Конспект лекцій (стр. 2 )

Наприклад, створення нагрівостійких кремнійорганичних діелектриків дозволило підвищити робочі температури електричних машин і тим самим значно збільшити потужність машини без збільшення її габаритів і ваги.

1.3. Класифікація матеріалів, застосовуваних в енергетиці й електротехніці.

Усі електротехнічні матеріали діляться на групи по їх електропровідності з обліком функціонального призначення.

1. Провідникові матеріали. Чисті метали і їх сплави. Вони мають низький питомий опір ( високу провідність ). З них виготовляють струмоведучі частини електричних машин і апаратів: обмотки, котушки, контакти, струмоведучі жили проводів і кабелів.

2. Напівпровідникові матеріали. Ця група матеріалів має керовану провідність. Тобто, прикладаючи до виробів із цих матеріалів невелику керуючу напругу можна переводити їх зі струмопровідного стану в ізолююче. До напівпровідників належать такі матеріали як кремній, германій, селенів, арсенід галію. З них виготовляють силові електронні ключі: тиристори, транзистори.

3.Магнітні матеріали. Застосовуються для створення середовища з малим магнітним опором (магнітопроводи, сердечники) тобто для концентрації енергії магнітного поля в електричних машинах, апаратах і приладах Стосовно електричного струму більшість магнітних матеріалів є провідниками. Основу магнітних матеріалів становить залізо і його сплави. Із цих матеріалів виготовляють сердечники трансформаторів, магнітні системи електричних машин.

Після появи потужних постійних магнітів на основі неодиму з'явився великий клас синхронних машин з безконтактним порушенням від постійних магнітів. Усі електричні мікромашини виготовляються з постійними магнітами, що значно підвищує їх надійність.

4. Діелектрики. Це матеріали – антиподи провідників, вони мають високий питомий опір (низьку провідність ). Діелектричні матеріали мають надзвичайно важливе значення для електротехніки. Діелектрики використовуються в різних електротехнічних пристроях для створення електричної ізоляції, яка оточує струмоведучі частини електротехнічних пристроїв, відокремлює одну від одної частини, що перебувають під дією різних електричних потенціалів.

Ще одна область застосування діелектриків – це діелектрики в конденсаторах, що служать для нагромадження енергії електричного поля й створення певного значення електричної ємності конденсаторів.

Інша назва діелектриків – електроізоляційні матеріали. Призначення електричної ізоляції – не допустити проходження електричного струму по яких-небудь шляхах, не передбачених конструкцією або схемою пристрою. Очевидно, що ніякий пристрій не може бути виконаний без застосування електроізоляційних матеріалів.

У різних випадках до електроізоляційних матеріалів пред'являють найрізноманітніші вимоги. Крім електроізоляційних властивостей велике значення мають механічні, теплові й інші фізико-хімічні властивості. Важливе значення має також вартість і дефіцитність матеріалів.

По агрегатному стану електроізоляційні матеріали діляться на тверді, рідкі й газоподібні.

Велике практичне значення має розподіл електроізоляційних матеріалів відповідно до їхньої хімічної природи на органічні й неорганічні. Органічні матеріали мають коштовні механічні властивості – гнучкістю, еластичністю, їм легко надавати необхідну форму, однак за рідкісними винятками вони мають відносно низьку нагрівостійкість.

Розділ 2. Електрофізичні характеристики матеріалів.

2.1. Електропровідність матеріалів.

Особливістю використання матеріалів в електроенергетиці є те, що вони експлуатуються в умовах впливу електричних полів, і в трохи меншому ступені, в умовах впливу магнітних полів. Основними процесами, що відбуваються під дією цих полів є поляризація речовини, електропровідність, намагнічування речовини.

Електропровідність – це здатність матеріалу проводити електричний струм.

Хто пам'ятає визначення електричного струму з курсу фізики? Електричним струмом називається спрямований рух електрично заряджених часток. Електричний струм може бути викликаний зарядженими частками різних типів. Основні види заряджених часток – це електрони й іони.

2.1.1. Основне рівняння електропровідності.

Можна написати найбільш загальну формулу, для щільності струму j, вірну для будь-яких середовищ,

j = S ni·qi·Vi

Тут i - тип або cорт заряду, (наприклад електрони, іони різних молекул, заряджені частки й т. п.), ni - концентрація зарядів i-го різновиду, qi - значення заряду, Vi - швидкість носіїв заряду.

Щоб розібратися з електропровідністю різних матеріалів, необхідно зрозуміти, які в них щільності (концентрації) заряду, як вони з'являються й від чого вони залежать, які величини зарядів, з якими швидкостями можуть рухатися. Усе це головні питання у вивченні електропровідності.

Для всіх середовищ, за винятком вакууму, швидкість носіїв пропорційна напруженості поля

Vi = bi·E

де bi - рухливість носіїв заряду.

Рухливістю носіїв заряду називається коефіцієнт пропорційності між швидкістю носіїв заряду Vi і напруженістю поля E. Розмірність рухливості - м2/(В с). Фактично рухливість чисельно дорівнює швидкості носіїв заряду при напруженості поля 1 В/м.

Підставляючи рівняння (2) в (1) одержимо аналог закону Ома в диференціальній формі, що зв'язує щільність струму з напруженістю електричного поля. Ми одержимо вираз, за допомогою якого можна прогнозувати величину електричного опору того або іншого матеріалу.

Типи носіїв заряду і їх рухливість можуть бути різними в різних середовищах. Рухливість носіїв також сильно залежить від середовища.

Основними видами заряджених часток є електрони й іони – те, що залишається від атома або молекули, коли вони втрачають електрони.

2.1.2. Електропровідність металів

В атомах металів електрони досить слабко пов'язані з іонними залишками. Тому при утворі з атомів властиво матеріалу металу ці електрони від різних атомів як - би усуспільнюються й можуть вільно пересуватися по всім обсягу металу. Вони і є носіями заряду. Зразкова кількість електронів у металі становить близько 1022 шт/см3. Їхня рухливість також велика. Оцінки дають значення bi приблизно 10-2-10-1 м2/(В с).

2.1.3. Електропровідність газів

Гази мають винятково малу провідність. Це пов'язане з дуже низькою концентрацією носіїв заряду. Поява носіїв у газі відбувається за рахунок іонізації нейтральних молекул під дією зовнішніх факторів або при зіткненні заряджених часток з молекулами. Основним фактором, що визначають провідність газів, є космічне випромінювання. Звичайно в повітрі утворюється порядку 1000 шт. електронів і іонів в 1 див3 за 1 сек. Іонізація сильно збільшується при нагріванні газу. Електропровідність газу, обумовлена цим явищем, називається несамостійної.

Під дією сильних електричних полів заряджені частки можуть здобувати більші швидкості й утворювати нові іони при зіткненнях з нейтральними молекулами. Електропровідність газу, обумовлена цим явищем, називається самостійної. У слабких електричних полях ударна іонізація відсутня.

Одночасно з утворенням носіїв зарядів протікає протилежний процес – об'єднання заряджених часток у нейтральні молекули. Цей процес називається рекомбінацією. Наявність рекомбінації пояснює встановлення певного рівня іонів через короткий час після початку дії зовнішнього іонізатора.

Характер залежності струму від напруги для газу представлений на рис.1.1. При невеликих значеннях напруги виконується закон Ома. У цій області запас позитивних і негативних часток достатній і практично постійний. При збільшенні напруги позитивні іони не встигають рекомбінувати й розряджаються на електродах. Це відповідає горизонтальній ділянці кривої. При подальшім збільшенні напруги внаслідок ударної іонізації з'являється самостійна провідність, і струм знову починає рости зі збільшенням напруги.

2.1.4. Електропровідність твердих діелектриків.

Тут основними носіями заряду є електрони. Іони "вморожені" і практично не мають можливості руху, b ~10-23 м2/(В·с). Утворення вільних носіїв заряду відбувається внаслідок впливу іонізаційних випромінювань і нагрівання. Рекомбінація носіїв заряду у твердих тілах не утруднена. Електропровідність твердих діелектриків визначається наявністю домішок.

2.1.5. Електропровідність рідин.

Сучасні вистави про провідність діелектричних рідин полягають у наступному. Тут носіями заряду є іони, тому що електрони легко прилипають до нейтральних молекул рідини й не можуть існувати у вільному стані. Крім того, у рідині заряди можуть переноситися моліонами (групами молекул), частками й навіть пухирцями. Іонізація полегшена в порівнянні з газами. Рекомбінація носіїв заряду в рідині утруднена, оскільки заряди активно взаємодіють із більш щільним і рухливим середовищем.

Таким чином, у рідинах звичайно провідність більше, чим у газах і твердих тілах за рахунок полегшеної іонізації й утрудненої рекомбінації

З іншого боку, відсутність форми рідини, легкість очищення дають можливість зменшення електропровідності, що неможливо зробити із твердими діелектриками. У цей час існують кілька нових технологій очищення рідин, наприклад електродіаліз, завдяки яким деякі рідини очищали до провідності, не гірше кращих зразків твердих діелектриків.

2.2. Діелектрична проникність.

Однієї з найважливіших характеристик діелектриків, що має найважливіше значення для техніки є його відносна діелектрична проникність ε.

Ця величина являє собою відношення заряду Q, отриманого на конденсаторі, що містить даний діелектрик, до заряду Q0, який можна було б одержати в конденсаторі, якби між електродами перебував вакуум:

ε = Q/Q0

Із цього визначення випливає, що діелектрична проникність не залежить від вибору системи одиниць і її числове значення завжди більше одиниці.

Значення діелектричної проникності речовини вказує на його здатність накопичувати електричні заряди в порівнянні з вакуумом. Чим вище діелектрична проникність, тем більшу ємність, більшу електричну енергію буде мати конденсатор при тих же розмірах. Здатність діелектриків накопичувати електричний заряд практично обумовлена таким фізичним процесом як поляризація.