Контрольная работа: Проводники и полупроводники
Задача 2
Дайте определение диэлектрика пластмасса. Укажите, к какой классификационной группе относится данный диэлектрик. Приведите основные характеристики материала, единицы измерения и величины этих характеристик. Кратко опишите достоинства и недостатки, а также перечислите области применения материала.
Диэлектрик – электроизоляционный материал, применяемый в технике с целью созданий условий, препятствующих нейтрализации электрических зарядов, то есть недопускающий утечки тока.
По условию задан диэлектрик – пластмасса, относящаяся к пассивным электроизоляционным материалам, обладающие высокой теплостойкостью, нагревостойкостью, малым водопоглащением, что позволяет использовать их для изготовления электроизоляционных и конструкционных изделий.
Особенностью свойств пластмассы является инертная высокополимерная структура. Для изготовления пластмассовых изделий исходный материал – прессовочные порошки, на основе резольных и новолачных смол, являющиеся термореактивными материалами. Пластмассы на их основе – фенопласты. Они обладают высокой стабильностью свойств и противостоят воздействию воды, кислот и органических растворителей. Различают три типа фенопластов, содержащих в качестве наполнителей древесную муку и минеральные вещества. Пресспорошки (II тип) на основе резольных смол обладают улучшенными электроизоляционными свойствами, поэтому их широко применяют для изготовления электроизоляционных деталей. Из фенопластов I и III типа, содержащих новолочную смолу, изготовляют низковольтные электроизоляционные изделия. Недостатком фенопластов является их низкая стойкость к электрическим искрам и дугам, вызывающих науглероживание изделий. Прессований изделий из фенопластов производят при удельном давлении 
без предварительного подогрева пресспорошков при температуре 
или с предварительным подогревом при 
. При предварительном подогреве время прессования уменьшается.
Основные характеристики фенопластов
| Характеристики | Группа I | Группа II | Группа III |
| Удельный вес, г/см3 | 1,4 | 1,4 | 1,5 |
| Удельная ударная вязкость, кГ*см/см2 | 4,0 | 4,2 | 4,5 |
Предел прочности при изгибе, кГ/см2  | 550 | 600 | 650 |
| Предел прочности при сжатии, кГ/см2 | 1600 | 1500 | 1700 |
| Водопоглащаемость, г/дм2 | 0,12 | 0,10 | 0,12 |
Теплостойкость,  | 110 | 100 | 110 |
Удельное объёмное сопротивление  , Ом*см | 109 | 1012 | 1010 |
Удельное поверхностное сопротивление  , Ом*см | 109 | 1013 | 1010 |
Тангенс угла диэлектрических потерь  , при 50 гц | 0,1 | 0,05 | 0,1 |
Электрическая прочность , кв/мм | 10 | 13 | 7 |
| Текучесть, мм | 150 | 150 | 180 |
Изделия из пресспорошков, содержащие в качестве наполнителя асбестовые или стеклянные волокна, - волокниты, обладают повышенной нагревостойкостью. У этих материалов удельная ударная вязкость и теплостойкость значительно выше, чем у фенопластов с предыдущими наполнителями. В качестве связующего в этих пресспорошках применяют резольные смолы.
| Характеристики | Волокнит | К - 6 | К – Ф - 3 | Стекловолокнит |
| Удельный вес, г/см3 | 1,4 | 1,9 | 1,8 | 1,9 |
| Удельная ударная вязкость, кГ*см/см2 | 9,0 | 20 | 22 | 15 |
| Предел прочности при изгибе, кГ/см2 | 700 | 700 | 700 | 800 |
| Предел прочности при сжатии, кГ/см2 | 1200 | 800 | 1000 | 900 |
| Водопоглащаемость, г/дм2 | 0,4 | 0,8 | 1,0 | 0,5 |
| Теплостойкость, | 110 | 220 | 220 | 180 |
| Удельное объёмное сопротивление , Ом*см | 108 | 107 | 108 | 1010 |
| Электрическая прочность, кв/мм | 2 | 1 | 2 | 4 |
| Текучесть, мм | 100 | 110 | 120 | 120 |
Особый интерес вызывают пластмассы на основе кремнийорганических смол, так как они обладают высокой нагревостойкостью и малой зависимостью электрических характеристик от температуры. При введении в такие пластмассы нагревостойких наполнителей, происходит снижение электрических характеристик чистых кремнийорганических смол и резкое увеличение механических характеристик. Такие пластмассы применяются для изделий, работающих при температурах до 200°С и условиях повышенной влажности.
Разновидностью композиционных пластмасс являются слоистые пластики, в которых в качестве наполнителя используют листовые волокнистые материалы. К слоистым пластикам относятся гетинакс, текстолит и стеклотекстолит.
- Гетинакс получают горячей прессовкой бумаги, пропитанной феноло-формальдегидной смолой в стадии А или другими смолами этого же типа. Для производства используется прочная и нагревостойкая пропиточная бумага. Пропитку производят с помощью водной суспензии формальдегидной смолы. Листы бакелизированной бумаги после их сушки собирают в пакеты и эти пакеты прессуют на гидравлических прессах при температуре 160°С под давлением 10—12 МПа. Во время прессования смола сначала размягчается, заполняя поры между листами и волокнами, а затем затвердевает, переходя в неплавкую стадию резита. В результате волокнистая основа связывается в прочный монолитный материал. Гетинакс относится к числу сильнополярных диэлектриков, так как волокнистая основа и пропитывающее вещество обладают полярными свойствами.
Гетинакс используется для изготовления различного рода плоских электроизоляционных деталей и оснований. Бывает следующих марок: А, Б, В, Г, Д, Вс – для работы при частоте 50 гц и АВ , БВ , ВВ , ГВ , ДВ – для работы на высокой частоте. Гетинакс марок А и Б – обладает повышенной электрической прочностью, Г – повышенной стойкостью к влаге, В – повышенной механической прочностью.
- Текстолит. Наполнитель - пропитанная хлопчатобумажная ткань. Выпускается марками: А, Б и Г – на основе бязи и миткаля, ВЧ – на шифоне для высоких частот. Свойства идентичны свойствам гетинакса, только у текстолита предел прочности на раскалывание выше и удельная ударная вязкость, доходящая до 40 кг*см/см2 . Текстолит – материал более дорогой, чем гетинакс, поэтому его следует применять там, где деталь может подвергаться ударам или истиранию.
- Стеклотекстолит. Наполнитель – электроизоляционная бесщелочная стеклянная ткань. Обладают повышенной влагостойкостью и, по сравнению с текстолитом и гетинаксом, лучшими электрическими и механическими характеристиками. Изготавливается несколькими марками: СТ, СТУ на основе бесщелочной стеклянной ткани со связующим – фенолформальдегидной смолой и СТК – 41 и СТК – 41/ЭП на кремнийорганических смолах и с добавкой эпоксидных смол. Отличаются повышенной нагревостойкостью (180-200° С).
| Характеристики | Гетинакс | Текстолит А,В,Г | Стеклотекстолит | ||||
| А,Б,В,Г,Д | АВ ,БВ ,ВВ ,ГВ ,ДВ | Фенолформальдегидная смола | Кремнийорганическая смола | Эпоксидная смола | |||
| Удельный вес, г/см3 | 1,3 | 1,3 | 1,4 | 1,6 | 1,7 | 1,8 | |
| Предел прочности при изгибе, кГ/см2 | 800-1500 | - | 900-1400 | 1100-1300 | 1100-1200 | 2000-2500 | |
| Предел прочности при растяжении, кГ/см2 | 700-1500 | 800-1500 | 600-900 | 900-1300 | 1000-1500 | 1700-2400 | |
| Удельная ударная вязкость, кГ*см/см2 | 13-20 | - | 20-40 | 35-60 | 25-60 | 60-80 | |
| Теплостойкость, °С | 150-180 | 125-180 | 125-160 | 185 | 200 | 250 | |
| Удельное объёмное сопротивление , Ом*см | 1010 -1012 | 1012 -1014 | 109 -1011 | 1010 | 1014 | 1013 | |
Диэлектрическая проницаемость  | 5-6 | 5-6 | 5-6 | 6-8 | 6-7 | 6-7 | |
| Тангенс угла диэлектрических потерь , при 50 гц | 0,06-0,10 | 0,01-0,03 | 0,07-0,15 | 0,06-0,08 | 0,022 | 0,025 | |
| Электрическая пробивная прочность, кв/мм | 15-25 | 22-33 | 10-16 | 12-16 | 14-18 | 18-20 | |
Задача 3. Дайте определение проводника. Приведите классификацию проводниковых материалов. Назовите основные показатели проводников и кратко поясните их физический смысл. Для бериллиевой бронзы приведите числовые значения этих показателей. Кратко опишите сам материал, укажите основные области его применения. Укажите назначение кабели связи. Перечислите проводниковые материалы, используемые для их изготовления
Бериллиевая бронза, кабели связи
Проводник - металлическое изделие, изготовленное из материалов, обладающих высокой электропроводностью, чтобы не допускать больших потерь электрической энергии, используемые для обмотки машин и аппаратов, линий электропередачи шины распределительных устройств и т.д.
- Удельная проводимость. Электропроводность обуславливается наличием свободных валентных электронов в проводнике. При подключении электрического напряжения, электроны будут двигаться от минуса к плюсу, что создаст электрический ток. Удельная проводимость покажет, в какой мере тот или иной материал проводит создавшийся ток.
- Удельное сопротивление - обратная величина удельной проводимости - 
. Это величина, с помощью которой количественно оценивается электрическое сопротивление материала. Определяется из формулы:
- Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов.
При повышении температуры число носителей заряда в проводнике остаётся практически неизменным. Но вследствие усилений колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры, на пути направленного движения свободных электронов под действием электрического тока появляется всё больше препятствий, то есть уменьшаются средняя длина свободного пробега электрона 
, подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость и повышается удельное сопротивление.
- Теплопроводность - 
. Обмен электронами между нагретыми и холодными частями металла в отсутствие электрического поля, переход кинетической энергии от нагретых частей проводника к более холодным. За передачу теплоты через металл в основном ответственны те же свободные электроны, которые определяют и электропроводность металлов.
- Контактная разность потенциалов:
- и термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС):
