Графит. Бетэл - раздел Образование, Поляризация Диэлектриков
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.
Эти примеры исчерпывают известные к настоящему времени модификации чистого углерода. Видно, как структура материала принципиально меняет его свойства.
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. Материал 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.
Во время работы резистора в нем выделяется энергия:
, (24)
где 
- напряжение, 
- сопротивление, 
- время. У бетэла теплопроводность низка, поэтому резистор будет просто нагреваться и выделяющаяся электрическая энергия будет превращаться в тепловую энергию.
(24)
где 
- удельная теплоемкость материала, 
- масса резистора, 
, 
- начальная и конечная температуры. Приравнивая 
и 
и считая соответствующее теплостойкости или хотя бы температуростойкости материала, видно, что если нет теплопроводности (т.е. теплоотвода), то резистор за конечное время 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.
78. Материал «ЭКОМ» для резисторов и обогревателей
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:
Характеристика ЭКОМа
Таблица 10
| 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.
В конструкции панели ПЭГ-500 предусмотрено использование 12 элементов ЭНГФ соединенных последовательно. В конструкции электроконвектора ЭЛКОН -600 - 8 последовательно соединенных элементов. Можно показать, что при таком типе соединения происходит выравнивание мощности по элементам, что обусловлено отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. При увеличении мощности на каком-то элементе его сопротивление уменьшается, что приводит к уменьшению падения напряжения на этом элементе, что приводит, в свою очередь, к уменьшению мощности на этом элементе.
В процессе разработки материала было перепробовано большое количество компонентов. Стоит упомянуть о подборе электропроводного компонента. Были испробованы порошки металлов, начиная с нержавеющей стали, меди и т.п. Выяснилось, что композит на основе металлических порошков меняет свое сопротивление после каждого эксперимента с протеканием более-менее значительного тока, а именно, сопротивление уменьшается. Когда разобрались, оказалось, что частички металла сплавляются в месте контактов за счет повышенной плотности тока и повышенной температуры в контактах. Перешли на материал, который теоретически плавится при температуре 3500 °С - графит.
Однако не всякий графит подходит - красивый, блестящий коллоидный графит имеет слишком высокую электропроводность, низкую адгезию к материалу (низкая прочность материала) и повышенный температурный коэффициент сопротивления. Изготовленные на основе этого материала нагреватели «разбегаются» по температуре, т.е. по мере нагревания сопротивление материала уменьшается, значит увеличивается мощность, это приводит к дополнительному нагреву, увеличению мощности и т.д. Чтобы предотвратить выход из строя, пришлось ставить термодатчики, которые отключали прибор после достижения определенной температуры.
Здесь важно также выбрать концентрацию графита. Дело в том, что сопротивление сильно зависит от его содержания. На рисунке . приведены результаты измерения сопротивления материала в зависимости от объемного содержания графита. Видно, что даже в логарифмических координатах, электропроводность меняется в значительных пределах, причем имеется пороговое значение концентрации, при котором резко увеличивается электрическое сопротивление.
Рис. 12. Поведение электропроводности композита ЭКОМ при изменении содержания силицированного графита.
Как известно, полимеры являются диэлектриками. Однако можно их сделать и проводниками. Для чего такие проводники? Они, в отличие от металлов, имеют высокую коррозионную стойкость, легкую обрабатываемость, малый удельный вес, эластичность, дешевизну и т.п. Для того, чтобы из диэлектрика сделать проводник используются два пути. После введения в полимер дисперсной электропроводной фазы, тем самым получается композит, в котором матрицей является полимер, а наполнителем - электропроводная добавка. Обычно используют один из видов технического углерода, чаще сажу. Трудности - плохая адгезия полимера и наполнителя. Значит трудно ввести достаточно много наполнителя, чтобы достичь высокой электропроводности. Характерное значение удельного электросопротивления при 20% содержании ацетиленовой сажи составляет 102 Ом·м.
Второй вариант электропроводящих полимеров заключается в модифицировании их структуры. Оказывается, если сделать полимер не из насыщенных углеводородов, а из ненасыщенных, то в таком полимере может быть электронная, либо дырочная электропроводность. Первым электропроводным полимером был полиацетилен, в котором чередуются одинарные и двойные связи в линейной молекуле полимера. Пока электрополимеры такого типа не вышли за пределы лабораторий. Но несомненно, у них есть будущее. В 2002 году достигнуты значения электропроводности 100 - 1000 См/м, т.е. примерно на уровне графита.
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
Полимеры
Для изготовления изоляции используют большое число материалов, относящихся к группе полимеров. Полимеры - высокомолекулярные соединения, имеющие большую молекулярную массу. Молекулы полимеро
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
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