ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

                                                          

 

Нижнекамск 

2016

УДК 53

А 13

 

Печатается по решению редакционно-издательского совета НХТИ ФГБОУ ВО «КНИТУ»

 

Рецензенты:

Ганиев Р.Н., кандидат технических наук, доцент;

Галлямов Р.Ф., кандидат технических наук.

 

Абдуллин, А.М.

А 13 Электротехническое материаловедение: учебное пособие / А.М.Абдуллин. – Нижнекамск: НХТИ ФГБОУ ВО «КНИТУ», 2016. – 119 с.

 

Изложены основы строения материалов и физики явлений, происходящих в проводниковых, полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалах, а так же их электрические и магнитные свойства.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Электроэнергетика и электротехника».  

 

УДК 53

 

© Абдуллин А.М., 2016

© НХТИ ФГБОУ ВО «КНИТУ», 2016

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Электротехнический материал – любой материал в производстве электротехнических изделий, имеющий специальные свойства по отношению к электромагнитному полю. Наука об электроматериалах изучает свойства, состав и структуру этих веществ для прогнозирования их электрических и магнитных  характеристик и синтезирования материалов с заранее заданными свойствами.

СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА. Согласно атомно-молекулярной теории все известные вещества состоят из молекул (атомов). Атомные ядра комплектуются из протонов, имеющих положительный заряд, и нейтронов, электроны определенным образом располагаются вокруг ядра атома. В квантовой механике движение электрона описывается волновой функцией, так что заряд электрона внутри атома диффузно распределен, и может образовать  так называемое электронное облако довольно причудливых форм.

В веществах объединение нескольких атомов в молекулу достигается за счет электронов, становящихся общими для этих атомов. При этом плотность электронного облака между положительно заряженными ядрами становится наибольшей, что связывает их в молекулу – это ковалентная связь. В соответствии с симметричным и асимметричным строением молекулы с ковалентной связью могут быть нейтральные (рис. 0.1) и полярные (дипольные) (рис. 0.2). Если центры положительных и отрицательных зарядов совпадают, то молекулы нейтральные. Если центры зарядов не совпадают и  находятся на некотором      

расстоянии  друг от друга, то такие молекулы называются полярными или дипольными. Эти молекулы характеризуются величиной дипольного момента, равного произведению заряда на расстояние между центрами положительных и отрицательных зарядов. Ковалентная связь наблюдается в кристаллических веществах,    например в кремнии, а      так же в молекулах неорганического и органического происхождения.

Ионная связь определяется силами притяжения между положительными и отрицательными ионами. Твердые тела ионной структуры характеризуются повышенной механической прочностью и относительно высокой температурой плавления. Таковыми являются коллоидные соли щелочных металлов. В структуре хлорного натрия плотная упаковка ионов (рис. 0.3), а у хлорного цезия – неплотная упаковка (рис. 0.4).

Металлическая связь наблюдается в металлах и приводит также к образованию твердых кристаллических тел. Металлы рассматриваются как системы, построенные из положительных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки и удерживающие среду свободных электронов (рис. 0.5). Наличие свободных электронов приводит к высокой электропроводности и теплопроводности металла, а также является причиной блеска металла на срезе. Ковкость металла объясняется перемещением и скольжением отдельных слоев ионов. Некоторые одновалентные металлы кристаллизуются в гексагональной и кубической решетках.

Наиболее слабой связью является дисперсионная связь или связь Ван-дер-Ваальса. Это – вещества, имеющие низкую температуру плавления, с непрочной кристаллической молекулярной решеткой.

По зонной теории строения вещества все тела, в зависимости от их электрических свойств, могут быть отнесены к группе диэлектриков, полупроводников и проводников. В твердых кристаллических телах энергетические уровни электронов в атомах группируются в так называемые зоны: зону проводимости, запрещенную зону и валентную зону (рис. 3.1). Для полупроводников характерна узкая запрещенная зона, а у проводников запрещенная зона отсутствует, поэтому электроны в металлах свободны и могут переходить с уровня валентной зоны на незанятые уровни зоны проводимости под влиянием слабых напряженностей приложенного к проводнику электрического поля.

Диэлектрики по агрегатному состоянию делятся на газообразные, жидкие и твердые, которые могут быть природными и синтетическими, а также органическими и неорганическими. По размерам молекул: низкомолекулярные и высокомолекулярные, по форме молекул и поведению при изменении температуры:   термопластические и термореактивные, по электрическим свойствам классифицируются на полярные и неполярные. Из-за широкой запрещенной зоны отсутствует электронная электропроводность.

Проводники могут быть классическими, криопроводниками и сверхпроводниками, в которых система кристаллической решетки состоит из узлов с положительными ионами, находящихся в среде свободных электронов. Последние определяют высокую электропроводность и теплопроводность проводников.

Полупроводники классифицируются по химическому строению: одноэлементные (простые) и химические соединения (сложные), причем последние по количеству составляющих могут быть: двухэлементные (бинарные), трехэлементные и многоэлементные. Полупроводники делятся на органические и неорганические, по характеру электропроводности – электронные и «дырочные»; по структуре – кристаллические и аморфные.

Магнитные материалы по своим физическим свойствам делятся на ферромагниты и ферримагниты (ферриты), по применению – магнитотвердые и магнитомягкие. К слабомагнитным материалам относятся диамагнетики с относительной магнитной проницаемостью m< 1 и парамагнетики с m> 1. Ферромагниты и ферримагниты составляют группу сильномагнитных материалов с высокой магнитной проницаемостью m, которая зависит от напряженности магнитного поля и температуры.

 

 

ДИЭЛЕКТРИКИ

Поляризация диэлектриков

Диэлектрик – вещество, основным свойством которого является способность поляризоваться в электрическом поле. Диэлектрические материалы – это материалы, предназначенные для использования их диэлектрических свойств. Процесс поляризации заключается в изменении расположения в пространстве заряженных частиц диэлектрика под действием приложенного электрического напряжения. После снятия электрического поля частицы возвращаются в исходное положение. При приложении электрического поля диэлектрик приобретает наведенный электрический момент, и в конденсаторе, образованном диэлектриком и электродами, образуется электрический заряд

                               ,                                         (1.1.1)

где С – электрическая емкость конденсатора; U – приложенное напряжение.

Энергия электрического поля, запасенная на участке изоляции, определяется по формуле:

                                     (1.1.2)

При приложении к диэлектрику переменного синусоидального напряжения через участок изоляции емкостью С проходит емкостной ток:

 ,                                   (1.1.3)

где ω – угловая частота, f – линейная частота.

 При параллельном включении конденсаторов их результирующая емкость равна сумме емкостей каждого отдельного конденсатора, а при последовательном их соединении результирующая емкость определяется по формуле:

 

                             .                                     (1.1.4)

При последовательном соединении результирующая емкость меньше, чем емкость каждого отдельного конденсатора, а при  параллельном включении будет больше, чем емкость каждого отдельного конденсатора или равна их сумме.

Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных моментов молекул в электрическом поле. Под влиянием электрического поля заряды диэлектрика смещаются по направлению действующих сил в зависимости от величины напряженности электрического поля. При выключении электрического поля заряды возвращаются в прежнее положение.

Различают два вида поляризации.

 1) Поляризация мгновенная, вполне упругая, без рассеяния энергии, т.е. без выделения тепла, за время 10^-15 – 10^-13 с.

2 ) Релаксационная поляризация, которая нарастает или убывает замедленно за время от 10^-8 до 10² с и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. выделением тепла.

 К первому виду относятся электронная и ионная поляризации.
   Электронная поляризация – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и ионов за время 10^-15 с. Наблюдается такая поляризация во всех видах диэлектриков и не связана с потерей энергии, а диэлектрическая проницаемость вещества численно равна квадрату показателя преломления света n².

Ионная поляризация характерна для твердых тел с ионным строением и обусловлена смещением упруго связанных ионов в узлах кристаллической решетки за время 10^-13 с. С повышением температуры в результате ослабления упругих сил между ионами смещение усиливается. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ионных диэлектриков оказывается положительным.
    Ко второму относят все остальные виды поляризации.

Дипольно-релаксационная поляризация связана с тепловым движением полярных молекул диэлектрика. Поворот дипольных моментов молекул в направлении электрического поля требует преодоления некоторого сопротивления, следовательно, сопровождается выделения энергии в виде тепла. Время релаксации составляет величину порядка 10^-8 – 10^-6 с. Время релаксации – это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных электрическим полем диполей после снятия электрического поля уменьшается вследствие теплового движения в 2, 7 раза от первоначального значения.

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых веществах с неплотной упаковкой ионов. Слабосвязанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля вследствие хаотических тепловых движений получают избыточные смещения в направлении силовых линии поля. После снятия электрического поля ориентация ионов ослабевает по экспоненциальному закону в течение 10^-6 – 10^-4 с.

Время релаксации определяется по формуле:

                            ,                               (1.1.5) 

где  – энергия активации; k – постоянная Больцмана, f – частота собственных колебаний ионов, T– абсолютная температура.

Электронно-релаксационная поляризация возникает за счет возбужденных тепловым движением избыточных, дефектных электронов или «дырок» за время 10^-8 – 10^-6 с. Она характерна для диэлектриков с высокими показателями преломления, большим внутренним электрическим полем и электронной электропроводностью. Например, двуокись титана, ряд химических соединений на основе окислов металлов переменной валентности – титана, ниобия, висмута. Диэлектрическая проницаемость e для титаносодержащей керамики уменьшается с возрастанием частоты. При этой поляризации имеет место высокая диэлектрическая проницаемость и при отрицательных температурах  наличие максимума в температурной зависимости e.

Структурная поляризация:

1) Миграционная поляризация протекает в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях, слоях, границ раздела или наличии примесей за время порядка 10² с. Эта поляризация проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеянием энергии. Причинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических, сложных диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т.д. На границах раздела между слоями в диэлектрике идет накопление зарядов медленно движущихся   ионов – это эффект межслоевой или структурной высоковольтной поляризации.

2) Спонтанная или самопроизвольная поляризация наблюдается только у группы твердых диэлектриков, имеющих доменную структуру. Домены представляют собой макроскопические самопроизвольно поляризованные области, которые возникают под влиянием внутренних процессов в диэлектрике. Такие вещества имеют структуру, подобную сегнетову солю , поэтому их называют сегнетоэлектриками. В сегнетоэлектриках происходит значительное рассеяние энергии, т.е. выделение тепла, за счет смещения доменов под влиянием внешнего электрического поля. Следует заметить, что в сегнетоэлектриках при определенной напряженности внешнего электрического поля наступает насыщение поляризации.

  

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: