Основное уравнение электропроводности. - раздел Науковедение, Дисциплина входит в федеральный компонент цикла общепрофессиональных дисциплин и является обязательной для изучения
Способность Любых Материалов Проводить Электрический Ток Опре...
Способность любых материалов проводить электрический ток определяется наличием зарядов в нем и возможностью их движения. Можно написать наиболее общую формулу, для плотности тока j верную для любых сред,
j = S ni·qi·Vi (2.1)
Здесь i - тип или cорт заряда, (например электроны, ионы различных молекул, молионы, заряженные частицы и т.п.), ni - концентрация зарядов i-cорта, qi - значение заряда, Vi - скорость носителей заряда.
Чтобы разобраться с электропроводностью разных материалов, необходимо понять, какие в них плотности (концентрации) заряда, как они появляются и от чего они зависят, какие величины зарядов, с какими скоростями могут двигаться. Все это главные вопросы в изучении электропроводности.
Для всех сред, за исключением вакуума, скорость носителей пропорциональна напряженности поля
Vi = bi·E (2.2),
где bi - подвижность носителей заряда.
Подвижностью носителейзаряда называется коэффициент пропорциональности между скоростью носителей заряда Vi и напряженностью поля E.
Размерность подвижности - м2/(В с). Фактически подвижность численно равна скорости носителей заряда при напряженности поля 1 В/м.
Типы носителей заряда и их подвижность могут быть разными в различных средах. Подвижность носителей также сильно зависит от среды. Выражение (2.1) можно переписать, используя другие термины
j = s·E, s = S·ni·qi·mi (2.3)
Здесь s - удельная электропроводность. Еще один вариант записи выражения (2.3)
j = E/r (2.4)
где r - удельное сопротивление.
Нетрудно убедиться, что это все разные способы записи закона Ома в дифференциальной форме, для локальных параметров электрической цепи. Вы знаете, что для участка цепи закон Ома можно записать в виде I = U/R. Нетрудно убедиться, что для участка цепи, используя (2.4), площадь сечения участка S, длину l несложно получить классическое выражение для закона Ома. Для этого обе части в (2.4) умножаем на S, затем в правой части числитель и знаменатель умножаем на l. Получим в левой части ток, в числителе правой части напряжение, а если S перенести в знаменатель, то в знаменателе получим сопротивление. Таким образом мы доказали идентичность закона Ома в дифференциальной форме и в классической форме.
2.2. Электропроводность проводников, полупроводников и диэлектриков.
Анализ выражений (2.2 - 2.4) проведем с учетом природы и поведения носителей заряда в различных средах. В первую очередь необходимо выяснить механизмы появления и исчезновения зарядов.
Сначала необходимо рассмотреть электронное строение разных сред.
В газахэлектроны находятся на орбитах, принадлежащих конкретным атомам, или молекулам. Согласно квантовой модели атома, электрон может находиться только на определенных орбитах, которым соответствуют определенные, квантованные уровни энергии. На каждом уровне может находиться только один электрон. Электрон, находящийся на уровне, соответствующем самой дальней орбите, имеет самую слабую связь с ядром. Поэтому он легче всего ионизируется, т.е отрывается от ядра.
Энергия, которую надо сообщить электрону, находящемуся в основном состоянии, для отрыва от "материнского" иона называется энергией ионизации W.
Чтобы оторвать второй электрон, надо сообщить ему гораздо больше энергии. Это второй уровень ионизации. Существует несколько уровней возбуждения, т.е. если сообщить электрону, энергию меньшую, чем энергия ионизации, то электрон перейдет на какой-либо уровень возбуждения. Все уровни дискретны. Их можно схематически изобразить на рисунке.
При сближении, допустим, двух атомов с одинаковыми энергетическими уровнями до расстояния, когда орбиты перекрываются, произойдет объединение электронных систем, причем каждый уровень разделится на два, которые чуть-чуть отличаются один от другого. Дело в том, что согласно законам квантовой физики, в принципе в любой системе не может быть двух одинаковых уровней. Этот принцип называется принципом Паули. Когда объединятся три атома - будет три расщепленных уровня. Когда образуется кристалл - будет из каждого уровня образована некоторая область разрешенных энергий, которая называется зона. В принципе в зоне уровни практически сливаются и можно говорить о сплошном спектре. При этом верхняя часть зоны располагается выше, чем начальный уровень в одиночном атоме. Нижняя часть зоны располагается ниже, чем начальный уровень.
Для металлов зоны перекрываются и электроны могут свободно перемещаться по образцу. Ширина запрещенной зоны равна нулю. Поэтому подвижные электроны всегда существуют в металлах в большом количестве.
При протекании тока в металле электрическое поле невелико. Можно сделать простую оценку по выражению (2.2). Если взять медный провод сечением 2 мм2 и пропустить ток 5 А, то при удельном сопротивлении меди =1.7 10-8 Ом·м, получим E = j· r = 4·10-2 В/м, или E = 40 мВ/м. Если таким проводом протянуть питание на 1 км, то получим на нем падение напряжения 40 В.
В диэлектриках и полупроводниках, зонная структура такова, что существует запрещенная зона определенной ширины.
Все темы данного раздела:
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
1.1. Целью преподавания дисциплины является изучение свойств и характеристик электротехнических материалов, а также области их применения, в частности, в электроизоляционных констр
Диэлектрики
Основные виды поляризации диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость газов, жидких и твердых диэлектриков. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости.
Токи
Полупроводниковые материалы
Собственные и примесные полупроводники. Основные и неосновные носители заряда влияние внешних факторов на свойства полупроводников. Оптические и фотоэлектрические явления в полупро
Магнитные материалы
Классификация материалов по магнитным свойствам: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики. Основные характеристики, области применения.
Доменное стр
ТЕМЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПРОРАБОТКИ
№ п/п
Наименование темы
Количество часов
Введение
ДИСЦИПЛИНЫ
5.1. Основная
1. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники: Учебник для вузов — СПб.: Издательство "Лань", 2009. (e.lanbook.ru)
КРАТКИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЕ
1. При изучении разделов курса рекомендуется вести конспект, в котором необходимо указать основные положения изучаемого материала.
2. К задачам контрольной работы следует
Основные типы материалов, применяемых в энергетике и электротехнике, композиционные материалы.
Диэлектрические материалы являются основными видами электротехнических материалов с которыми придется встретиться на практике будущим инженерам-электрикам. Эти материалы служат в ка
Роль материалов в современной технике, в частности в энергетике.
Материалы играют определяющую роль в техническом прогрессе. Можно привести еще примеры из других областей техники.
Более близкий пример - изоляторы высоковольтных линий. Исторически первым
Характеристики композиционных материалов
Для начала введем понятие обобщенной проводимости.
Оказывается удельные теплопроводность, электропроводность, диэлектрическая проницаемость, коэффициент диффузии являются близкими характер
Магнитная проницаемость и магнитные поля.
Прежде чем приступить к лекции хотелось бы напомнить термины и определения.
Диэлектрическая проницаемость материалов.
Определение этой величины вы должны помнить еще из школы. Давайте вспомним. Если взять плоский конденсатор в вакууме, то заряд на каждой его пластине равен (по модулю):
Механические свойства материалов. Удлинение, деформация, модуль упругости. Разрушающие напряжения при различных видах нагрузки.
Теплофизические характеристики материалов очень важны для практики. Действительно, материалы в различных энергетических устройствах и установках работают в различных температурных у
Понятие температуры. Характерные температуры (плавления, кипения, Кюри, и т.п.) Температуростойкость материалов. Теплостойкость материалов.
Температура - это понятие, введенное для характеристики энергии, которой обладают молекулы вещества. С другой стороны, это физическая характеристика, которая соответствует равновеси
Теплоемкость, теплопроводность, температурные коэффициенты материалов.
Теплоемкость - это способность накапливать тепловую энергию в материале при его нагревании
Общие свойства конструкционных материалов.
Разработка конкретных узлов и устройств ставит ряд общих и специфических задач для используемых материалов. Во первых, они должны выполнять те функции, которые заложены в исходные т
Общие свойства проводников. Температурный коэффициент сопротивления, потери, нагрев проводников.
Основная характеристика проводника - это его электропроводность.
Материалы для проводов. Медь, алюминий.
Из проводниковых материалов с высокой тепло- и электро- проводностью самым замечательным материалом для проводов было бы серебро. Его удельное сопротивление при комнатной температур
Материалы для контактов.
Проводники в месте контакта отличаются от проводников в объеме проводов несколькими обстоятельствами их функционирования.
Во - первых, невозможно сделать площадь контакта т
Материалы с малым температурным коэффициентом сопротивления. Материалы для термопар.
Возвращаясь к температурному коэффициенту для проводниковых резистивных материалов следует упомянуть о существовании материалов с практически нулевым температурным коэффициентом соп
Электропроводность полупроводников и слабопроводящих материалов.
В любом теле при приложении напряжения должен протекать ток в соответствии с выражением, определяющим плотность тока
Металлические резистивные материалы
Из металлических материалов для резисторов наибольшее распространение получили материалы на основе никеля, хрома и железа, т.н нихромы, и родственные им материалы на основе железа, хрома и алюминия
Графит. Бетэл
Вторым по значению резистивным материалом является графит. Здесь стоит упомянуть, как изменение структуры материала ведет к принципиальным изменениям характеристик.
Наприме
Электропроводящие полимеры
Рис.7.1. Поведение электропроводности композита ЭКОМ при изменении содерж
Материалы с нелинейной проводимостью. ОЦК, силит, вилит.
Материалы с нелинейной проводимостью очень важны для энергетики. Дело в том, что с их помощью подавляются паразитные волны перенапряжений в линиях и на подстанциях. Представьте себе
Диэлектрическое и резистивное состояние вещества.
Диэлектрические вещества - это такие вещества, в кото
Особенности электропроводности для различных агрегатных состояний.
Как уже указывалось в лекции 2, способность любых материалов проводить электрический ток определяется наличием зарядов в нем и возможностью их движения. Можно еще раз написать наибо
Проводимость неоднородных диэлектриков.
Реальные электроизоляционные конструкции далеко не всегда состоят из однородных диэлектриков. Они могут содержать композицию из разных диэлектриков или просто иметь границу раздела.
Диэлектрические потери.
Термин возник из-за того, что в идеальном диэлектрике энергия может только накапливаться в виде W = e0Ee2/2, (на единицу объема, см.8.1.), но не теряться. В ре
Пробой твердых диэлектриков. Электрический пробой. Тепловой пробой. Частичные разряды.
В предыдущей главе мы рассматривали электропроводность диэлектрических материалов под действием слабых электрических полей. В сильных электрических полях появляются новые процессы,
Элементарные процессы в газе. Лавина, стример, лидер.
В отличие от слабых электрических полей, в сильных электрических полях, характерных для работы электрической изоляции возникают новые явления, связанные с ионизационными процессами.
Газообразные и жидкие диэлектрики
10.1. Газообразные диэлектрики.
10.1.1. Основные характеристики.
10.1.2. Электроотрицательные газы, применение в энергетике.
10.2. Жидкие диэлектрики. При
Основные характеристики.
Основные характеристики газов, как диэлектриков, это диэлектрическая проницаемость, электропроводность, электрическая прочность. Кроме того, зачастую важны теплофизические характери
Электроотрицательные газы, применение газообразных диэлектриков.
Наибольшее применение из газов в энергетике имеет воздух. Это связано с дешевизной, общедоступностью воздуха, простотой создания, обслуживания и ремонта воздушных электроизоляционны
Общие свойства.
С электрофизической точки зрения наиболее важными характеристиками жидкостей являются диэлектрическая проницаемость, электропроводность и электрическая прочность.
Используемые и перспективные жидкие диэлектрики.
Наиболее распространенный в энергетике жидкий диэлектрик - это трансформаторное масло.
Общие характеристики твердых диэлектриков.
Твердые диэлектрики - это чрезвычайно широкий класс веществ, содержащий вещества с радикально различающимися электрическими, теплофизическими, механическими свойствами. Например, ди
Виды диэлектриков. Применение твердых диэлектриков в энергетике.
Все диэлектрические материалы можно разделить на группы, используя разные принципы. Например, разделить на неорганические и органические материалы.
Неорганические диэлектри
Свойства наиболее применяемых диэлектриков.
11.3.1. Полимерные материалы.
Полимеры, как правило, являются хорошими диэлектриками. Они обладают низкими диэлектрическими потерями, высоким удельным сопротив
Бумага и картон.
Важным преимуществом этих материалов является то, что они производятся из возобновляемого сырья, а именно из древесной массы. Технология приготовления состоит из варки щепы и опилок в щелочном раст
Слюдяные материалы.
Слюда является основой большой группы электроизоляционных изделий. Главное достоинство слюды - высокая термостойкость наряду с достаточно высокими электроизоляционными характеристи
Общие характеристики магнитных материалов.
Магнитные свойства имеются у любых материалов. Они обусловлены реакцией материала на магнитное поле. Как уже рассматривалось в третьей лекции, магнитную индукцию в любом материале м
Сверхпроводящая керамика.
13.1. Принцип сверхпроводимости. Влияние магнитного поля
Протекание тока в проводниках всегда связано с потерями энергии, т.е. с переход
Низкотемпературные сверхпроводники
Выше я уже останавливался на некоторых конкретных сверхпроводящих материалах. В принципе свойство сверхпроводимости характерно практически для всех материалов. Только для самых элек
Сверхпроводящая керамика
Следующим радикальным шагом в исследовании сверхпроводимости явилась попытка найти сверхпроводимость в оксидных системах. Смутная идея разработчиков состояла в том, что в системах с
Коррозия металлов и композитов. Электрокоррозия. Защита от коррозии.
Старением материала называются необратимые процессы физических и химических прев
Природные факторы старения
Здесь можно выделить физические, химические, биологические факторы.
Физ
Коррозия материалов.
Коррозией материала называются химические превращения материала (прежде всего ок
Испытания материалов
15.1. Подготовка образцов и условийиспытания.
15.2. Поддержание контроль условийиспытания.
15.3. Электрическиеиспытания.
15.3.1.Оп
Подготовка образцов и условия испытаний
Условиями окружающей среды при проведении испытаний называют сочетание температуры и относительной влажности воздуха или температуры и жидкости, в которых находится образец.
Поддержание и контроль условий испытания.
При подготовке и проведении испытаний требуется соблюдать определенные значения температуры среды, в которой находится образец. Для этой цели применяют термостаты (термокамеры) или криост
Определение общих и удельных сопротивлений образцов.
Если к диэлектрику приложить постоянное напряжение, то по нему будет протекать ток утечки. Постоянная составляющая этого тока называется сквозным током и может быть представлена в в
Определение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь на низких частотах.
Образец диэлектрика с потерями может быть представлен в виде эквивалентной последовательной или параллельной схемы:
Минимальное напряжение, вызывающее электрический пробой, называют пробивным напряжением.
От пробоя, сопровождающегося сквозным разрядом, следует отличать поверхностный пробой, при котором разряд не проникает в глубь материала, а распространяется по поверхности.
Стойкость матер
Определение стойкости к внешним электрическим воздействиям.
Определение дугостойкости электроизоляционных материалов. Под дугостойкостью понимают способность диэлектрика выдерживать воздействие электрической дуги без недопус
Статическая электризация - способность материалов при определенных условиях накапливать заряды статического электричества.
Электризация возникает при трении, распылении материала, коронном разряде вблизи поверхности. При этом повышается пожаро- взрывоопасность производства. Антистатические свойства, т.е. пониженную спо
Тепловые испытания.
К термическим характеристикам относятся: теплопроводность, температура размягчения и воспламенения материала, нагрево- и холодостойкость, стойкость к термоударам.
Теплоп
Механические испытания.
Основные механические испытания - это определение прочностных характеристик, т.е. способности выдерживать внешние механические нагрузки без недопустимых изменений первоначальных раз
Требования к оформлению контрольной работы
1. Контрольная работа выполняется в отдельной тетради или на листах формата А4. На обложке указывают название дисциплины, номер контрольной работы, курс, фамилию, имя, отчество и учебный шифр студе
При проведении лабораторных работ
1. Перед выполнением лабораторных работ студенты проходят обязательный инструктаж по технике безопасности при проведении работ в электротехнической лаборатории, о чем делается запис
Часть 1. Экспериментальное определение ВАХ катушки индуктивности с замкнутым магнитопроводом
1.1 Собрать электрическую схему (см. рис.11.2). Переключатель катушки L2 установить в положение 1 – с замкнутым магнитопроводом.
Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте (АТС)
1. Общие сведения о строении вещества. Виды связей. Классификация веществ по электрическим свойствам на основании зонной теории твердого тела.
2. Основные виды поляризации
Для специальностей АТС и ЭНС
При изучении диэлектриков следует рассмотреть зависимость срока службы и процесса старения изоляции электрических машин, трансформаторов и конденсаторов от максимальной рабочей температуры (правило
Новости и инфо для студентов