Графит. Бетэл - раздел Науковедение, Дисциплина входит в федеральный компонент цикла общепрофессиональных дисциплин и является обязательной для изучения
Вторым По Значению Резистивным Материалом Является Графит. Зд...
Вторым по значению резистивным материалом является графит. Здесь стоит упомянуть, как изменение структуры материала ведет к принципиальным изменениям характеристик.
Например существует кристаллическая модификация углерода - алмаз. Это твердый, прозрачный, диэлектрический материал. Структура кристаллической решетки - тетраэдры из атомов углерода.
Графит - также кристаллическая модификация углерода. Это непрозрачный, мягкий, электропроводный материал. Структура у него слоеная. В слое атомы углерода соединены в бесконечные шестичленные кольца. Каждое единичное кольцо представляет собой аналог бензольного кольца. Удельное сопротивление зависит от направления измерения. Если приложить напряжение поперек слоев, электропроводность составит 104 См/м, если приложить напряжение в плоскости слоев, электропроводность достигает 21×06 См/м.
Карбин - линейная структура из цепочек углерода С=С=С=С=С или С-СºС-СºС-СºС, столбики, которых связаны между собой. Это полупроводник n-типа, энергия активации 0.64 эВ, очень прочный, sp =2200 ГПа (для сравнения прочность закаленных сталей до 700 МПа), электропроводность 10-4 См/м.
В последние годы открыты новые модификации чистого углерода - т.н. фуллерены. Это соединения многих атомов углерода Сn , где n-60, 84 и т.д. Эти атомы соединены так, что образуется сфера из них, с пустотой внутри. Считается, что они обладают неожиданными свойствами и их исследования бурно продолжаются.
Помимо чистого углерода известно много модификаций технического углерода. Их физические характеристики также сильно меняются в зависимости от структуры и от количества разнообразных примесей. В основе их лежит структура графита, поэтому технические углероды можно считать и техническими графитами. Из них отметим сажу, кокс, коллоидный графит, силицированный графит. Сажа характеризуется очень малым размером частиц, до десятков ангстрем. Используется как наполнитель для резин, полимеров, электропроводных композиций. Взвесь порошка графита в воде называется «аквадаг» и используется для создания электропроводящих покрытий.
Тот факт, что графит имеет повышенное удельное сопротивление по сравнению с металлами позволяет применять его в промышленности для создания различных сопротивлений. Начиная с пленочных сопротивлений в радиоэлектронике, графитовой бумаги и графитовой ткани и заканчивая композиционными материалами, где частицы графита выступают в роли проводящего наполнителя. Из последних мы упомянем бетэл и более подробно остановимся на ЭКОМе.
Бетэл- (бетон электротехнический) - исторически один из первых российских электропроводящих композиционных материалов. Предложен в середине шестидесятых новосибирскими учеными. Эта разработка в начале восьмидесятых была награждена государственной премией. Состоит из четырех компонентов: цемент, сажа, вода, заполнитель. Главное достоинство - дешевизна исходных компонентов и простота технологии приготовления. Сделав смесь типа обычного бетона, где вместо песка использована сажа, получаем материал с удельным сопротивлением примерно 0.01-10 Ом×м. Это означает, что например резистор номиналом 100 Ом можно изготовить из бетонного параллелепипеда размером 10 см х 10 см х 1 м. Здесь, правда возникает проблема с вводом тока в такое сопротивление. Действительно, как сделать подходящие контакты? Решение нашли достаточно простое - аквадаг. Но к аквадагу, в свою очередь трудно присоединять контакты. Поэтому используют либо прижимные контакты к аквадагу, либо внедренные в тело композита разнообразные проволочные элементы.
Недостатки бетэла - нестабильное сопротивление, водопоглощение с последующим изменением многих параметров, (цементный камень продолжает расти в течение многих лет), малый коэффициент теплопроводности (~ 0.6 Вт/(м×К)). Это не дает возможности создания мощных резисторов для энергетики. Точнее резисторы такие можно создать, но они могут работать только ограниченное время.
Рассмотрим этот вопрос подробнее. Во время работы резистора в нем выделяется энергия
W = 
, где U- напряжение, R- сопротивление, t - время. У бетэла теплопроводность низка, поэтому резистор будет просто нагреваться и выделяющаяся электрическая энергия будет превращаться в тепловую энергию.
Q =c×m×( Tкон -Tнач), где с - удельная теплоемкость материала, m - масса резистора, Tкон , Tнач - начальная и конечная температуры. Приравнивая W и Q и считая Tкон соответствующее теплостойкости или хотя бы температуростойкости материала, видно, что если нет теплопроводности (т.е. теплоотвода), то резистор за конечное может нагреться до температур, при которых он начнет разрушаться. Известны случаи, когда бетэловые резисторы взрывались в процессе включения в эксплуатацию под большую нагрузку. Предполагается, что это происходило при попадании влаги внутрь резистора, что приводило к бурному вскипанию воды внутри материала при нагреве выше точки кипения после включения резистора под нагрузку.
Опыт показывает, что бетэловый резистор можно включать только на несколько секунд.
7.2.3 Материал «ЭКОМ» для резисторов и обогревателей
Производственное научное предприятие “Болид” разрабатывает и изготавливает высоковольтные заземляющие резисторы, нагреватели бытового и промышленного применения на основе промышленно - выпускаемых резистивных элементов из композиционного материала “ЭКОМ”.
Материал “ЭКОМ” составляется из трех мелкодиспергированных компонентов: силицированный графит, окись железа, корунд и одного жидкого компонента: ортофосфорная кислота. Каждый из компонентов обеспечивает определенную функцию. Графит обеспечивает электропроводность материала за счет контактов частичек графита между собой и получения, тем самым, сплошного проводящего мостика от одного электрода к другому. Изменяя концентрацию графита, можно менять, в значительных пределах электропроводность композиционного материала. Корунд обеспечивает его теплопроводность, ввиду того, что теплопроводность корунда достаточно велика и составляет примерно 30 Вт/(м К). Для сравнения, это значение равно теплопроводности нержавеющей стали. Взаимодействие окиси железа с кислотой дает фосфат железа, являющийся связующим, обеспечивающим механическую прочность. Материал имеет следующие параметры:
| Параметры материала
| Значения
|
| Плотность
| 2.6-2.7 т/м3
|
| Механическая прочность на сжатие
| 50-100 МПа
|
| Теплопроводность
| 3-4 Вт/(м×К)
|
| Электропроводность
| 10-6¸3000 Ом×м
|
| Температурный коэффициент удельного сопротивления
| - (1.5¸2)×10-3 1/К
|
| Температурный коэффициент линейного расширения
| 10-5 1/К
|
| Теплостойкость
| 1100 °С
|
| Температуростойкость
| 300 °С
|
Одиночный элемент резистора из материала ЭКОМ выпускается в виде нескольких типоразмеров. Наиболее часто применяется в изделиях элемент ЭНГФ-15х15х1 с размерами 150х150х10 мм, весом 0.6 кг, номинальным сопротивлением R=2¸20 Ом.
В каждом конкретном случае осуществляется выбор необходимого номинала и изготовление элементов в нужном количестве. В зависимости от допустимой длительности включения и способов организации теплоотвода допустимая мощность на элемент может меняться в пределах от 50 Вт до 200 Вт.
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
Основное уравнение электропроводности.
Способность любых материалов проводить электрический ток определяется наличием зарядов в нем и возможностью их движения. Можно написать наиболее общую формулу, для плотности тока j
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
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