ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ И КОНСТРУКЦИОННОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.

 

Конспект лекций

направление 140200 бакалавриат

 

 

Самара 2011

ЛЕКЦИЯ №1

Диэлектрики и электроизоляционные материалы

Общие сведения о строении вещества.

Введение. Предмет материаловедения. Значение курса в подготовке инженера-электрика. Требования, предъявляемые к современным материалам.

Классификация электротехнических материалов. Диэлектрики, полупроводники, проводники. Диамагнетики. Парамагнетики

Материал - это объект обладающий определенным составом, структурой и свойствами, предназначенный для выполнения определенных функций. Материалы могут иметь различное агрегатное состояние: твердое, жидкое, газообразное или плазменное. Функции, которые выполняют материалы - разнообразны. Это может быть обеспечение протекания тока - в проводниковых материалах, сохранение определенной формы при механических нагрузках - в конструкционных материалах, обеспечение непротекания тока, изоляция - в диэлектрических материалах, превращение электрической энергии в тепловую - в резистивных материалах. Обычно материал выполняет несколько функций, например диэлектрик обязательно испытывает какие-то механические нагрузки, а значит является конструкционным материалом.

Материаловедение - наука, занимающаяся изучением состава, структуры, свойств материалов, поведением материалов при различных воздействиях: тепловых, электрических, магнитных и т.д., а также при сочетании этих воздействий. Стихийными материаловедами были еще древние люди, , например, научившиеся делать каменные наконечники или топоры из определенных камней со слоистой структурой. Технический прогресс человечества во многом основан на материаловедении. В свою очередь технический прогресс дает новые возможности, методы, приборы для материаловедения, позволяет создавать новые материалы.

Материалы играют определяющую роль в техническом прогрессе. Совершенствование материала и технологии изготовления элементов оборудования из него приводит к радикально новым результатам.

Основные материалы, которые используются в энергетике, можно разделить на несколько классов - это электротехнические материалы, применяются для производства элементов, используемые для сборки электрических схем и осуществляемые прохождение электрического тока, его электрическую изоляцию, генерацию, усиление, выпрямление и т.п. К электротехни ческим материалам относятся диэлектрические материалы, полупроводниковые материалы и проводниковые материалы. Значения их удельного сопротивления находятся соответственно в пределах: 10^-8 – 10^-5, 10^-6 – 10⁸, 10⁷ – 10¹⁷. Общим для них является то, что они эксплуатируются в условиях действия напряжения, а значит и электрического поля. В них протекают электрические токи, выделяется тепловая энергия, происходят потери электрической энергии, происходит нагревание материалов. Поэтому они должны обладать рядом специфических свойств – электрофизических, механических, химических, потому что от них будут зависеть качество, надежность и безопасность работы электроустановок .

Более специфичны магнитные материалы, в них запасается магнитная энергия, в них также происходят ее потери, выделяется тепло при работе в переменном электрическом поле. В магнитном поле – на два класса: сильномагнитные, к ним относятся ферромагнетики и ферримагнетики и класс сильномагнитных - сюда относят диа-, пара- и антиферромагнетики.

Конструкционные материалы используют для изготовления несущих конструкций, корпусов электрооборудования и т.д. К ним относят металлические и неметаллические: черные и цветные металлы, природные и синтетические полимеры и материалы на их основе, сплавы, композиционные материалы.

Чистые металлы обладают низкой прочностью, они слишком пластичны и поэтому практически не используются. Обычно используют сплавы разных металлов, в качестве добавок используют и неметаллы. При этом компоненты могут смешиваться друг с другом на молекулярном уровне, т.е. взаимно растворяться друг в друге, а могут и не смешиваться, образуя отдельные кристаллиты. В металловедении их называют фазами. Форма кристаллитов, их размер, взаимное расположение играет важную роль в создании тех свойств, которые требуются от материала. Каждый кристаллит представляет собой однородную систему со своей кристаллической структурой. Последняя образована ионами, образующими остов решетки и обобществленными электронами. Большинство металлов имеют решетки следующих типов: кубическая объемно-центрированная, кубическая гранецентрированная, гексагональная.

Если в идеальный кристалл ввести атомы другого типа, которые хорошо смешиваются друг с другом на молекулярном уровне (растворяются), то в ряде случаев образуются т.н. «твердые растворы». Введенные атомы в достаточно большом количестве, чтобы они были в окружении каждого атома -хозяина, но в недостаточном количестве, чтобы менять строение решетки, образуют твердый раствор. Бывают два типа твердых растворов: твердый раствор внедрения и твердый раствор замещения. В первом случае добавленные атомы находятся в междоузлиях решетки, а во втором случае - они замещают атомы в кристаллической решетке.

Здесь также следует выделить целый класс материалов не по признаку их функционирования, а по составу. Это композиционные материалы.

Композиционные материалы - материалы, состоящие из нескольких компонентов, выполняющих разные функции, причем между компонентами существуют границы раздела.

Примеры композиционных материалов - стеклопластик (стержни и трубы), стеклотекстолит листовой, материалы для контактов (смеси электропроводного и тугоплавкого металлов). Сочетание двух или более материалов позволяет использовать сильные стороны каждого из материалов. При этом свойства композита, далеко не всегда являются промежуточными между свойствами компонентов. В ряде случаев улучшаются характеристики, либо появляется материал с принципиально новыми характеристиками.

Диэлектрические материалы служат в качестве изоляции токоведущих частей электрооборудования. Диэлектрические материалы обладают способностью поляризоватьсяпод действием приложенного электрического поля и подразделяются на два подкласса: диэлектрики пассивные и активные.

Пассивные диэлектрики (или просто диэлектрики) используют 1 – для создания электрической изоляции токопроводящих частей – они препятствуют прохождению электрического тока другими путями, не предусмотренными электрической схемой и являются электроизоляционными материалами; 2 – в электрических конденсаторах – для создания определенной емкости; здесь важную роль играет их диэлектрическая проницаемость: чем она выше, тем меньше габариты конденсатора.

Активные диэлектрики в отличие от обычных применяются для изготовления активных элементов электрических схем. Детали, изготовленные из них, служат для генерации, усиления, преобразования электрического сигнала. К ним относят материалы, управляемые электрическим полем – сегнетоэлектрики, механическим усилием – пьезоэлектрики, управляемые теплом – пироэлектрики, электреты, фотоэлектреты, люминофоры.

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 ниже точки Кюри вследствии изменения строения элементарной ячейки кристаллической решетки и образования доменной структуры:

- необычно высокая диэлектрическая поляризация;

- нелинейная зависимость поляризованности, а следовательно, и диэлектрической проницаемости от напряженности приложенного электрического поля;

- резко выраженная зависимость диэлектрической проницаемости от температуры;

- наличие диэлектрического гистерезиса.

Пьезоэлектрики- это вещества с сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений. При обратном пьезоэффекте происходит изменение размеров диэлектрика под действием приложенного электрического поля.

Пироэлектрики, то-есть диэлектрики, обладающие пироэлектрическим эффектом. Пироэлектрический эффект состоит в изменении спонтанной поляризованности диэлектриков при изменении температуры. К типичным линейным пироэлектрикам относятся турмалин и сульфит лития. Пироэлектрики спонтанно поляризованы, но, в отличие от сегнетоэлектриков, направление их поляризации не может быть изменено электрическим полем.

Электреты – это вещества способные длительное время сохранять поляризованность и создавать в окружаемом их пространстве электрическое поле в отсутствии внешнего энергетического воздействия. Это – воск, парафин, канифоль, янтарь, слюда и др. ; синтетические полимеры – политетрафторэтилен, полистирол, полипропилен, поликарбонаты и др,; неорганические материалы – сера, сульфид цинка, стекла. В зависимости от метода получения различают следующие типы электретов:

термоэлектреты получаются в результате нагрева до температуры плавления кристаллических или размягчения аморфных тел с последующим охлаждением в сильном электрическом поле;

короноэлектреты – воздействием коронным разрядом в газовом промежутве между поверхностью диэлектрика и электродом;

фотоэлектреты – одновременным воздействием света и постоянным электрическим полем;

хемоэлектреты – электризацией в электрическом поле в процессе химических превращений;

радиоэлектреты – воздействием пучком заряженных частиц высокой энергии;

механоэлектреты – воздействием механических нагрузок, сопровождающимися контактной электризацией;

трибоэлектреты – воздействием трением, сопровождающимися контактной электризацией.

По агрегатному состоянию все диэлектрики делятся на твёрдые, жидкие и газообразные.В особую группу выделяют твердеющие материалы,т. е. при изготовлении изоляции эти материалы находятся в жидком состоянии, а при эксплуатации в твёрдом (пластмассы, лаки, битумы, компаунды). По химической природе электроизоляция делится на органические и неорганические, элементоорганические. К органическим веществам относятся соединения углерода, содержащие водород, кислород, азот, галогены. К неорганическим относятся вещества, содержащие фосфор, кремний, алюминий.

В зависимости от влияния напряженности электрического поля на значение относительной диэлектрической проницаемости материала все диэлектрики подразделяют на линейные и нелинейные.

Неполярными диэлектриками являются газы, жидкости и твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях, обладающие в основном только электронной поляризацией. К ним относятся водород, бензол, парафин, сера, полиэтилен и др.

Полярные (дипольные) диэлектрики — это органические жидкие, полужидкие и твердые вещества, имеющие одновременно дипольно-релаксационную и электронную поляризации. К ним относятся нитробензол, кремнийорганические соединения, фенолформальдегидные смолы и др.

ЛЕКЦИЯ №2

Поляризация диэлектриков.

Классификация диэлектрических материалов.

Поляризация диэлектриков.

Физическая сущность поляризации диэлектриков. Виды поляризации.

Классификация диэлектриков по видам поляризации.

Электропроводность диэлектриков.

Электропроводность газообразных, жидких и твёрдых диэлектриков. Электропроводность поверхностная и объемная. Токи смещения, абсорбции и сквозной проводимости. Поверхностная электропроводность твердых диэлектриков.

 

Смещение электрических зарядов вещества под действием элек­трического поля называется поляризацией. Способность к поляриза­ции является основным свойством диэлектриков.

Поляризация под воздействием электрического поля - мгновенная, вполне упругая (без выделения тепла). Сюда относятся:

Электронная поляризация, представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Это взаимное смещение электронов и ионов внутри атома.

Свойства:

1. Электронная поляризация зависит от To К (т.к. при нагреве тела расширяются, падает концентрация зарядов);

2. Электронная поляризация не зависит от частоты (т.к. смещение зарядов происходит за t_n=10^-15 с, поэтому запаздывания поляризации по отношению к изменению электрического поля не наблюдается).

3. Электронная поляризация происходит без потерь энергии (как бы упругая деформация), в диэлектрике имеется только емкостная составляющая тока.

Электронная поляризация уменьшается повышением температуры, так как изменяется плотность вещества. Наблюдается у всех видов диэлектриков;

Ионнаяполяризация характерна для твёрдых тел с ионным строением, обусловлена смещением упруго связанных ионов. Ионная поляризация - это смещение ионов в пределах кристаллической решетки. Наблюдается в твердых телах с ионной кристаллической решеткой. Смещение токов происходит по малым расстояниям за счет упругой деформации решетки.

Свойства ионной поляризации

o TKe при ионной поляризации положителен, т.к. связи между ионами ослабевают с ростом температуры, что облегчает их смещение в электрическом поле;

o не зависит от частоты, т.к. t_n=10^-13 сек;

происходит без потерь. С повышением температуры она усиливается, так как увеличивается расстояние между ионами.

Релаксационная поляризация. Релаксационная, (не мгновенная или замедленная) поляризация - убывает и нарастает замедленно. Сопровождается выделением энергии (тепла). Время релаксации – это промежуток времени, в течении которого упорядоченность ориентированных полем диполей после снятия поля уменьшается вследствие наличия теплового движения в 2,7 раза от первоначального значения, т.е. система из неравновесного состояния приближается к равновесному. Время релаксации сильно зависит от температуры. Чем выше температура, тем меньше силы молекулярного сопротивления повороту диполей в вязкой среде, тем меньше время релаксации. К этому виду относятся:

2. а) Дипольно-релаксационная поляризация (дипольная). Во многих веществах молекулы обладают дипольным моментом в отсутствие электрического поля, но сориентированы моменты хаотично и сумма моментов диполя = 0.

Связана с тепловым движением частиц. При действии поля молекулы стараются ориентировать в направлении поля, как показано на рис.1.3. Дипольная поляризация возможна, если молекулярные силы не препятствуют молекулам ориентироваться вдоль поля. При повышении температуры дипольная поляризация сначала увеличивается из-за ослабления молекулярных связей, а когда движение становится более интенсивным, дипольная поляризация падает. Из-за необходимости преодоления некоторого сопротивления дипольная поляризация связана с дополнительными потерями энергии. Дипольная поляризация характерна для полярных газов и жидкостей, иногда может наблюдаться и в полярных органических диэлектриках. Свойства дипольной поляризации:

o дипольная поляризация зависит от температуры (из-за тепловой подвижности молекул);

o сильно зависит от частоты, т.к. диполи имеют определенную инерцию;

o на дипольную поляризацию затрачивается энергия.

б) Ионно-релаксационная поляризация. Наблюдается в неорганических стёклах, а также в кристаллических веществах с неплотной упаковкой ионов. Возникает тогда, когда слабосвязанные ионы вещества под действием электрического поля смещаются в направлении поля. При повышение температуры поляризация резко увеличивается.

в) Электронно-релаксационная поляризация. Возникает вследствие возбуждения тепловой энергией избыточных электронов или дырок. Характерно для диэлектриков, обладающих большим внутренним полем, большой электропроводностью, высоким показателем преломления.

г) Миграционная поляризация. Проявляется в твёрдых телах неоднородной структуры при наличии примесей. Возникает при низких частотах и связана со значительным рассеиванием энергии. Причина возникновения – наличие проводящих и полупроводящих каналов, а также слоёв, имеющих различную проводимость. При внесении неоднородного материала в электрическое поле свободные электроны проводящих и полупроводящих примесей перемещаются в пределах каждого включения, образуя при этом большие области поляризации.

Спонтанная поляризация.Спонтанная или самопроизвольная поляризация характерна для сегнетоэлектриков. В отсутствии электрического поля в сегнетоэлектриках наблюдаются самопроизвольные смещения частиц (ионов), которое приводит к несовпадению центров положительного и отрицательного зарядов в объёме диэлектрика, то есть возникновению поляризации. В результате в диэлектрике образуются области – домены, в каждом домене частицы, обуславливающие поляризацию, смещены в одном направление.

Остаточная поляризация. Характерна для веществ, называемых электретами. Эти вещества способны сохранять поляризованное состояние и при снятии электрического поля.

Высоковольтная поляризация характеризуется очень высокими временами установления (несколько часов) и созданием в диэлектрике сильных локальных зарядов и против - ЭДС диэлектрика. Это поляризация не проявляется на высоких частотах и при повышенных температурах.