, придающие эластичность и ударность лаковой пленке. Отвердители – соединения, способствующие отверждению пленки лака. Инициаторы и ускорители – вещества, ускоряющие образование полимеров. Ингибиторы – соединения, препятствующие преждевременному загустеванию. Электроизоляционные эмали – лаки, в состав которых входят пигменты неорганические вещества, повышающие твердость, механическую прочность, теплопроводность лаковой основы. В качестве пигментов применяют диоксид титана, железный сурик. Компаунды – Состоят в основном из тех же веществ, что и лаковые основы, но в отличие от лаков не содержат растворителей. Волокнистые материалы. Волокнистые материалы состоят преимущественно из частиц удлиненной формы - волокон, промежутки между которыми заполнены воздухом у непропитанных материалов и природными или синтетическими смолами у пропитанных. Достоинства – невысокая стоимость, хорошая механическая прочность, гибкость, легкость обработки. Недостатки – невысокая электрическая прочность и теплопроводность, гигроскопичность. К волокнистым материалам относятся: а)растительные волокна; б)бумага, картон, хлопчатобумажные пряжа и ткань; в)животные волокна (натуральный шелк); г)искусственные и синтетические волокна (ацетатный шелк, капрон); д)неорганические волокна (стекловолокно, асбест). Бумаги и картоны – рулонные или листовые материалы коротковолокнистого строения, состоящие в основном из целлюлозы. Наиболее высококачественная – конденсаторная бумага, применяемая для изготовления диэлектрика конденсатора. У нас в стране выпускается бумага марок: КОН – обычная, СКОН – специальная, улучшенного качества, МКОН – с малыми диэлектрическими потерями, ЭМКОН – с высокой электрической прочностью и малыми потерями. При использовании конденсаторной бумаги в качестве диэлектрика обычно берут несколько слоев с применением различных пропиток, что обеспечивает перекрытие сквозных отверстий и проводящих включений в отдельных листах. Лакоткани – гибкие электроизоляционные материалы, представляющие собой ткань (хлопчатобумажную, шелковую, стеклянную), пропитанную электроизоляционным лаком. Лаки, заполняя при пропитке поры, после высыхания образуют прочную пленку, обеспечивающую хорошие электроизоляционные свойства. Слюдяные материалы. Слюды – это группы материалов, относящихся к водным алюмосиликатам с ярко выраженной слоистой структурой, которая обусловливает высокую анизотропию свойств. В качестве электроизоляционных материалов применяют два вида слюд: мусковит (К2О3Al2O36SiO22H2O) и флогопит (К2О6MgOAl2O36SiO22H2O). Отличаются высокой электрической прочностью, нагревостойкостью, механической прочностью и гибкостью, имеют высокую химическую стойкость. В природе встречаются в виде кристаллов, способных легко расщепляться на пластинки по параллельным плоскостям (плоскостям спайности). При нагревании слюды до некоторой температуры из нее начинает выделяться входящая в ее состав вода. При этом, в результате вспучивания слюда теряет прозрачность, толщина ее увеличивается, механические свойства и электрические характеристики ухудшаются. Температура обезвоживания для различных слюд колеблется в широких пределах от 150 до 800оС. Температура плавления зависит от химического состава и составляет 1145 – 1400оС. Расплавленная слюда при застывании не образует кристаллов прежнего состава, и получившееся стекловидное вещество уже не является слюдой. Синтетическая слюда получается путем расплавления в высокотемпературной печи шихты специально подобранного состава с последующим медленным охлаждением состава, в результате чего кристаллизуется синтетическая слюда. Синтетическая слюда, называемая фторфлогопитом, обладает более высокой химической стойкостью, нагревостойкостью, радиационной стойкостью, чем природный флогопит. Это связано с тем, что гидроксильные группы ОН замещены в них ионами фтора. Синтетическая слюда значительно дороже, чем природная. Она получается в виде сравнительно небольших кристаллов и труднее расщепляется. По этим причинам она не может рассматриваться как заменитель природной слюды, однако представляет иньерес из-за высоких электрических свойств. Фторфлогопит применяется в качестве изоляционных материалов в электронных лампах, в волноводах, в качестве диэлектрика конденсаторов, работающих до температуры 600-700оС Слюдяные материалы изготавливают на основе щепаной слюды. После очистки слюды от посторонних минералов при ее извлечении из горных пород она носит название забойного сырца. Забойный сырец разбирается вручную, раскалывается ножом на пластинки и обрезается. Полученная щепаная слюда применяется для производства миканитов. Миканиты – листовые или рулонные материалы, получаемые склеиванием между собой пластинок щепаной слюды. В качестве склеивающих материалов применяются различные, преимущественно синтетические смолы или лаки. Чаще миканитами называют именно листовые материалы, а рулонные называют микалентой или микафолием. По областям применения различают пять основных видов миканита: коллекторный, прокладочный, формовочный, гибкий, термоупорный. Активные диэлектрики Диэлектрики, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий и использовать эти воздействия для создания функциональных элементов электроники, относятся к группе активных диэлектриков. В то время, как к пассивным диэлектрикам предъявляются требования сохранения стабильности свойств при различных внешних воздействиях, к диэлектрикам, выполняющим активные функции управления энергией или преобразования поступающей информации, предъявляются требования совершенно противоположные. Чем сильнее изменяются свойства материала при внешних возмущениях, тем лучше такой элемент выполняет свои функции. Сегнетоэлектрики – вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрики обладают рядом специфических свойств, которые проявляются лишь в определенном диапазоне температур. Температура ТК – точка Кюри – является температурой фазового перехода. Ниже этой температуры сегнетоэлектрик обладает доменной структурой и характерными сегнетоэлектрическими свойствами, выше этой температуры происходит распад доменной структуры. Следствием доменной структуры сегнетоэлектрика является нелинейность зависимости электрической индукции от напряженности электрического поля – электрический гистерезис, а также резко выраженная температурная зависимость диэлектрической проницаемости, в которой максимум приходится на точку Кюри. Сегнетоэлектрики подразделяют на две группы: 1)ионные кристаллы (титанит бария ВаТiО3, титанат свинца PbTiO3, ниобат калия KNbO3). Все соединения этой группы нерастворимы в воде, обладают значительной механической прочностью, легко получаются по керамической технологии 2)дипольные кристаллы (сегнетова соль NaKC4H4O6 4H2O, триглицинсульфат (NH2CH2COOH)3H2SO4). Соединения обладают малой механической прочностью, растворимы в воде. Сегнетоэлектрики применяются для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью; для изготовления материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других управляемых устройств. Для изготовления нелинейных конденсаторов применяют сегнетоэлектрические материалы с резко выраженными нелинейными свойствами – сильной зависимостью диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля. Такие материалы называются варикондами. Вариконды предназначены для управления параметрами электрической цепи за счет изменения их емкости. Пьезоэлектрики – диэлектрики с сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектриков под действием механических напряжений. При обратном пьезоэффекте происходит изменение размеров диэлектрика под действием приложенного электрического поля. Наибольшее распространение среди пьезоэлектрических материалов получил монокристаллический кварц, из которого вырезают пластины с нужной кристаллографической ориентацией. Из них изготавливают кварцевые резонаторы, представляющие собой пластинки с электродами и держателем. Они имеют очень малый тангенс угла диэлектрических потерь ~ 10-6. Кроме кварца в различных преобразователях используются кристаллы сульфата лития, сегнетовой соли и другие. Для изготовления пьезоэлектрических преобразователей применяется также пьезоэлектрическая керамика, изготовляемая из цирконата- титаната свинца PbZnO3 – PbTiO3 (ЦТС). Преимущество пьезокерамики перед монокристаллами – возможность изготовления активных элементов сложной формы и любого размера. Пьезокерамика применяется для изготовления малогабаритных микрофонов, телефонов, детонаторов, датчиков давления, деформации, ускорения, вибрации, пьезорезонансных фильтров, линий задержки и лр. Пироэлектрики – диэлектрики, обладающие пироэлектрическим эффектом, то есть изменением спонтанной поляризованности диэлектриков при изменении температуры. Типичные линейные пироэлектрики – турмалин и сульфит лития. Пироэлектрики спонтанно поляризованы, но в отличие от сегнетоэлектриков направление их поляризации не может быть изменено внешним электрическим полем. При неизменной температуре спонтанная поляризованность пироэлектрика скомпенсирована свободными зарядами засчет процессов электропроводности и адсорбции заряженных частиц из окружающей атмосферы. При изменении температуры спонтанная поляризованность изменяется, что приводит к освобождению некоторого заряда на поверхности пироэлектрика, в результате чего в замкнутой цепи течет ток. Пироэффект используется для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, предназначенных для регистрации инфракрасного и СВЧ излучения. Электреты – диэлектрики, способные длительное время сохранять поляризованное состояние и создавать в окружающем их пространстве электрическое поле. Остаточная поляризация в электретах в отличие от пироэлектриков и поляризованных сегнетоэлектриков компенсирована не полностью, что приводит к отличной от нуля внешней напряженности поля. Существуют различные способы получения электретов. Термоэлектреты получают путем охлаждения в сильном электрическом поле расплава полярных диэлектриков; фотоэлектреты получают из материалов, обладающих фотоэлектропроводностью – серы, сульфита кадмия – при одновременном воздействии света и электрического поля; короноэлектреты получают при пониженном давлении газа в коронном разряде. Электреты применяют для изготовления микрофонов, телефонов, дозиметров радиации, электрометров в фотографии и др. ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ К проводниковым материалам могут относиться как твердые, так и жидкие и газообразные вещества. Наиболее важными проводниками являются металлы и их сплавы. Металлы подразделяются на металлы высокой проводимости, удельное сопротивление которых ρ ≤ 0,05 мкОм м, и сплавы высокого сопротивления с удельным сопротивлением ρ ≥ 0,3 мкОм м. Из первых изготавливают провода, обмотки трансформаторов и электрических машин, жилы кабелей. Вторые применяются для изготовления резисторов, электронагревательных приборов. Отдельно можно выделить сверхпроводники и криопроводники. К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и электролиты. Механизм прохождения тока в металлах обусловлен движением свободных электронов, при этом не происходит переноса вещества. Такие проводники называются проводниками с электронной проводимостью или проводниками первого рода. В электролитах кроме электронов могут перемещаться и ионы, это приводит к переносу вещества и оседанию его на электродах. Такие проводники называются проводниками второго рода. Газы в нормальных условиях являются диэлектриками, но в сильных электрических полях, когда происходит ударная ионизация, газы приходят в сильно ионизованное состояние, такое состояние называется плазмой. В плазменном состоянии газы являются хорошими проводниками. Основными параметрами, определяющими свойства проводников, являются: а)удельное сопротивление γ и удельная проводимость ρ; б)температурный коэффициент удельного сопротивления ТКρ; в)теплопроводность γТ; г)контактная разность потенциалов и термо э.д.с.; д)работа выхода электронов из металла. е)предел прочности при растяжении σр; ж)относительное удлинение при разрыве Δl/l. Удельное сопротивление. Как мы уже говорили, электропроводность металлов обусловлена направленным перемещением электронов при воздействии внешнего электрического поля. Металлы представляют собой кристаллическую решетку, в узлах которой закреплены атомные остовы – ионы, совершающие тепловые колебания относительно положения равновесия. Пространство между узлами решетки заполнено электронами, потерявшими связь со своими атомами – электронным газом. При движении вдоль поля, электроны соударяются с ионами решетки, изменяя свою энергию и траекторию. Возникает сопротивление электрическому току. Сопротивление проводника зависит от его геометрических размеров, поэтому не может являться характеристикой материала. Свойство вещества оказывать сопротивление электрическому току количественно характеризуется удельным сопротивлением. Удельное сопротивление – это сопротивление проводника длиной l = 1 м с поперечным сечением S = 1 мм2: . Удельное сопротивление измеряется в единицах: 1 Ом м = 106 мкОм м = 106 Ом мм2/м. Диапазон изменения удельного сопротивления металлов невелик от 0.016 мкОм м для серебра до 10 мкОм м для железохромалюминиевых сплавов. При анализе электрических свойств материалов чаще пользуются понятием удельной проводимости. Связь плотности тока в проводнике с напряженностью электрического поля определяется законом Ома в дифференциальной форме: j = γE где γ = 1/ρ – удельная проводимость, которая не зависит от напряженности поля. Измеряется в См/м. Удельная проводимость характеризует электрические свойства вещества и определяется, исходя из характеристик электронного газа. Согласно классической теории металлов удельная проводимость определяется как , где е – заряд электрона, n0 – число свободных электронов в единице объема, λ – средняя длина свободного пробега электронов, m – масса электрона, vT – средняя скорость теплового движения электронов. Квантово-механическая теория дает несколько иное определение удельной проводимости: , К –коэффициент, характеризующий металл, h – постоянная Планка. Концентрация свободных электронов и скорости их хаотического теплового движения для различных металлов при определенной температуре различаются незначительно. В связи с этим значение удельной проводимости в конкретном проводнике зависит в основном от длины свободного пробега электрона. Тепловая скорость в свою очередь определяется структурой проводникового материала. Для чистых металлов с наиболее правильной кристаллической решеткой значения удельного сопротивления минимальны. Наличие примесей и дефектов в решетке приводит к увеличению удельного сопротивления, поскольку при их наличии кристаллическая решетка искажается, что приводит к искажению электростатического поля решетки и уменьшению длины свободного пробега электрона. Кроме того, поскольку электрон имеет не только корпускулярную, но и волновую природу, то происходит частичное рассеяние энергии электронных волн на дефектах решетки и примесях. Удельное сопротивление можно представить в виде суммы ρтепл., обусловленного тепловыми колебаниями решетки, и ρдеф., вызванное наличием дефектов кристаллической решетки. ρ = ρтепл.+ ρдеф.. Для сплавов удельное сопротивление определяется в основном наличием примесей и нарушением структуры входящих в них металлов. Особенно резко оно возрастает, когда при сплавлении двух металлов образуется твердый раствор, то есть они совместно кристаллизуются, при этом атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого. Максимум удельного сопротивления соответствует строго определенному соотношению концентраций элементов в металле. ρ мкОм м 0,5 0 20 40 60 80 100 Ni% 100 80 60 40 20 0 Cu% Удельное сопротивление металлов зависит от температуры. При температурах, превышающих температуру Дебая θ, которая для металлов находится в пределах 400-800оС, удельное сопротивление возрастает практически линейно и обусловлено в основном усилением тепловых колебаний решетки. При этом уменьшается средняя длина свободного пробега электронов, их подвижность, а следовательно и проводимость металлов. В области более низких температур удельное сопротивление почти не зависит от температуры и определяется только дефектами решетки. При переходе металла из твердого состояния в жидкое, увеличивается объем металла, уменьшается его плотность, а следовательно и концентрация носителей, поэтому возрастает удельное сопротивление. Для металлов, уменьшающих при плавлении свой объем (галлий, висмут, сурьма) удельное сопротивление уменьшается. Изменение удельного сопротивления металлического проводника характеризуют температурным коэффициентом удельного сопротивления ТКρ или αρ (К-1). Температурный коэффициент удельного сопротивления представляет собой относительное изменение удельного сопротивления при изменении температуры на один градус. . Если температура металла изменяется мало, то для расчета удобнее использовать кусочно-линейную зависимость ρ = f(T), которая позволяет определить средний температурный коэффициент удельного сопротивления , где ρ0 – удельное сопротивление при комнатной температуре Т0. Используя это выражение можно достаточно точно определить удельное сопротивление для любой температуры Т2 в интервале от Т0 до Т1: . Металлические проводники и сплавы применяют в электротехнике чаще всего в виде проволоки различной формы и сечения. При деформации металла в холодном состоянии наблюдается искажение кристаллической решетки, что приводит к увеличению удельного сопротивления. Это явление устраняют при помощи отжига, в ходе которого металл или сплав сначала нагревается до высокой температуры, а затем медленно охлаждается. В результате процесса рекристаллизации происходит восстановление искаженной структуры и удельное сопротивление уменьшается. Термоэлектродвижущая сила. Свободные электроны в металлах хаотически движутся между положительными ионами, образующими остов кристаллической решетки. Внутри металла действие положительных ионов на свободный электрон в среднем скомпенсировано. Если же какой-либо электрон окажется снаружи слоя положительных ионов, то на него действует сила притяжения со стороны этих ионов. Если электрон в результате хаотического движения пересекает поверхность проводника, то эта сила притяжения возвращает его обратно в металл. Это говорит о том, что потенциальная энергия в металле меньше, чем вне его. Пусть имеется кусок металла. Выберем ось х перпендикулярно его поверхности. Тогда изменение потенциальной энергии вдоль оси х будет иметь вид потенциальной ямы. 0 х ΔΠ ΔΠ – скачок потенциальной энергии при переходе свободного электрона из металла наружу. Для выхода из металла электрон за счет своей кинетической энергии должен совершить работу, равную по величине глубине потенциальной ямы: АВ = ΔΠ. Так как скачок потенциальной энергии электрона обусловлен электрическим полем на границе металла, то ΔΠ = еΔφ, где е – заряд электрона, Δφ – скачок потенциала при переходе через поверхность металла. Тогда АВ = еΔφ. Минимальная работа АВ, которую должен совершить электрон за счет своей кинетической энергии для того, чтобы выйти из металла (и не вернуться в него) называют работой выхода. При нагревании металла кинетическая энергия его свободных электронов возрастает, следовательно, существенно увеличивается количество электронов, вылетающих с поверхности металла. Вылет свободных электронов из металла, вызванный его нагреванием называется термоэлектронной эмиссией. Если две пластинки из разных металлов, с работами выхода АВ1>АВ2 привести в соприкосновение, то начнется переход электронов из одного металла в другой. П П 0 х 0 х АВ1 АВ2 ΔΑВ Для перехода электронов из металла 1 в металл 2 им нужно преодолеть потенциальную ступеньку, а при переходе из металла 2 в 1 электроны как бы скатываются с потенциальной ступеньки ΔΑВ. Следовательно слева направо должно переходить меньше электронов, чем в обратную сторону, поэтому металл 1 заряжается отрицательно, а металл 2 – положительно, между ними возникает электрическое поле, оно тормозит переход электронов из металла 2 в металл 1, поэтому потоки в оба направления уравниваются, и наступает динамическое равновесие. Разность потенциалов Δφ = φ2 - φ1, возникающая между соприкасающимися металлами при динамическом равновесии потоков электронов называется контактной разностью потенциалов. Она может достигать нескольких вольт и не зависит от температуры. Если два различных металла образуют замкнутую цепь, и концентрация электронов n1 > n2 то при одинаковой температуре обоих контактов алгебраическая сумма изменений потенциалов в контактах будет равна нулю. Если же температуры контактов С и D будут разными, то в цепи возникнет э.д.с. А φc2 -φD2 С D +φc1 +φD1 B Действительно, если подогреть контакт D, то в нем произойдет переход электронов из металла В в металл А, и контактная разность потенциалов в контакте D возрастет. Так как в металле А на конце D электронов стало больше, то они устремятся к концу С. Увеличение концентрации электронов на конце С вызовет их переход из металла А в металл В через контакт С. Отсюда они через металл В перейдут к контакту Dю Таким образом, если температура контакта D все время больше, чем контакта С, то по замкнутой цепи будет происходить направленное движение электронов против часовой стрелки. Следовательно, в такой цепи действует э.д.с. Э.д.с. в замкнутой цепи, составленной из разнородных металлов, которая обусловлена различными температурами контактов, называют термоэлектродвижущей силой. А прибор, в котором вырабатывается термо-э.д.с. называют термоэлементом или термопарой. Контактную разность потенциалов можно определить по формуле: . Соответственно величина термо-э.д.с. определится как Здесь Т1 –температура горячего спая, Т2 – холодного. UAB и UBA – контактные разности потенциалов спаев, к – постоянная Больцмана, е – заряд электрона. Для изготовления термопар применяются сплавы: копель (56%меди, 44% никеля), алюмель (95% никеля, остальное – алюминий, кремний, марганец), хромель (90% никеля, 10% хрома), константан. Для различных интервалов температур: медь-константан и медь-хромель до 350оС, железо-константан, железо-копель, хромель-копель до 600оС, хромель-алюмель до 900-1000оС. Проводниковые материалы. Материалы высокой проводимости – наиболее распространены серебро, медь, алюминий. Серебро – металл белого цвета, дефицитен, его содержание в земной коре составляет 7 10-6% массы. Имеет минимальное удельное сопротивление, невысокие механические характеристики (твердость 25, предел прочности при разрыве 200Мпа, относительное удлинение при разрыве 50%). Имеет пониженную химическую стойкость и способность диффундировать в материал подложки. Применяется в радиотехнике для изготовления высокочастотных кабелей, для защиты медных проводов от окисления, для изготовления электродов конденсаторов, контактов радиодеталей. Медь – металл красноватого цвета, дефицитен, его содержание в земной коре составляет 4,7 10-3% массы. Используется в качестве проводникового материала, так как обладает рядом ценных технических свойств: малое удельное высокая механическая прочность, удовлетворительная стойкость к коррозии, легкость обработки, легкость спайки и сварки. Медь выпускается нескольких марок: М1, М00к, М0к, М0ку, М00б, М0б, М1б, М1к, М1ф, М1р. Здесь к, ку – катодная медь, б – бескислородная, у – катодная переплавленная, р,ф – раскисленная. Цифры 00, 0, 1 указывают содержание меди. Максимальное содержание меди имеют марки 00к и 00б. Марки М1ф, М1р не используются для изготовления проводов в связи с большим содержанием фосфора. Мягкая (отожженная) медь, удельное сопротивление которой не превышает 0,01724 мкОм м, применяется для изготовления жил кабелей, обмоточных и монтажных проводов. Твердая (холоднотянутая) имеет удельное сопротивление 0,018 мкОм м и применяется для изготовления контактных проводов, шин распределительных устройств, коллекторных пластин электрических машин, то есть там, где необходимо обеспечить большую твердость. Алюминий – металл, наиболее распространенный в природе (7,5%). Алюминий, обладая большим сродством к воздуху, легко окисляется, покрываясь защитной пленкой, которая предохраняет его от дальнейшего окисления и обусловливает высокую коррозийную стойкость. Марка алюминия начинается с буквы А, затем идет цифра, определяющая процентное содержание алюминия, например А97 содержит 99,97% алюминия. Остальное – контролируемые примеси. Проводниковый алюминий (А5Е, А7Е) используется для изготовления токопроводящих жил обмоточных и установочных проводов, кабелей, неизолированных линий электропередач. Сплавы высокого сопротивления имеют сопротивление не менее 0,3 мкОм и широко применяются для изготовления различныз электроизмерительных и электронагревательных приборов, образцовых сопротивлений и реостатов. Для этого применяют сплавы, отличающиеся высокой стабильностью удельного сопротивления во времени и малым температурным коэффициентом сопротивления. Манганин – медно-никелевый сплав, содержащий 2,3-3,5% никеля (с кобальтом), 11,5-13,5% марганца и 80-89,5% меди. Легирование марганцем позволяет стабилизировать удельное сопротивление в интервале температур от –100 до 100оС. Имеет малую термо-э.д.с. Константан содержит те же компоненты, что и манганин, но в иных соотношениях: 39-41% никеля, 1-2% марганца, 56,1-59,1% меди. Удельное сопротивление практически не зависит от температуры (ТКρ = 2 10-6К-1). По нагревостойкости превышает манганин, что позволяет использовать его в реостатах и нагревательных элементах, работающих при температурах до 500оС. Имеет высокие механические характеристики, что позволяет изготовлять из него тончайшую проволоку. Обладает высокой термо-э.д.с. в паре с медью и железом, поэтому не используется в высокоточных измерительных приборах, но применяется для изготовления термопар. Нихромы - сплавы на основе железа, содержащие в зависимости от марки 15-25% хрома, 55-78% никеля, 1,5% марганца. Обладают хорошей стойкостью при высоких температурах в воздушной среде, благодаря чему используются в электронагревательных приборах. Сверхпроводники и криопроводники. Явление сверхпроводимости было открыто в начале прошлого века. При проведении опытов по сжижению гелия обнаружили (нидерландский химик Камерлинг-Оннес ), что при охлаждении до температуры жидкого гелия (примерно 4,2К) сопротивление замороженной ртути скачком падает до практически бесконечно малого. Наличие у вещества практически бесконечной удельной проводимости назвали сверхпроводимостью, температура ТС, при которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние, называется температурой сверхпроводящего перехода. Явление сверхпроводимости приводит к тому, что, если по сверхпроводнику пропустить ток, и убрать источник этого тока, то он будет существовать в сверхпроводнике долгое время (годы) без заметного уменьшения своей силы. Явление сверхпроводимости металлов можно объяснить следующим образом. При температурах, близких к абсолютному нулю, меняется характер взаимодействия электронов между собой и атомной решеткой, так что становится возможным притягивание одноименно заряженных частиц – электронов и образование так называемых куперовских пар. Куперовские пары в состоянии сверхпроводимости обладают большой энергией связи, поэтому обмена энергетическими импульсами между ними и решеткой не происходит. Таким образом сопротивление металла становится практически равным нулю. С увеличением температуры некоторая часть электронов термически возбуждается и переходит в одиночное состояние, характерное для обычных металлов. При достижении критической температуры ТС, все куперовские пары распадаются, и сверхпроводимость исчезает. Сверхпроводимость нарушается не только при повышении температуры до значений ТС, но и при возникновении на поверхности полупроводника магнитного поля, если его магнитная индукция (или напряженность) превышает индукцию перехода ВС. Критическая индукция и критическая напряженность поля являются взаимосвязанными величинами. Эта зависимость для чистых металлов может быть приближенно представлена выражением: . Где Н0 критическая напряженность при абсолютном нуле, а Т0 –критическая температура в отсутствии магнитного поля. Сверхпроводниковые материалы подразделяют на сверхпроводники первого, второго и третьего рода. Для сверхпроводников первого рода характерно скачкообразное изменение удельной проводимости и определенная температура перехода в сверхпроводящее состояние, которое может разрушиться при малых критических температурах. У таких материалов наблюдается эффект Майснера – Оксенфельда, заключающийся в том, что при переходе вещества в сверхпроводящее состояние, магнитное поле выталкивается из него, то есть он становится идеальным диамагнетиком. Сверхпроводники второго рода отличаются тем, что переход в сверхпроводящее состояние у них происходит не скачком, а постепенно. Для них характерны два значения магнитной индукции для температуры ТС1, причем отличие от единицы очень невелико, например, для марганца μ= 1,0038, для алюминия μ = 1,000023, для азота μ = 1,000000013. Чем меньше величина магнитной проницаемости, тем слабее оно намагничивается внешним полем. Магнитная проницаемость парамгнетиков не зависит от напряженности магнитного поля, поэтому зависимость В(Н) будет линейной. Вещества, молекулы которых не имеют собственного магнитного поля, намагничиваются так, что внутри них наводящееся магнитное поле будет направлено навстречу внешнему полю, и эти вещества будут выталкиваться из поля. Такие вещества называются диамагнетиками, их магнитная проницаемость немного меньше единицы μ<1. Например, у висмута μ = 0,999824, у кремния μ = 0,999837, у воды μ = 0,999991. У диамагнетиков магнитная проницаемость также не зависит от напряженности поля. Особую группу составляют вещества, у которых магнитная проницаемость во много раз больше единицы μ » 1 и зависит от величины напряженности магнитного поля. Такие вещества называются ферромагнетиками, они способны сильно намагничиваться даже в очень слабых внешних полях. К ним относятся: железо, сталь, чугун, никель, кобальт, некоторые сплавы. Сильные магнитные свойства ферромагнетиков обусловлены тем, что они состоят из множества самопроизвольно намагниченных областей – доменов, размеры которых составляют около 0,001 мм. В каждом из доменов магнитные моменты всех его молекул направлены в одну сторону. Ферромагнитные свойства вещества связывают с тем, что электрон кроме орбитального вращения имеет еще вращение вокруг собственной оси, то есть имеет собственный момент количества движения – спин. Так как электрон заряжен, то он имеет и собственный магнитный момент. Магнитные моменты электронов могут иметь только два взаимнопротивоположных направления. У большинства веществ магнитные моменты электронов в атомах имеют попарно противоположные направления, поэтому их магнитные поля скомпенсированы. У ферромагнетиков в атомах имеется по нескольку электронов, магнитные моменты которых не скомпенсированы, так как направлены в одну сторону. Эти электроны усиливают магнитное поле вокруг атома. Так как атомы взаимодействуют друг с другом, обмениваясь электронами, то их магнитные моменты располагаются параллельно и образуются домены. Области самопроизвольного намагничивания – домены разделены друг от друга так называемыми стенками Блоха. При наложении внешнего поля происходит 1)рост объема доменов, которые имеют направление намагниченности, совпадающее или близкое к направлению внешнего поля, при этом уменьшаются размеры доменов, имеющих другую ориентацию; 2)поворот магнитных моментов в направлении внешнего поля. В,J Вr H HC При увеличении напряженности магнитного поля все большая часть доменов ориентируется вдоль поля, и магнитная индукция возрастает . Когда все домены переориентируются вдоль поля вещество будет полностью намагничено, такое состояние называется насыщением. Дальнейший рост напряженности уже не приводит к изменению намагниченности. Если уменьшать напряженность поля, то вещество начнет размагничиваться, но гораздо медленнее, чем происходил процесс намагничивания. Когда напряженность уменьшится до нуля, то ферромагнетик останется намагниченным. Величина магнитной индукции при нулевой напряженности называется остаточной намагниченностью Вr . Для того, чтобы материал полностью размагнитился, необходимо изменить направление напряженности. Величина напряженности поля, необходимая для уничтожения поля в материале называется коэрцитивной силой. Запаздывание размагничивания от изменения напряженности поля называется магнитным гистерезисом. Если намагничивать вещество не до насыщения, можно тоже получить петлю гистерезиса, но меньших размеров. Вершины всех возможных петель гистерезиса лежат на одной кривой, которая называется основной кривой намагничивания. В Н По основной кривой намагничивания можно определить величину абсолютной магнитной проницаемости . Значение магнитной проницаемости в слабых полях называют начальной магнитной проницаемостью. Экспериментально ее определяют при напряженности Н = 0,1 А/м. Наибольшее значение магнитной проницаемости называют максимальной проницаемостью. Магнитная проницаемость магнитных материалов растет с увеличением температуры и имеет максимум при температуре Кюри, выше которой доменная структура разрушается. Намагничивание магнитных материалов существенно зависит от направления магнитного поля в кристалле, то есть вдоль одних осей кристалла намагничивание протекает быстро (оси легкого намагничивания), вдоль других осей – медленнее (оси трудного намагничивания). Поликристаллические материалы, у которых нет ярко выраженных осей, поскольку кристаллиты ориентированы произвольно, но которые обладают анизотропией магнитных свойств, имеют магнитную текстуру, которая наводится путем внешних воздействий на металл (прессование в магнитном поле, прокатка). Текстурованные материалы широко используются в технике. При намагничивании магнитных материалов наблюдается изменение их размеров и формы. Такое явление называется магнитострикцией. Магнитострикция может быть объемной и линейной. Линейная магнитострикция по своей природе анизотропна. Например, для кристалла железа, намагниченного вдоль ребра куба, линейные размеры в этом направлении уменьшаются, при намагничивании вдоль диагонали – увеличиваются, то есть магнитострикция может быть как положительной, так и отрицательной. Потери в магнитных материалах. Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле сопровождается нагревом материала, что свидетельствует о наличии тепловых потерь энергии электромагнитного поля. Магнитные потери вызываются в основном двумя процессами: гистерезисом и вихревыми токами. Кроме того, иногда следует учитывать потери, связанные с магнитной вязкостью. В результате происходит нагрев вещества. Потери на гистерезис вызваны тем, что при разрастании и переориентации доменов возникает трение между молекулами, что приводит к нагреву материала. Мощность потерь на гистерезис пропорциональна площади петли гистерезиса и частоте переменного тока. , где η – коэффициент, характеризующий свойства материала, Вm –максимальная индукция в течение цикла, f – частота, V – объем образца, n – показатель степени, равный 1,6 – 2,0, принимающий значения в зависимости от В. Динамические потери, или потери – это потери, вызванные вихревыми токами, которые возникают в толще материала при пересечении витков (предполагаемых) материала наведенным магнитным потоком, который индуцирует э.д.с вихревых токов. Вихревые токи распространяются по периметру сечения образца. Величина вихревых токов пропорциональна э.д.с. и обратно пропорциональна удельному сопротивлению вещества. Потери на вихревые токи можно снизить, легируя материал кремнием, что повышает удельное сопротивление, и, выполняя магнитопровод из тонких изолированных листов, что позволяет уменьшить э.д.с. вихревых токов. Потери на вихревые токи можно выразить формулой . Магнитомягкие материалы. Магнитомягкие материалы обладают малой коэрцитивной силой и большой магнитной проницаемостью. Петля гистерезиса у них узкая и вытянутая вдоль оси индукции. Технически чистое железо (низкоуглеродистая сталь). Свойства его сильно зависят от содержания примесей, которые составляют не более 0,1% (углерод, сера, марганец и др.). Обладает сравнительно малым сопротивлением, что ограничивает его применение. Применяется для магнитопроводов постоянных потоков. Различают электролитическое железо и карбонильное. Электролитическое получают электролизом сернокислого или хлористого железа – применяют в постоянных магнитных полях. Карбонильное получают термическим разложением пентакарбонила железа в виде порошка, используют для высокочастотных сердечников. Кремнистая электротехническая сталь. Содержит менее 0,05% углерода, от 0,7 до 4,8% кремния и наиболее широко применяется в технике. Легирование стали кремнием приводит к существенному увеличению удельного сопротивления, увеличению магнитной проницаемости и уменьшению коэрцитивной силы, а следовательно потерь на гистерезис. Сталь с содержанием кремния 6,8% обладает наибольшей магнитной проницаемостью, но при этом ухудшаются ее механические характеристики. Саль становится хрупкой и не пригодна для штамповки. Свойства стали можно улучшить путем холодной прокатки, что вызывает ориентацию кристаллитов, и отжига, что способствует укрупнению кристаллических зерен, причем оси легкого намагничивания ориентируются вдоль направления проката, получают текстурованную сталь. Согласно ГОСТ 21427,0-75 электротехническая сталь маркируется четырьмя цифрами, например 1514. Цифры означают: Первая – структурное состояние и вид прокатки: 1 – горячекатанная изотропная; 2 – холоднокатанная изотропная; 3 – холоднокатанная изотропная с ребровой текстурой; вторая – примерное содержание кремния. Третья – основные нормируемые характеристики: 0 – удельные потери при В = 1,7 тл, частоте 50 Гц (Р1,7/50); 1 – удельные потери при В = 1,5 тл, частоте 50 Гц (Р1,5/50); 2 – В = 1 тл, частота 400 Гц (Р1/400); 6 – магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряженности 0,4 А/м (В0,4); 7 - магнитная индукция в средних магнитных полях при напряженности 10 А/м (В10); четвертая – порядковый номер стали. Пермаллои – железоникелевые сплавы, обладающие высокой магнитной проницаемостью в слабых полях. У них практически отсутствуют магнитострикция и магнитная анизотропия, вследствие чего они легко намагничиваются. Пермаллои подразделяются на высоконикелевые (72-80% никеля) и низконикелевые (40-50% никеля). Магнитная проницаемость высоконикелевых пермаллоев выше, чем низконикелевых и значительно выше, чем у электротехнических сталей, но индукция насыщения невелика, поэтому их нецелесообразно применять в силовых трансформаторах и других устройствах, использующих большой магнитный поток. Удельное сопротивление низконикелевых пермаллоев в два раза выше высоконикелевых, поэтому они могут работать на высоких частотах. Для улучшения свойств пермаллои легируют. Молибден и хром увеличивают удельное сопротивление и начальную проницаемость, уменьшают чувствительность к механическим напряжениям и снижают индукцию насыщения. Медь улучшает температурную стабильность и стабильность магнитной проницаемости при изменении напряженности магнитного поля. Кремний и марганец увеличивают удельное сопротивление. Железоникелевые сплавы подразделяют на следующие группы: 1.Нелегированные низконикелевые пермаллои – марки 45Н и 50Н (содержание никеля 45 и 50%). 2.Текстурованные сплавы с прямоугольной петлей гистерезиса – 50НП, 65НП, 34НКП. 3.Низконикелевые пермаллои, легированные хромом и кремнием –50НХС. 4.Высоконикелевые пермаллои, легированные молибденом, хромом и кремнием, хромом и медью – 79НМ, 80НХС, 76НХД. Все эти сплавы содержат в небольшом количестве марганец и кремний. Буквы означают Н – никель, М – молибден, Х – хром, Д – медь, К– кобальт, С – кремний, П – прямоугольная петля гистерезиса. Сплавы изготовляют в виде холоднокатанных лент толщиной 0,02-2,5 мм и шириной 30-250 мм, горячекатанных листов и прутов. Магнитомягкие материалы используются для изготовления магнитопроводов (сердечников трансформаторов, катушек, станин электрических машин). Магнитотвердые материалы. Магнитотвердые материалы характеризуются большой коэрцитивной силой и относительно малой магнитной проницаемостью. Площадь петли гистерезиса у них больше, чем у магнитомягких. Такие материалы применяют для изготовления постоянных магнитов – источников постоянных магнитных полей. Постоянные магниты имеют рабочий воздушный зазор, вследствие чего на разомкнутых концах возникают полюсы, создающие размагничивающее поле с напряженностью Нd, снижающее индукцию внутри магнита до Вd, которая меньше остаточной индукции. В Вr Bd Wd Н Нс Нd 0 Удельная магнитная энергия поля, создаваемого в воздушном зазоре магнита определяется выражением . Индукция разомкнутого магнита уменьшается с увеличением зазора. При замкнутом магните Вd = Br и магнитная энергия равна нулю, так как Нd = 0. Если зазор между полюсами велик, то напряженность магнитного поля в зазоре равна коэрцитивной силе, а Вd = 0, в этом случае магнитная энергия также равна нулю. При некоторых значениях Вd и Hd энергия достигает максимального значения Wmax. Эта величина является важнейшей характеристикой магнитотвердых материалов. Форма кривой размагничивания характеризуется коэффициентом выпуклости . Коэффициент выпуклости приближается к единице с увеличением прямоугольности петли гистерезиса. Максимальная энергия магнита тем больше, чем больше остаточная индукция, коэрцитивная сила и коэффициент выпуклости. Литые высококоэрцитивные сплавы – наиболее распространенные магнитотвердые материалы на основе железо-никель-алюминиевых и железо-кобальт-алюминиевых сплавов, легированных различными добавками. Высококоэрцитивное состояние таких сплавов обусловлено механизмом дисперсионного твердения. При температурах 1200-1300оС растворимость элементов неограничена и сплавы находятся в однородном состоянии. При медленном охлаждении до определенной температуры происходит распад равновесной фазы на две. Одна близка к чистому железу и является сильномагнитной, другая никеле-алюминиевая – слабомагнитная. Таким образом сильномагнитная фаза в виде однодоменных включений распределена немагнитной фазе. Материалы с такой структурой обладают высокой коэрцитивной силой. Для улучшения магнитных свойств сплавы подвергают кристаллической текстуре, которая создается при направленной кристаллизации сплава (особые условия охлаждения), в результате возникает микроструктура в виде ориентированных столбчатых кристаллов. При этом наблюдается увеличение всех магнитных параметров. Марки сплавов обозначаются буквами и цифрами, например ЮНДК34Т5. Буквы: Б – ниобий, Д – медь, К –кобальт, Н – никель, Т – титан, Ю – алюминий, А – столбчатая структура. Цифры указывают процентное содержание элемента.