Полимеры - раздел Образование, Поляризация Диэлектриков Для Изготовления Изоляции Используют Большое Число Материалов, Относящихся К ...
Для изготовления изоляции используют большое число материалов, относящихся к группе полимеров. Полимеры - высокомолекулярные соединения, имеющие большую молекулярную массу. Молекулы полимеров, называемые макромолекулами, состоят из большого числа многократно повторяющихся структурных группировок (элементарных звеньев), соединенных в цепи химическими связями. Например, в молекуле поливинилхлорида:
-CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-CHCl-
повторяющимся звеном является группировка: -CH2-CHCl-.
Полимеры получают из мономеров - веществ, каждая молекула которых способна образовывать одно или несколько составных звеньев. Так как полимеры представляют собой смеси молекул с различной длиной цепи, то под молекулярной массой полимера понимают ее среднее статистическое значение. Молекулярная масса полимера может достигать значение несколько миллионов.
Степень полимеризации является важной характеристикой полимеров - она равна числу элементарных звеньев в молекуле. Например, структурную формулу поливинилхлорида можно записать в компактном виде (-CH2-CHCl-)n,
где 
- степень полимеризации. Полимеры с низкой степенью полимеризации называют олигомерами.
Полимеризацией называют реакцию образования полимера из молекул мономера без выделения низкомолекулярных побочных продуктов. При этой реакции в мономере и элементарном звене полимера соблюдается одинаковый элементный состав. Примером реакции является полимеризация этилена: nH2C=CH2 --> (-H2C-CH2-)n.
Поликонденсация - реакция образования полимера из мономеров с одновременным образованием побочных низкомолекулярных продуктов реакции (воды, спирта и др.). Элементный состав мономерной молекулы отличается от элементного состава полимерной молекулы. Реакция поликонденсации лежит в основе получения важнейших высокополимеров, таких как фенолформальдегидные, полиэфирные смолы и др. Термином смола в промышленности иногда пользуются наряду с названием полимер.
Полимеры делят на два типа - линейные и пространственные в зависимости от пространственной структуры макромолекул. В линейных полимерах макромолекулы состоят из последовательности повторяющихся звеньев с большим отношением длины молекулы к ее поперечному размеру. Макромолекулы пространственных полимеров связаны в общую сетку.
Термопластические полимеры (термопласты) получают на основе полимеров с линейной структурой макромолекул. При нагревании они размягчаются, а при охлаждении затвердевают. При этом процессе не происходит никаких химических изменений. Для электрической изоляции применяются в основном в форме нитей или пленок, получаемых из расплавов. Способность к формированию и к растворению в подходящих по составу растворителях сохраняется у них и при повторных нагревах.
Термореактивные полимеры получают из полимеров, которые при нагревании или при комнатной температуре вследствие образования пространственной сетки из макромолекул (отверждения) переходят в неплавкое и нерастворимое состояние. Этот процесс является необратимым.
Линейные аморфные и кристаллизующиеся полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем. Кристаллические полимеры обычно содержат как кристаллическую, так и аморфную фазы. Многие свойства полимеров зависят от соотношения аморфной и кристаллической фаз - степени кристалличности.
Электрические свойства полимеров. Для неполярных, очищенных от примесей полимеров, полученных полимеризацией (полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен и др.) характерны большие значения 
(1014 - 1016 Ом.м), малый 
(порядка 10 - 4), малое значение 
(2.0 - 2.4). Полярные полимеры имеют более низкие значения , большие значения 
и .
Относительная диэлектрическая проницаемость слабополярных полимеров составляет обычно 2.8 - 4.0. Для полярных в зависимости от строения полимера она меняется от 4 до 20. Влияние строения полимера на 
в основном определяется значением дипольного момента отдельного звена макромолекулы и числом полярных групп в единице объема. Диэлектрическая проницаемость значительно возрастает при увеличении в полимере содержания воды. Увеличение степени кристалличности также приводит к увеличению . Так, у аморфного полистирола составляет 2.49 - 2.55, у кристаллического - 2.61. Для применения полимеров в кабельной технике предпочтительнее материалы с малой (неполярные и слабополярные полимеры), в конденсаторостроении - с повышенными значениями . При высоких частотах используются такие полимеры как полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен, в которых малаи диэлектрические потери. В низкочастотных конденсаторах или при постоянном токе, можно применять полимеры с повышенными значениями в стеклообразном состоянии.
Значения зависят от химического строения, структуры полимера. Низкомолекулярные примеси и, в частности, влага, включения пузырей воздуха, пыль, частицы низко- и высокомолекулярных веществ могут привести к появлению дополнительных максимумов в температурной зависимости . Значения для неполярных полимеров лежат в пределах от 10-4 до 10-3. Вблизи и выше 
- температуры стеклования возможен рост при повышении температуры, что обусловлено повышением ионной проводимости полимера. Значения полярных полимеров в сильной степени зависят от частоты и температуры, что ограничивает их применение при высоких частотах.
Электрическая прочность 
с повышением температуры резко снижается в области для аморфных и 
для кристаллических полимеров. Полярные полимеры имеют более высокую , чем неполярные в области комнатных и низких температур.
Нагревостойкость полимерных материалов. Длительная рабочая температура линейных полимеров за исключением фторсодержащих полифенилов не превышает 120оС, особенно нагревостойкость кремнийорганических и некоторых элементоорганических полимеров, длительная рабочая температура которых достигает 180 - 200оС. Высокую устойчивость к действию повышенной температуры проявляют полимеры пространственного строения.
Природные полимеры - целлюлоза, шеллак, лигнин, латекс, протеин и искусственные, получаемые путем переработки природных - натурального каучука, целлюлозы и др. сыграли большую роль в современной технике. В некоторых областях, например в целлюлозо-бумажной промышленности они остаются незаменимыми. Однако для производства и потребления диэлектрических материалов в настоящее время наибольшее значение имеют синтетические полимеры.
Линейные неполярные полимеры.К неполярным полимерам с малыми диэлектрическими потерями относятся полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен, получаемые полимеризацией. Мономерные звенья макромолекул этих полимеров не обладают дипольным моментом. Эти полимеры имеют наибольшее техническое значение из материалов, получаемых полимеризацией.
Линейные полярные полимеры. По сравнению с неполярными полимерами материалы этой группы обладают большими значениями диэлектрической проницаемости (=3 - 6) и повышенными диэлектрическими потерями (=1.10-2 - 6.10-2 на частоте 1МГц). Такие свойства обусловливаются асимметричностью строения элементарных звеньев макромолекул, благодаря чему в этих материалах возникает дипольно-релаксационная поляризация.
Удельное поверхностное сопротивление этих материалов сильно зависит от влажности окружающей среды. К числу этих полимеров относятся поливинилхлорид, фторолон-3 (политрифторхлорэтилен), полиамидные смолы (рис. 11). Для электротехнических целей эти полимеры применяются в основном как изоляционные и конструкционные в диапазоне низких частот.
Рис. 11. Полимеры
Полимеры, получаемые поликонденсацией. В зависимости от особенностей проведения реакции поликонденсации могут быть получены полимеры как с линейной, так и с пространственной или сетчатой структурой молекул. В связи с тем, что при поликонденсации происходит выделение низкомолекулярных побочных продуктов, которые не всегда могут быть полностью удалены из полимера, диэлектрические параметры поликонденсационных полимеров несколько ниже, чем у получаемых с помощью полимеризации. Однако поликонденсационные полимеры могут быть получены с рядом ценных свойств, обусловливающих их широкое применение для материалов, применяемых в электротехнических целях. Так, линейные поликонденсационные полимеры имеют высокую прочность и большое удлинение при разрыве. Многие из них способны вытягиваться в тонкие нити, из которых можно получать электроизоляционные ткани, пряжу. Некоторые полимеры применяются для изготовления пленочных материалов. Поликонденсационные полимеры с линейной структурой макромолекул, которым присущи свойства термопластичных материалов в исходной стадии, являются в своей конечной стадии термореактивными и широко применяются как связующее в пластмассах в качестве лаковой основы и в производстве слоистых пластиков.
Из числа наиболее широко применяемых поликонденсационных полимеров можно назвать фенолформальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические, полиэфирные полимеры.
Все темы данного раздела:
Поляризация Диэлектриков
Поляризацией называется состояние вещества, при котором элементарный объем диэлектрика приобретает электрический момент.
Возникновение (индуцирование) электрического момента в едини
Диэлектрическая проницаемость
Рассмотрим электрический конденсатор, изготовленный из параллельных пластин площадью S, м2, расстояние между которыми d, м. Приложим к пластинам (электродам) конденсатора э
Диэлектрики полярные, неполярные и с ионной структурой
В настоящее время принято разделение линейных диэлектриков по механизмам поляризации молекул. Эта классификация исключительно важна при изучении как электрических, так и общих физико-химических сво
Электронная поляризация
Электронная поляризация возникает в результате смещения электронных облаков относительно центра ядер атомов или ионов под действием электрического поля. Наблюдается во всех без исключения диэлектри
Ионная поляризация
Ионная поляризация наблюдается в веществах с ионной химической связью и проявляется в смещении друг относительно друга разноименно заряженных ионов. Как указывалось, время установления ионной поляр
Релаксационные виды поляризаций
Замедленные или релаксационные виды поляризаций проявляются в газах, жидкостях и твёрдых диэлектриках, если они состоят из полярных молекул, диполей или молекул, имеющих отдельные радикалы или част
Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры, давления, влажности, напряжения
Характер температурной зависимости ε - диэлектриков с различными видами поляризации часто определяют с помощью температурного коэффициента диэлектрической проницаемости
TK&#
Диэлектрическая проницаемость смесей
На практике часто используются неоднородные композиционные диэлектрики, представляющие собой смеси двух или более различных веществ-компонентов смеси. К таким материалам относятся многие пластическ
Электропроводность диэлектриков
В момент включения и выключения постоянного электрического поля через диэлектрик электрического конденсатора протекает обусловленный быстрыми видами поляризаций ток смещения Iсм з
Токи абсорбции
В постоянном электрическом поле токи абсорбции могут устанавливаться в течение длительного времени в зависимости от типа диэлектрика и механизма поляризации. Уменьшение тока Iабс
Общее выражение для удельной объемной электропроводности
В общем случае без учета природы носителей заряда для однородного и изотропного вещества объемная плотность тока будет пропорциональна напряженности поля Е
j = γυ
Поверхностное сопротивление твердых диэлектриков
Если на поверхность диэлектрика нанести полоски электродов шириной b, разместив их на расстоянии a друг от друга, то удельное поверхностное сопротивление ρs буд
Электропроводность газообразных диэлектриков
В области слабых электрических полей носители заряда в газах появляются в результате воздействия на нейтральные молекулы газа быстрых частиц, квантов света, радиоактивного, ультрафиолетового и др.
Электропроводность жидких диэлектриков
Основную роль в жидких диэлектриках играют два типа электропроводности: ионная и молионная (катафоретическая).
В неполярных и слабополярных жидкостях носителями заряда в основном являются
Электропроводность твердых диэлектриков
Для твердых диэлектриков наиболее характерна ионная электропроводность. В кристаллических веществах ионную проводимость можно объяснить, исходя из представлений о внутренних нарушениях структуры ил
Зависимость удельной электропроводности от напряженности электрического поля
В области слабых полей увеличение удельной проводимости (уменьшение сопротивления изоляции) с повышением приложенного напряжения можно объяснить, наряду с образованием объемных зарядов, плохим конт
Диэлектрические потери
Диэлектрические потери - та часть энергии электрического поля, которая рассеивается в диэлектрике в виде тепла.
Нагрев диэлектрика в постоянном электрическом поле зависит от значений удель
Тангенс угла диэлектрических потерь
В электрическом конденсаторе с идеальным диэлектриком, т. е. диэлектриком без потерь, вектор тока Iс опережает вектор напряжения на 90°. В реальных диэлектриках угол между током
Полные и удельные диэлектрические потери
Используя рис. 3б получим выражение для расчета полных диэлектрических потерь P = U Ia = U Ic tgδ , Ic = U ω C, тогда
P =
Потери на электропроводность
Потери на электропроводность - характерны для всех без исключения диэлектриков. Наблюдаются при постоянном и переменном напряжении. В однородных неполярных диэлектриках являются единственным
Релаксационные потери
Релаксационные потери - обусловливаются поляризацией диэлектриков. Вызываются активными составляющими абсорбционных токов замедленных поляризаций.
Основные причины, вызывающие проте
Диэлектрические потери полимеров
Диэлектрические потери неполярных полимеров при тщательной очистке их от остатков мономеров, катализаторов, стабилизаторов невелики, поэтому они находят применение в качестве высокочастотных диэлек
Диэлектрические потери неорганических диэлектриков
Наиболее актуально в настоящее время изучение диэлектрических потерь в стеклах, керамике, ситаллах главным образом в диапазоне СВЧ. Экспериментальные данные показывают, что на частотах выше 10
Диэлектрические потери в неоднородных диэлектриках
Во многих устройствах электроизоляционной, кабельной и электронной техники применяемые диэлектрические материалы являются макроскопически дефектными средами. Примером таких диэлектриков является: м
Пробивное напряжение и электрическая прочность диэлектриков
Минимальное напряжение Uпр, приложенное к диэлектрику, и приводящее к образованию в нем проводящего канала, называется пробивным напряжением. В зависимости от того замыкает канал
Электротепловой пробой
Электротепловой (тепловой) пробой возможен, когда выделяющееся в диэлектрике за счет электропроводности или диэлектрических потерь тепло - Q1 становится больше отводимой теплоты - Q
Пробой газообразных диэлектриков
Пробой газов определяется двумя механизмами - лавинным и лавинно-стримерным, связанными с процессами ударной ионизации электронами и фотоионизацией. Для пробоя газа в постоянном однородном поле (ри
Пробой жидких диэлектриков
Электрическая форма пробоя, развивающаяся за время 10 -5-10 -8 с, наблюдается в тщательно очищенных жидких диэлектриках и связывается с инжекцией электронов с катода. Е
Пробой твердых диэлектриков
В твердых диэлектриках, наряду с электрическим, тепловым и электрохимическим пробоем возможны также ионизационный, электромеханический и электротермический механизмы пробоя.
Ионизационн
Природа проводимости и основные характеристики проводниковых материалов
Из проводниковых материалов - твердых тел, жидкостей и газов в электротехнике наиболее часто применяют металлы и сплавы.
Согласно классической теории металлы можно рассматр
Теплопроводность металла
Отношение коэффициента теплопроводности к удельной проводимости металла выражается законом Видемана - Фр
Материалы высокой проводимости
К этой группе относятся серебро, медь, алюминий.
Серебро - один из наиболее дефицитных матералов, достаточно широко применяемый в электротехнике и электронике д
Сплавы и их свойства
Бронзы - сплавы меди с оловом (оловянные), алюминием (алюминиевые), бериллием
Сплавы высокого сопротивления для резисторов измерительных приборов
Манганины - сплавы на медной основе, содержащие около 85% Cu , 12% Mn , 3% Ni. Применяются для изготовления образцовых резист
Контактные материалы
Для разрывных контактов в слаботочных контактах, кроме чистых тугоплавких металлов вольфрама и молибдена применяют платину, золото, серебро, сплавы на их основе и металлокерамические компози
Явление сверхпроводимости
Явление сверхпроводимости открыто в 1911 г. Камерлинг-Оннесом, обнаружившем, что ртуть, охлажденная до температуры жидкого гелия (4.4К), полностью теряет электриче
Сверхпроводники первого, второго и третьего рода
Сверхпроводники первого, второго и третьего рода. Сверхпроводники первого рода - это чистые вещества, у которых наблюдается полный эффект Мейсснера (поля меньше105
Эффект Мейсснера
Эффект Мейсснера, обнаруженный в 1933г., состоит в вытеснении магнитного поля из объема сверхпроводящего тела или проводника. Поверхностный ток, занимая тонкий
Криопроводники
Это материалы, удельное сопротивление которых достигает малых значений при криогенных температурах (ниже-173оС). Сверхпроводящее состояние в этих материалах не на
Термоэлектродвижущая сила
Между двумя различными металлическими проводниками в месте их соединения возникает контактная разность потенциалов, обусловленная различием работы выхода электронов из разных металлов
Зависимость удельного электрического сопротивления металлов от температур
Характерными зависимостями удельного электрического сопротивления металлов от температуры являются (рис. 6.):
·
Электрические характеристики сплавов
Металлические сплавы обычно представляют механическую смесь исходных металлов, твердый раствор или химические (интерметаллические) соединения. Зависимость удельного сопротивлен
Природа ферромагнетизма
Возникновение магнитных свойств у ферромагнетиков связано с их доменным строением. Домены - это области самопроизвольной намагниченности, возникающие даже в отсутствие внешн
Доменная структура магнитного материала
Каждый реальный магнитный материал разделен по всему объему на множество замкнутых областей - доменов, в каждом из которых самопроизвольная намагниченность однородна и направлена по одной из осей л
Структура ферромагнетиков
Ферромагнетики в основном кристаллизуются в трех типах решеток: кубической пространственной, кубической объемно-центрированной и гексагональной, показанных на рисунке 10.
Зависимости B=f(H
Магнитные свойства вещества
Намагниченность любого вещества в магнитном поле можно определить как отношение суммарного магнитного мом
Магнитная проницаемость
В технике используется несколько десятков видов магнитной проницаемости в зависимости от конкретных применений магнитного материала.
Абсолютная проницаемость
Магнитный гистерезис
Магнитный гистерезис вызывается необратимыми процессами намагничивания. Ход кривой намагничивания на рисунке показан стрелкой. К основным параметрам петли гистерезиса относятся: Bs
Потери в магнитных материалах
В переменных полях площадь петли гистерезиса увеличивается за счет потерь на гистерезис,
Магнитомягкие материалы
Технически чистое железо (низкоуглеродистая электротехническая сталь) содержит менее 0.05% углерода и минимальное количество примесей других элементов. Получается прямым восста
Электротехнические стали
Электротехнические стали - сплавы железа с 0.5-5% кремния, которые образуют с железом твердый раствор. Кремний переводит углерод из формы цементита в графит, д
Пермаллои
Пермаллои - железоникелевые сплавы с высокой проницаемостью в слабых полях. По составу выделяют низконикелевые (40-50% Ni) и высоконикелевые (
Особенности технологии пермаллоя
Обе группы пермаллоев для улучшения электромагнитных свойств легируются различными элементами, например молибденом, хромом, медью и некоторыми другими элементами. Плавка осуществляется в вакууме ил
Применение пермаллоев
Сплавы с наибольшейи
Альсиферы
Альсиферы - сплавы Al-Si-Fe, оптимальный состав (9.6% Si, 5.4% Al) имеет следующие свойства:
Магнитомягкие ферриты
Магнитомягкие ферриты - химические соединения окисла железа Fe2O3 с окислами других металлов. Наиболее широко применяются ферриты со стру
Применение магнитомягких ферритов
Магнитомягкие ферриты применяются:
- длямагнитопроводов, работающих в слабых, сильных магнитных полях до 100 МГц и в импульсном режиме;
Магнитотвердые материалы. Основные параметры.
Для характеристики магнитотвердых материалов обычно используют ту часть кривой гистерезиса, которая лежит во втором квадранте, а в первом изображают изменение удельной магнитной энергии от индукции
Специальные магнитные материалы
Материалы с цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД), применяемые для изготовления запоминающих устройств (ЗУ). Емкость отдельного устройс
Основные параметры полупроводников
Из электрофизических параметров важнейшими являются: удельная электрическая проводимость (или величина обратная ей - удельное электрическое сопротивление), концентрация электронов и дырок
Собственные и примесные полупроводники, типы носителей заряда. Собственная проводимость
Свободными носителями заряда в полупроводниках как правило, являются электроны, возникающие в результате ионизации атомов самого полупроводника (собственная проводимость) или атома пр
Зависимость подвижности носителей заряда от температуры в полупроводниках
Подвижность носителей заряда в полупроводниках зависит от температуры, так как тепловое хаотическое колебание частиц мешает упорядоченному движению. Основные причины, влияющие на температурную зави
Полупроводники. Зависимость концентрации носителей заряда от температуры
Для собственного полупроводника концентрация свободных носителей заряда в зависимости от температуры определяется выражением:
Полупроводники. Зависимость удельной проводимости от температуры
Характер этой зависимости в полулогарифмических координатах показан на рисунке . В области собственной проводимости удельная продимость полупроводника зависит от температуры согласно выражению:
Полупроводники. Время жизни носителей заряда и диффузионная длина
В каждом полупроводнике носители имеют некоторое среднее время жизни , так как генерируемые носители заряда могу
Основные эффекты в полупроводниках и их применение
С точки зрения применения в электротехнике к важнейшим относятся эффекты выпрямления, усиления (транзисторный эффект), Холла, Ганна, фотоэлектрический, термоэлектрический.
Э
Простые полупроводники
Германий. Один из наиболее хорошо изученных полупроводников. Упрощенная технологическая схема производства германия показана в таблице 5
Метод бестигельной зонн
Полупроводники. Бинарные соединения.
Карбид кремния - бинарное соединение с большой шириной запрещенной зоны 2.8-3.1 эВ в зависимости от модификации. Карбид кремния одно из наиболее твердых вещест
Материалы применяемые в электроэнергетике
Преимуществами газов перед остальными видами электроизоляционных материалов являются высокое удельное электрическое сопротивление, малый тангенс угла диэлектрических потерь, малая, близкая к единиц
Газообразные диэлектрики
Таблица 9
Газ
Плотность кг/м3
Температура кипения, oC
Eпр.г/Епр.в
Жидкие диэлектрики
Жидкие диэлектрики представляют собой электроизоляционные жидкости, используемые в электрических аппаратах высокого напряжения, а также в блоках электронной аппаратуры. Примене
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
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 такое устройств
Новости и инфо для студентов