1. Электротехнический материал. Общие понятия и определения. Требования, предъявляемые к электротехническим материалам. Электротехнические материалы – это те материалы, которые предопределены для действия в магнитных и электрических полях. То есть электротехнические материалы являются совокупностью магнитных, проводниковых, полупроводниковых и электроизоляционных материалов. Также к электротехническим материалам можно определить и такую электротехническую продукцию как конденсаторы, трансформаторы, электроизоляторы, кабеля и т.п. Материалы, выполненные в электротехнических изделиях вспомогат. функции назыв. конструкционными. Электротехнические материалы разделяют на четыре группы: проводниковые, полупроводниковые, магнитные и электроизоляционные. Проводниковые материалы отличаются большой удельной электрической проводимостью и используются в электрических устройствах в качестве проводников электрического тока: обмотки и контакты в электрических машинах, аппаратах и приборах, провода и кабели для передачи и распределения электрической энергии. Полупроводниковые материалы занимают по удельной проводимости промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Магнитные материалы отличаются способностью усиливать магнитное поле, в которое их помещают, т. е. обладают большой магнитной проводимостью. Они используются для изготовления магнитопроводов в электрических машинах и трансформаторах, для экранирования магнитного поля и других целей. Электроизоляционные материалы (диэлектрики) отличаются очень малой удельной электрической проводимостью. В диэлектриках преобладают электростатические явления, характеризующиеся наличием электрического поля. Диэлектрики служат для изоляции друг от друга различных токопроводящих деталей, находящихся под разными потенциалами. По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно подразделить на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. К диамагнетикам относят вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и ее производные), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и др.), большинство полупроводников (кремний, германий, соединения АЗВ5, А2В6) и органических соединений, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла и др. Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии. К парамагнетикам относят вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. К числу парамагнетиков относят кислород, окись азота, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов. К ферромагнетикам относят вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью (до 106), которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (Се, Nd, Sm, Тm и др.). Типичными антиферромагнетиками являются простейшие химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и т.п. К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Наряду с этим ферримагнетики характеризуются и рядом существенных отличий от ферромагнитных материалов. Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные металлические сплавы, но, главным образом,- различные оксидные соединения, среди которых наибольший практический интерес представляют ферриты. Требования, предъявляемые к электротехническим материалам: 1.Большой диапозон рабочих t. 2. Большой диапозон рабочих напряжений. 3. Большой диапозон рабочих давлений. 4. Большой диапозон рабочих частот. 5.Высокие удельные показатели свойств материалов. 6.Стабильность св-в материалов и их стойкость к внешним воздействиям. 7.Технологичность материалов.
| 2.Классификация электротехнических материалов по величине запрещенной зоны и удельному сопротивлению. Удельное сопротивление, равное r = 1 Ом.м означает, что цилиндрический проводник, изготовленный из данного материала, длиной l = 1м и с площадью поперечного сечения S = 1 м2 имеет сопротивление R = 1 Ом.м.
Ширина ЗЗ у полупроводников составляет
вые материалыры металлов и сплавов. ие рисунки, графики, диаграммы;Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10-5 Ом·м, а к диэлектрикам — материалы, у которых ρ > 108Ом·м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10-8 Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 1016 Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах 10-5—108 Ом·м.
| 3.Классификация электротехнических материалов по поведению в магнитном поле. Классификацию ЭТМ по поведению магнитном поле ведут по значению относительной магнитной проницаемости.
Н- напряженность магнитного поля m0 – магнитная постоянная Магнитные материалы делят на слабомагнитные и сильномагнитные. К слабомагнитным относят диамагнетики и парамагнетики. К сильномагнитным – ферромагнетики, которые, в свою очередь, могут быть магнитомягкими и магнитотвердыми. Диамагнетиками называют материалы, атомы (ионы) которых не обладают результирующим магнитным моментом. Внешне диамагнетики проявляют себя тем, что выталкиваются из магнитного поля. К ним относят цинк, медь, золото, ртуть и другие материалы. m<1(не зависит от напряженности магнитного поля). Парамагнетиками называют материалы, атомы (ионы) которых обладают результирующим магнитным моментом, не зависящим от внешнего магнитного поля. Внешне парамагнетики проявляют себя тем, что втягиваются в неоднородное магнитное поле. К ним относят алюминий, платину, никель и другие материалы. m>1(не зависит от напряженности магнитного поля). Ферромагнетиками называют материалы, в которых собственное (внутреннее) магнитное поле может в сотни и тысячи раз превышать вызвавшее его внешнее магнитное поле. m намного больше 1(зависит от напряженности магнитного поля). Любое ферромагнитное тело разбито на домены – малые области самопроизвольной (спонтанной) намагниченности. В отсутствие внешнего магнитного поля, направления векторов намагниченности различных доменов не совпадают, и результирующая намагниченность всего тела может быть равна нулю.
|
4.Электрофизические процессы в металлических проводниках. Удельная электропроводность металлов. Влияние примеси на удельное сопротивление. С позиции классификации эл.теории металлы рассматриваются как система, сост. из положительных ионов, обр. узлы кристаллической решетки и свободных электронов, электронов проводимости. В отсутствии эл.поля электроны под действием теплового поля хаотически перемещаются по металлу. Если к металлу приложить эл.поле, то возникнет упорядоченное движ. электронов – дрейф электронов, в металле потечет эл.ток. Удельная электропроводность (УЭ) – физическая величина, равная электропроводности цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади поперечного сечения; УЭ связана с удельным сопротивлением р соотношением 1/ р. Принято измерять УЭ в единицах: сименс (обратный ом – ом–1) на метр или на сантиметр (сим/м или сим/см). На основании классической теории уд.электропроводность у металлов определяется: Удельная электропроводность металл.проводников зависит в основном от среднего пробега свободного электрона, которая влияет на подвижность электронов. Чистые отожженные металлы имеют менее деформируемую решетку, поэтому для них характерны большие значения удельной теплопроводности и удельной проводимости; и маленькие значения удельного сопротивления. Примеси, растворенных металлов деформируют крист.решетку и вызывают большое изменение удельного сопротивления. (↑). | 5. Электрофизические процессы в металлических проводниках. Зависимость между свойствами сплавов(удельное сопротивление, твердость) и их диаграммами состояния. С позиции классификации эл.теории металлы рассматриваются как система, сост. из положительных ионов, обр. узлы кристаллической решетки и свободных электронов, электронов проводимости. В отсутствии эл.поля электроны под действием теплового поля хаотически перемещаются по металлу. Если к металлу приложить эл.поле, то возникнет упорядоченное движ. электронов – дрейф электронов, в металле потечет эл.ток. Между составом и структурой сплава (рис. 17), определяемой типом диаграммы состояния и свойствами сплава, имеется определенная зависимость (правило Н.С. Курнакова). В механических смесях свойства (твердость Н, электропроводность Е и др.) изменяются линейно (рис. 17, а). В твердых растворах свойства изменяются по криволинейной зависимости (рис. 17, 6). В химических соединениях свойства выражаются ломаными линиями (рис. 17, в). При концентрации, соответствующей химическому соединению, отмечается характерный перелом на кривой свойств. Это объясняется тем, что химические соединения обладают индивидуальными свойствами, обычно резко отличающимися от свойств образующих их компонентов.
| 6. Электрофизические процессы в металлических проводниках. Влияние деформации на удельное сопротивление. С позиции классификации эл.теории металлы рассматриваются как система, сост. из положительных ионов, обр. узлы кристаллической решетки и свободных электронов, электронов проводимости. В отсутствии эл.поля электроны под действием теплового поля хаотически перемещаются по металлу. Если к металлу приложить эл.поле, то возникнет упорядоченное движ. электронов – дрейф электронов, в металле потечет эл.ток. Большое влияние на уд.сопротивление и мех.св-ва оказывают дефекты кристалл.решетки, возникшие при холодной обработке металлов давлением. В результате пластической деформации зерна измельчаются, возрастает дифф.кристаллической решетки и увеличивается кол-во дефектов, что приводит к увеличению твердости и пределу прочности на разрыв. Удельное сопротивление увеличивается. При кристаллизационном отжиге металлов зерна будут укрупняться, кристаллическая решетка «выпрямляется», концентрация дефектов уменьшается, удельное сопротивление может понизится до первоначального значения. Понижается твердость. При упругой деформации удельное сопротивление металлов может как увеличиваться, так и уменьшаться. При упругой деформации вызванной растяжением амплитуды тепловых колебаний узлов кристалл.решетки увеличивается, в результате удельная теплопроводность уменьшается, удельное сопротивление увеличивается. При упругой деформации, вызванной сжатием амплитуды тепловых колебаний узлов кристалл.решетки уменьшается, удельная теплопроводность увеличивается, удельное сопротивление уменьшается. |
7. Электрофизические процессы в металлических проводниках. Влияние температуры на удельное сопротивление металлов. С позиции классификации эл.теории металлы рассматриваются как система, сост. из положительных ионов, обр. узлы кристаллической решетки и свободных электронов, электронов проводимости. В отсутствии эл.поля электроны под действием теплового поля хаотически перемещаются по металлу. Если к металлу приложить эл.поле, то возникнет упорядоченное движ. электронов – дрейф электронов, в металле потечет эл.ток. При увеличении температуры атомы металла совершают колебания около узлов решетки, что вызывает рассеяние электронных волн, приводящее к увеличению электрического сопротивления. Это увеличение может быть выражено зависимостью
это выражение дает средний коэффициент в температурном интервале 0—t С. При уменьшении этого интервала (в пределе) до нуля получается истинное значение температурного коэффициента при температуре t
При плавлении электрическое сопротивление изменяется у металлов скачкообразно, например, у меди оно увеличивается, в 2 раза.
| 8. Электрофизические процессы в металлических проводниках. Влияние размеров проводника на удельное сопротивление. С позиции классификации эл.теории металлы рассматриваются как система, сост. из положительных ионов, обр. узлы кристаллической решетки и свободных электронов, электронов проводимости. В отсутствии эл.поля электроны под действием теплового поля хаотически перемещаются по металлу. Если к металлу приложить эл.поле, то возникнет упорядоченное движ. электронов – дрейф электронов, в металле потечет эл.ток. Причиной сопротивления металлического проводника является взаимодействие электронов при их движении с ионами кристаллической решетки. Отсюда предположение: сопротивление проводника зависит от его длины и площади поперечного сечения, а также от металла, из которого изготовлен проводник. | 9. Электрофизические процессы в металлических проводниках. Влияние частоты напряжения на сопротивление металлических проводников. С позиции классификации эл.теории металлы рассматриваются как система, сост. из положительных ионов, обр. узлы кристаллической решетки и свободных электронов, электронов проводимости. В отсутствии эл.поля электроны под действием теплового поля хаотически перемещаются по металлу. Если к металлу приложить эл.поле, то возникнет упорядоченное движ. электронов – дрейф электронов, в металле потечет эл.ток. Вихревые токи, возникающие внутри металл.проводников, по которым течет переменным ток, ослабевают ток внутри проводника и усиливают его внутри поверхности. В результате высокочастотный ток распределен по сечению проводника неравномерно. Большая его часть находится у поверхности проводника. Это явление называется скин-эфффектом. Из-за этого явления внутренняя часть проводника в высокочастотных цепях оказывается бесполезной, поэтому в цепях проводники могут быть полными или трубчатыми. Скин-эффект характ. глубиной проникновения электромагнитного поля в проводник. Сопротивление проводника, вызванное скин-эффектом, оценивается сопротивлением квадрата его поверхности. |
10. Электрофизические процессы в металлических проводниках. Эмиссионные и контактные явления в металлах. С позиции классификации эл.теории металлы рассматриваются как система, сост. из положительных ионов, обр. узлы кристаллической решетки и свободных электронов, электронов проводимости. В отсутствии эл.поля электроны под действием теплового поля хаотически перемещаются по металлу. Если к металлу приложить эл.поле, то возникнет упорядоченное движ. электронов – дрейф электронов, в металле потечет эл.ток. Во многих вакуумных электронных устройствах и приборах используют явление термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия - это испускание электронов нагретыми телами (обычно металлами) в вакуум или другую среду. Для того, чтобы покинуть поверхность твердого или жидкого тела электрону необходимо преодолеть потенциальный барьер, то есть совершить работу. Минимальная энергия, которую надо затратить, чтобы удалить электрон из твердого или жидкого вещества в вакуум (в состояние с равной нулю кинетической энергией), называется работой выхода электрона.
При температуре свыше 0 грудусов К происходит эмиссия(вылет) электронов из металла, т.к. у металлов работа выхода электрона состоит несколько электрон-вольт, то при низких температурах ток эмиссии очень мал. Чтобы ток эмиссии был достаточным для практического использования необходимо повысить температуру и увеличить напряженность электрического поля. При соприкосновение 2-х проводников между ними возникает контактная разность потенциалов. Это объясняется различными работами выхода электронов из металлов и разной концентрацией электронов у металлов
| 11. Электрофизические процессы в металлических проводниках. Тепловые свойства металлов. Тепловое расширение. С позиции классификации эл.теории металлы рассматриваются как система, сост. из положительных ионов, обр. узлы кристаллической решетки и свободных электронов, электронов проводимости. В отсутствии эл.поля электроны под действием теплового поля хаотически перемещаются по металлу. Если к металлу приложить эл.поле, то возникнет упорядоченное движ. электронов – дрейф электронов, в металле потечет эл.ток. Тепловое расширение. Нагревание металла до определенной температуры вызывает его расширение. Величину удлинения металла при нагревании легко определить, если известен коэффициент линейного расширения металла α. Коэффициент объемного расширения металла ß равен Зα.
У металлов между значением | 12. Электрофизические процессы в металлических проводниках. Тепловые свойства металлов. Теплопроводность. С позиции классификации эл.теории металлы рассматриваются как система, сост. из положительных ионов, обр. узлы кристаллической решетки и свободных электронов, электронов проводимости. В отсутствии эл.поля электроны под действием теплового поля хаотически перемещаются по металлу. Если к металлу приложить эл.поле, то возникнет упорядоченное движ. электронов – дрейф электронов, в металле потечет эл.ток. Теплопроводность — это молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов). Количество теплоты d2Qτ, проходящее через элемент изотермической поверхности dF за промежуток времени dτ, пропорционально температурному градиенту
Здесь множитель λ называется коэффициентом теплопроводности. Знак минус указывает на то, что теплота передается в направлении уменьшения температуры. Количество теплоты, прошедшее в единицу времени через единицу изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока. Отношение коэффициента теплопроводности
Lo=2.45.10-8 В2/К2 - число Лоренца, Т - температура. В соответствии с этим законом, чем больше электропроводность металла, тем больше коэфф.теплопроводности. |
16. Проводниковые материалы. Медь. Коррозионная стойкость меди. К проводникам или проводниковым материалам относятся материалы, хорошо проводящие электрический ток. Обычно, это металлы, но также используются некоторые жидкости и ионизированные газы. Медь обладает высокой электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью и отлично переносит горячую и холодную обработку давлением. Она устойчива к атмосферной коррозии. Чистая пресная вода почти не действует на медь. Скорость коррозии меди в морской воде ~ 0,05 мм/год. В растворах неокислительных солей она стойка. Примеси олова и ртути увеличивают скорость коррозии меди. Медь практически не реагирует с сухими галогенами, но активна с аммиаком, хлористым аммонием, с цианистыми соединениями. Большинство органических кислот не действуют на медь, а минеральные кислоты значительно растворяют ее. При легировании меди алюминием резко повышается ее коррозионная стойкость вследствие образования на поверхности защитного слоя окиси алюминия. Кислородная коррозия меди, протекающая с катодным лимитированием, зависит от количества кислорода, достигающего ее поверхности: 2Cu + O2 + 4Н+ -> Cu2++2Н2O. При этом на аноде происходит выделение ионов Cu+, а на катоде - диффузия ионов Cu2+ из раствора и металлической поверхности. Воздух вызывает равномерную коррозию меди ~ 1,3 мкм/год. С повышением концентрации SO2 в воздухе коррозия возрастает. Местная коррозия меди возникает при различной аэрации под каплями влаги. Кавитационная коррозия меди и ее сплавов происходит при соприкосновении с влажным паром (даже при скорости потока ~ 2 м/с). Наиболее известными сплавами на основе меди являются латуни и бронзы
| 17. Проводниковые материалы. Медь. Сравнительные характеристики меди марок МТ и ММ. К проводникам или проводниковым материалам относятся материалы, хорошо проводящие электрический ток. Обычно, это металлы, но также используются некоторые жидкости и ионизированные газы.
Медь - наиболее широко применяется в качестве проводникового материала: в производстве обмоточных и монтажных проводов и кабелей (мягкая отожженная медь марки ММ) в производстве волноводов и т.д.; при изготовлении контактных проводов, шин распределительных устройств, коллекторных пластин электрических машин (медь твердая марки МТ - имеет меньшую проводимость и относительное удлинение перед разрывом, но большую механическую прочность, чем отожженная медь марки ММ).
| 18. Бронзы. Состав, свойства, область применения в электротехнике. Из сплавов на основе меди наибольшее применение в электротехнике получили бронзы и латуни. Бронзы - это сплавы меди с оловом, алюминием и другими металлами, специально вводимыми с целью получения определенных свойств сплава. Раньше всех начали применяться оловянистые бронзы, в которых содержание олова составляет 8 - 20%. Оловянистые бронзы являются дорогостоящими сплавами, так как содержат дефицитное олово. Поэтому оловянистые бронзы стараются заменять другими бронзами, содержащими алюминий, кадмий, фосфор и другие вещества (легирующие элементы). Характерной особенностью бронз является их малая объемная усадка при литье (0,6 - 0,8%) по сравнению с чугуном и сталями, у которых усадка достигает 1,5 - 2,5%. Поэтому наиболее сложные по форме детали отливают из бронзы. Другие характерные свойства бронз - повышенная твердость, упругость (по сравнению с медью), большое сопротивление истиранию и стойкость к коррозии. Благодаря этим ценным свойствам бронзы широко применяют в машиностроении для изготовления втулок, шестерен, пружин (бронзовая лента) и других деталей. Марки бронз обозначаются буквами Бр (бронза), за которыми следуют буквы и цифры, показывающие, какие легирующие элементы и в каком количестве содержатся в данной бронзе. Например, марка БрОЦС-5-5-5 обозначает, что в бронзе содержится 5% олова, 5% цинка, 5% свинца, остальное медь. Бронзы бывают литейные, из которых детали получают методом литья, и бронзы, обрабатываемые давлением. Плотность бронз находится в пределах: 8,2 - 8,9 г/см3. В электротехнике стараются применять бронзы, проводимость которых близка к проводимости меди. Такими бронзами являются кадмиевая и кадмиево-оловянистая. Остальные бронзы нашли применение в электротехнике благодаря следующим свойствам: упругости, сопротивлению истиранию и высокой механической прочности. Из бронз изготовляют провода с повышенной механической прочностью, а также щеткодержатели, пружины и контактные детали для электрических аппаратов и приборов. Наибольшей пластичностью обладают алюминиевые бронзы. Бериллиевые бронзы отличаются очень высокой механической прочностью, сопротивлением к истиранию и к окислению на воздухе.
|
Дата добавления: 2015-09-30; просмотров: 86 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
, т.е. достаточно узка, поэтому при некоторой температуре, отличной от нуля, часть валентных электронов за счет упомянутого теплового возбуждения приобретает дополнительную энергию, достаточную для разрыва ковалентной связи и перехода в зону проводимости, где они становятся свободными, а полупроводник – электропроводным (рис. 2,б). В чистых (собственных) полупроводниках ширина ЗЗ составляет – для германия (Ge–32) 
или 
, для кремния (Si–14) 
или 
.Удельное сопротивление полупроводников находится в пределах 
.
, а электропроводность составляет величину 
, т.е. чрезвычайно мала. Как было упомянуто ранее, тепловое движение атомов, а также внешнее электрическое поле в обычных условиях не в состоянии сообщить электрону энергию для переброса электронов из ВЗ в ЗП. Эта энергия должна быть не менее чем ширина 
запрещенной зоны.
где В – магнитная индукция
, n-концентрация электронов; l-длина свободного пробега электронов; u-средняя скорость теплового движения электрона.
—удельное электрическое сопротивление при 0°С.
температурный коэффициент электрического сопротивления равен:
где m, е - соответственно масса и заряд электрона, 
и 
- скорости электрона до и после выхода из металла.
, где Ua, Ub - потенциалы металлов а и b, п0а, n0b – концентрации электронов, k – постоянная Больцмана.
- постоянный коэффициент термо-ЭДС для пары проводников.
и Тпл. Существует определенная зависимость: минимальные значения 
:
к удельной проводимости металла выражается законом Видемана - Франца - Лоренца:
= Lo T,