Контрольная работа: Классификация электротехнических материалов
Стекла, неорганические квазиаморфные вещества ионной структуры представляющие собой сложные системы различных оксидов. Диэлектрические потери в таких веществах связаны с явлением поляризации и электропроводности. Электрические свойства весьма в большой степени зависят от их состава. Для кварцевого стекла тангенс угла потерь tgδ~0,0002.
Пенопласты — материалы с ячеистой структурой, в которых газообразные наполнители изолированы друг от друга и от окружающей среды тонкими слоями полимерного связующего. Пенопласты на основе эпоксидных смол имеют тангенс угла потерь tgδ~0,025 – 0.035. Пенопласты на основе пенополистирола tgδ~0,0004.
Таким образом, меньшие электрические потери следует ожидать от стекла.
Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а соответствующее значение напряженности поля — электрической прочностью диэлектрика.
Пробивное напряжение обозначается Unp и измеряется чаще всего в киловольтах. Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя:
Е np = Unp / h
где h — толщина диэлектрика
Удобные для практических целей численные значения электрической прочности диэлектриков получаются, если пробивное напряжение выражать в киловольтах, а толщину диэлектрика — в миллиметрах. Тогда электрическая прочность будет в киловольтах на миллиметр. Для сохранения численных значений и перехода к единицам системы СИ можно пользоваться единицей МВ/м:
Жидкие диэлектрики отличаются более высокой электрической прочностью, чем газы в нормальных условиях. Предельно чистые жидкости получить чрезвычайно трудно. Постоянными примесями в жидких диэлектриках являются вода, газы и твердые частицы. Наличие примесей и определяет в основном явление пробоя жидких диэлектриков и вызывает большие затруднения для создания точной теории пробоя этих веществ.
Теорию электрического пробоя можно применить к жидкостям, максимально очищенным от примеси. При высоких значениях напряженности электрического поля может происходить вырывание электронов из металлических электродов и, как и в газах, разрушение молекул самой жидкости за счет ударов заряженными частицами. При этом повышенная электрическая прочность жидкого диэлектрика по сравнению с газообразным обусловлена значительно меньшей длиной свободного пробега электронов. Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняют местным перегревом жидкости за счет энергии, выделяющейся в относительно легко ионизирующихся пузырьках газа, который приводит к образованию газового канала между электродами. Вода в виде отдельных мелких капелек, находящихся в трансформаторном масле, при нормальной температуре значительно снижает E пр . Под влиянием длительного электрического поля сферические капельки воды сильно дипольной жидкости поляризуются, приобретают форму эллипсоидов и, притягиваясь между собой разноименными концами, создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой.
Обожженный фарфор имеет плотность 2,3-2,5 Мг/м3 . Предел прочности при сжатии 400-700 МПа, при растяжении 45-70 МПа, при изгибе 80-150 МПа. Из чего видно, что механическая прочность фарфора выше при работе на сжатие.
Защитные свойства различных материалов к корпускулярным и волновым излучениям высокой энергии удобно характеризовать понятием слоя десятикратного ослабления, т.е. толщиной слоя вещества, после прохождения, которого интенсивность излучения ослабляется в десять раз. Эта характеристика значительно облегчает расчеты элементов защиты. Например, для ослабления в 100 раз необходимо взять толщину защитного вещества, равную двум слоям десятикратного ослабления. Очевидно, п слоев десятикратного ослабления снизит интенсивность излучения в 10n раз.
Поглощение квантовой энергии веществом зависит от плотности этого вещества. Из перечисленных веществ наибольшую плотность имеет свинец. Для поглощения 1 МэВ квантового излучения толщина свинца должна быть ~ 30 мм, стали ~50 мм, бетона ~200 мм, воды 400 мм. Таким образом, свинец имеет наименьшую толщину слоя десятикратного ослабления.
Важнейшими практически применяемыми твердыми проводниковыми материалами в электротехнике являются металлы и их сплавы. Из них выделяются металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление ρ при нормальной температуре не более 0,05мкОм* м, и сплавы высокого сопротивления имеющие удельное сопротивление ρ при нормальной температуре не менее 0,3мкОм* м. Металлы высокой проводимости используются для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин. К таким металлам относятся медь (0,017 мкОм* м), Серебро (0,016 мкОм* м) Алюминий (0,028 мкОм* м)
Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторов электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания. К металлам и сплавам высокого сопротивления относятся Манганин (0,42-0,48 мкОм* м), Константан (0,48-0,52 мкОм* м), Хромо-никеливые сплавы (1,1-1,2 мкОм* м), Хромо-алюминевые (1,2-1,5 мкОм* м), Ртуть, Свинец, Вольфрам.
В 1911 г. нидерландский физик X. Камерлииг-Оннес исследовал электропроводность металлов при весьма низких температурах, приближающихся к абсолютному нулю. Он обнаружил, что при охлаждении до температуры, примерно равной температуре сжижения гелия, сопротивление кольца из замороженной ртути внезапно, резким скачком падает до чрезвычайно малого, не поддающегося измерению, значения. Такое явление, т.е. наличие у вещества практически бесконечной удельной проводимости, было названо сверхпроводимостью. Температура Т С , при охлаждении до которой вещество переходит в сверх проводящее состояние, — температурой сверхпроводящего перехода. Вещества, переходящие в сверхпроводящие состояние, — сверхпроводниками.
Явление сверхпроводимости связано с тем, что электрический ток, однажды наведенный в сверхпроводящем контуре, будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы, и притом без всякого подвода энергии извне.
В настоящее время известно уже 35 сверхпроводниковых металлов и более тысяч сверхпроводниковых сплавов и химических соединений различных элементов. В то же время многие вещества, в том числе и такие, обладающие весьма малыми значениями ρ при нормальной температуре, металлы как серебро, медь, золото, платина и другие, при наиболее низких достигнутых в настоящее время температурах (около милликельвина) перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.
Использующиеся в практике полупроводники могут быть подразделены на простые полупроводники (их основной состав образован атомами одного химического элемента) и сложные полупроводниковые композиции, основной состав которых образован атомами двух или большего числа химических элементов. В настоящее время изучаются также стеклообразные и жидкие полупроводники. Простые полупроводники, это: Бор, Кремний, Германий, Фосфор, Мышьяк, Селен, Сера, Теллур, Йод. Сложными полупроводниками являются соединения элементов различных групп таблицы Менделеева, соответствующие общим формулам AIV B, IV (например, SiC), AIII BV (InSb, GaAs, GaP), AII BIV (CdS, ZnSe), а также некоторые оксиды (CU2 O). К полупроводниковым композициям можно отнести материалы с полупроводящей или проводящей фазой из карбида кремния и графита, сцепленных керамической или другой связкой.
В современной технике особое значение приобрели кремний, германий и частично селен, применяемый для изготовления диодов, триодов и других полупроводниковых приборов.
Терморезисторы (термисторы) изготовляют в виде стерженьков, пластинок или таблеток методами керамической технологии. Сопротивление и другие свойства терморезисторов зависят не только от— состава, но и от крупности зерна, от технологического процесса изготовления: давления при прессовании (если полупроводник берут в виде порошка) и температуры обжига. Терморезисторы используются для измерения, регулирования температуры и термокомпенсации, для стабилизации напряжения, ограничения импульсных пусковых токов, измерения теплопроводности жидкостей, в качестве бесконтактных реостатов и токовых реле времени.
Из полупроводниковой керамики, обладающей точкой Кюри, изготовляются терморезисторы, отличающиеся от всех других терморезисторов тем, что имеют не отрицательный, а очень большой положительный температурный коэффициент сопротивления (свыше +20%/К) в узком интервале температур (около 10 °С). Такие терморезисторы называют позисторами. Их изготовляют в виде дисков небольшой толщины и предназначают для контроля и регулирования температуры, использования в системах пожарной сигнализации, предохранения двигателей от перегрева, ограничения токов, измерения потоков жидкостей и газов.
Полупроводниковые оксиды используются в основном для изготовления терморезисторов с большим отрицательным температурным коэффициентом удельного сопротивления [—(З-4)%/К].
Для запоминающих устройств вычислительной техники применяются ферриты, обладающие прямоугольной формой петли гистерезиса. Основным из параметров изделий этого типа является коэффициент прямоугольности петли гистерезиса Кп представляющий собой отношение остаточной индукции Вт к максимальной индукции Вмакс
Кп = Вт / Вмакс
Для изготовления сердечников трансформаторов используют магнитомягкие материалы в виде набора тонких, изолированных друг от друга, листов. Данная конструкция сердечника трансформатора позволяет значительно уменьшить потери на вихревые токи (токи Фуко).
Магнитотвердые материалы используют в основном для изготовления постоянных магнитов.
По составу, состоянию и способу получения магнитотвердые материалы подразделяют на:
1) легированные мартенситные стали,