Электротехнические материалы

1. Классификация электротехнических материалов.

Все тела, в зависимости от их электрических свойств, могут быть отнесены к группе диэлектриков, проводников или полупроводни-ков. Различие между проводниками, полупроводниками и диэлект-риками наиболее наглядно можно показать с помощью энергетиче-ских диаграмм зонной теории твердых тел [3].

Энер-гетические уровни.

Схема расположения.

Исследование спектров излучения различных веществ в газо-образном состоянии, когда атомы отстоят друг от друга на больших расстояниях, показывает, что для атомов каждого вещества харак-терны вполне определенные спектральные линии. Это говорит о на-личии определенных энерге-тических состояний (уровней) для разных атомов. Часть этих уровней заполнена электронами в нормальном, невоз-бужденном состоянии атома, на других электроны могут находиться только тогда, когда атом подверг-нется внешнему энергетическому воздействию; при этом он возбуж-ден. Стремясь прийти к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии в момент перехода электронов с возбужденных уровней на уровни, при которых его энергия минимальна. Сказанное можно характери-зовать энергетической диаграммой атома, приведенной на рис. 3.1.

При конденсации газообразного вещества в жидкость, а затем образовании кристаллической решетки твердого тела все имеющиеся у данного типа атомов электронные уровни (как заполненные элект-ронами, так и незаполненные) несколько смещаются вследствие действия соседних атомов друг на друга. Таким образом, из отдель-ных энергетических уровней уединенных атомов в твердом теле образуется целая полоса -- зона энергетических уровней.

Рис. 3.2. показывает различие в энергетических диаграммах (при температуре 0° К) металлических проводников, полупроводников и диэлектриков. Диэлектриком будет такое тело, у которого запрещенная зона настолько велика, что электронной электропроводности в обыч-ных условиях не наблюдается. Полупроводниками будут вещества с более узкой запрещенной зоной, которая может быть преодолена за счет внеш-них энергетических воздействий. У металлических проводников заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывается ею. Вследствие этого электроны в металле свободны, так как они могут переходить с уровней заполненной зоны на не занятые уровни свободной зоны под влиянием слабых напряженностей приложенного к проводнику электрического поля.

При отсутствии в полупроводнике свободных электронов (Т = 0° К) приложенная к нему разность электрических потенциалов не вызовет тока. Если извне будет подведена энергия, достаточная для переброса электронов через запрещенную зону, то, став свобод-ными, электроны смогут перемещаться и под действием электриче-ского поля, создавая электронную электропроводность полупровод-ника.

Энергетическое отличие металлических проводников от полупроводников и диэлектриков

Рис. 3.2.

В заполненной зоне, откуда ушел электрон, образовалась «элект-ронная дырка», а потому в полупроводнике начнется другое «эста-фетное» движение электронов, заполняющих образовавшуюся дыр-ку, причем под воздействием электрического поля дырка будет дви-гаться в направлении поля как эквивалентный положительный за-ряд.

Процесс перехода электронов в свободное состояние сопрово-ждается и обратным явлением, т. е. возвратом электронов в нор-мальное состояние. В результате в веществе наступает равновесие, т. е. количество электронов, переходящих в свободную зону, ста-новится равным количеству электронов, возвращающихся обратно в нормальное состояние.

С повышением температуры число свободных электронов в по-лупроводнике возрастает, а с понижением температуры до абсолют-ного нуля -- убывает вплоть до нуля.

Таким образом, вещество, представляющее собой диэлектрик при одних температурах, при других, более высоких, может при-обрести проводимость; при этом происходит качественное изменение вещества.

Энергию, необходимую для перевода электрона в свободное состояние или для образования дырки, могут доставить не только тепловое движение, но и другие источники энергии, например, пог-лощенная материалом энергия света, энергия потока электронов и ядерных частиц, энергия электрических и магнитных полей, меха-ническая энергия и т. д.

Увеличение числа свободных электронов или дырок в веществе под воздействием какого-либо вида энергии способствует повышению электропроводности, увеличению тока, появлению электродвижу-щих сил.

Электрические свойства определяются условиями взаимодей-ствия атомов вещества и не являются непременной особенностью данного атома. Например, углерод в виде алмаза является диэлект-риком, а в виде графита он обладает большой проводимостью.

Примеси и связанные с ними дефекты кристаллической решетки также играют большую роль в электрических свойствах твердых тел.

2. Проводники.

В качестве проводников электрического тока могут быть ис-пользованы твердые тела, жидкости, а при соответствующих усло-виях и газы.

Твердыми проводниками являются металлы. Металлические проводниковые материалы могут быть разделены на материалы высокой проводимости и материалы высокого сопротивления. Металлы с высокой про-водимостью используются для проводов, кабелей, обмоток транс-форматоров, электрических машин и т. д. Металлы и сплавы высо-кого сопротивления применяются в электронагревательных прибо-рах, лампах накаливания, реостатах, образцовых сопротивлениях и т. п. [3].

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Как правило, температура плавления металлов высока, за исключением ртути, у которой она составляет около --39° С. Поэтому при нормальной температуре в качестве жидкого металлического проводника может быть использована толь-ко ртуть. Другие металлы являются жидкими проводниками при более высоких температурах (например, при плавке металлов то-ками высокой частоты).

Механизм протекания тока по металлам в твердом и жидком состояниях обусловлен движением свободных электронов, вследствие чего их называют проводниками с электронной проводимостью, или проводниками первого рода. Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы (в основном водные) кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти проводники связано с переносом вместе с электрическими зарядами частей молекулы (ионов), вследствие чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза.

Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются проводниками второго рода. Примером могут служить соляные закалочные ванны с электронагревом. Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превзошла некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с наличием электронной и ионной проводимостей. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электро-нов и положительных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.

Металлические проводники являются основным типом провод-никовых материалов, применяемых в электротехнике.

Классическая электронная теория металлов представляет твер-дый проводник в виде системы, состоящей из узлов кристалличе-ской ионной решетки, внутри которой находится электронный газ из коллективизированных (свободных) электронов. В коллективизи-рованное состояние от каждого атома металла отделяется от одного до двух электронов. При столкновениях электронов с узлами кристаллической ре-шетки энергия, накопленная при ускорении электронов в электри-ческом поле, передается металлической основе проводника, вслед-ствие чего он нагревается. В качестве опытного факта было установлено, что теплопровод-ность металлов пропорциональна их электропроводности.

При обмене электронами между нагретыми и холодными частями металла в отсутствие электриче-ского поля имеет место переход кинетической энергии от нагретых частей проводника к более холодным, т. е. явление, называемое теплопроводностью. Так как механизмы электропровод-ности и теплопроводности обусловливаются плотностью и движе-нием электронного газа, то материалы с высокой проводимостью будут также хорошими проводниками тепла.

Ряд опытов подтвердил гипотезу об электронном газе в метал-лах. К ним относятся следующие:

1. При длительном пропускании электрического тока через цепь, состоящую из одних металлических проводников, не наблю-дается проникновения атомов одного металла в другой.

2. При нагреве металлов до высоких температур скорость теплового движения свободных электронов увеличивается, и наи-более быстрые из них могут вылетать из металла, преодолевая силы поверхностного потенциального барьера.

3. В момент неожиданной остановки быстро двигавшегося про-водника происходит смещение электронного газа по закону инерции в направлении движения. Смещение электронов приводит к появле-нию разности потенциалов на концах заторможенного проводника, и подключенный к ним измерительный прибор дает отброс по шкале.

4. Исследуя поведение металлических проводников в магнитном поле, установили, что вследствие искривления траектории электронов в металлической пла-стинке, помещенной в поперечное магнитное поле, появляется поперечная э. д. с. и изменяет-ся электрическое сопротивление проводника.

К основным характеристикам проводниковых материалов отно-сятся:

1) удельная проводимость или обратная величина -- удельное электрическое сопротивление;

2) температурный коэффициент удельного сопротивления;

3) удельная теплопроводность;

4) контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила

(термо - э. д. с);

5) предел прочности при растяжении и относительное удлине-ние при разрыве.

К наиболее широко распространенным материалам высокой проводимости следует отнести медь и алюминий.

Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:

1) малое удельное сопротивление (из всех металлов только се-ребро имеет несколько мень-шее удельное сопротивление, чем медь);

2) достаточно высокая ме-ханическая прочность;

3) удовлетворительная в большинстве случаев приме-нения стойкость по отноше-нию к коррозии (медь окис-ляется на воздухе, даже в ус-ловиях высокой влажности, значительно медленнее, чем, например, железо); интенсивное окисление меди происхо-дит только при повышенных температурах;

4) хорошая обрабатывае-мость -- медь прокатывается в листы, ленты и протягивает-ся в проволоку, толщина ко-торой может быть доведена до тысячных долей миллиметра;

5) относительная легкость пайки и сварки.

Вторым по значению, после меди, проводниковым материалом является алюминий. Это металл серебристо-белого цвета, важнейший представитель так называемых легких металлов, алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди. Температурный коэффициент линейного расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем у меди.

Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления, для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата тепла, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.

Алюминий обладает по сравнению с медью пониженными свой-ствами - как механическими, так и электрическими. При одинако-вых сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода больше, чем медного, в 0,028 : 0,0172 = 1,63 раза. Следовательно, чтобы получить алюминиевый провод такого же электрического сопротивления, как и медный, нужно взять его сечение в 1,63 раза большего диаметра медного провода. Алюминиевый провод, хотя и толще медного, легче его приблизительно в два раза.

Отсюда вытекает простое экономическое правило: для изготовления проводов одной и той же проводимости при данной длине (т. е. при прочих равных условиях, при одних и тех же потерях переда-ваемой электрической энергии) алюминий выгоднее меди в том случае, если тонна алюминия дороже тонны меди не более, чем в два раза.

В настоящее время в нашей стране, исходя из экономических соображе-ний, алюминий не только, как правило, заменил медь для воздуш-ных линий передач, но начинает внедряться и в производство изоли-рованных кабельных изделий.

3.Диэлектрические материалы.

Основным, характерным для любого диэлектрика процессом, возникающим при воздействии на него электрического напряжения, является поляризация -- ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.

О явлениях, обусловленных поляризацией диэлектрика, можно судить по значению диэлектрической проницае-мости, а также по величине угла диэлектрических потерь, если поляризация диэлектрика сопровождается рассея-нием энергии, вызывающим нагрев диэлектрика [3].

Благодаря наличию в техническом диэлектрике свободных за-рядов, под воздействием электрического напряжения в нем всегда возникает ток сквозной проводимости, малый по величине, проходящий через толщу диэлектрика и по его поверх-ности. В связи с этим явлением диэлектрик характеризуется удель-ной объемной проводимостью и удельной поверхностной проводи-мостью, являющимися обратными величинами соответствующих значений удельного объемного и поверхностного сопротивлений. Особенности поляризации дают возможность подразделить все диэлектрики на несколько групп. Любой диэлектрик может быть использован только при напряже-ниях, не превышающих предельных значений, характерных для него в определенных условиях. При напряжениях выше этих предельных значений наступает явление пробоя диэлектрика -- полная потеря им изоля-ционных свойств.

Электрическая прочность материала, т. е. спо-собность его выдерживать без разрушения приложенное напряже-ние, характеризуется величиной пробивной напряжен-ности электрического поля. Электроизоляционные материалы имеют чрезвычайно важное значение для электротехники. Эти материалы используются для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и разделяет друг от друга части, находящиеся под различными электрическими потен-циалами. Назначение электрической изоляции -- не допускать прохождения электрического тока по каким-либо нежелательным путям, помимо тех путей, которые предусмотрены электрической схемой устройства. Очевидно, что никакое, даже самое простое, электрическое устройство не может быть выполнено без использо-вания электроизоляционных материалов. Кроме того, электроизо-ляционные материалы используются в качестве рабочих диэлектри-ков в конденсаторах. Наконец, к электроизоляционным материа-лам принадлежат и активные диэлектрики, т. е. ди-электрики с регулируемыми электрическими свойствами (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты и др.). В различных случаях применения к электроизоляционным мате-риалам предъявляются самые разнообразные требования. Помимо электроизоляционных свойств большую роль играют механиче-ские, тепловые и другие физико-химические свойства, а также способность материалов подвергаться тем или иным видам обработки при изготовлении из них необходимых изделий. Поэтому для различных случаев применения приходится выбирать и разные материалы.

Электроизоляционные материалы образуют наиболее многочис-ленный раздел электротехнических материалов вообще; количество отдельных видов конкретных электроизоляционных материалов, применяемых в современной электропромышленности, исчисляется многими тысячами.

Электроизоляционные материалы прежде всего могут быть под-разделены по их агрегатному состоянию на газообразные, жидкие и твердые. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходном состоянии, во- время введения их в изготовляемую изоляцию, являются жидко-стями, но затем отвердевают и в готовой, находящейся в эксплуа-тации изоляции представляют собой твердые тела (например, лаки и компаунды).

Большое практическое значение имеет также разделение электро-изоляционных материалов в соответствии с их химической природой на органические и неорганические. Под орга-ническими веществами подразумеваются соеди-нения углерода (С); обычно они содержат также водород (Н), кис-лород (О), азот (N) или иные элементы. Прочие вещества считаются неорганическими; многие из них содержат кремний (Si), алюминий (А1) и другие металлы, кислород и т. п.

Многие органические электроизоляционные материалы обладают ценными механическими свойствами, гибкостью, эластичностью; из них могут быть изготовлены волокна, пленки и изделия других разнообразных форм, поэтому они нашли весьма широкое приме-нение. Однако органические электроизоляционные материалы имеют относительно низкую нагревостойкость.

Неорганические электроизоляционные материалы в большинстве случаев не обладают гибкостью и эластичностью, часто они хрупки; технология их обработки сравнительно сложна. Однако, как общее правило, неорганические электроизоляционные материалы обла-дают значительно более высокой нагревостойкостью, чем органиче-ские, а потому они с успехом применяются в тех случаях, когда требуется обеспечить высокую рабочую температуру изоляции. В последние годы появились материалы со свойствами, про-межуточными между свойствами органических и неорганических материалов, -- это элементоорганические материалы, в молекулы которых, помимо атомов углерода, входят атомы других элементов, обычно не входящих в состав органических веществ и более характерных для неорганических материалов: Si, Al, P и др.

Поскольку величина допускаемой рабочей температуры изоля-ции имеет весьма существенное практическое значение, электроизо-ляционные материалы и их комбинации («электроизоляционные си-стемы» электрических машин, аппаратов и др.) часто относят к тем или иным классам нагревостойкости.

Электроизоляционные, а также механические, тепловые, влажностные и другие характеристики электроизоляционных материалов заметно изменяются в зависимости от технологии получения и обработки материалов, наличия приме-сей, условий испытания и т. д..

Электроизоляционные материалы в большей или меньшей сте-пени гигроскопичны, т. е. обладают способностью впи-тывать в себя влагу из окружающей среды, и влагопроницаемы, т.е. способны пропускать сквозь себя пары воды.

Вода является сильно дипольным диэлектриком с низким удель-ным сопротивлением, а поэтому попадание ее в поры твердых диэлектриков ведет к резкому снижению их электрических свойств. Особенно заметно воздействие влажности при повышенных температурах (30--40° С) и высоких значениях цв. близких к 98--100%. Подобные условия наблюдаются в странах с влажным тропическим климатом, причем в период дождей они могут сохраняться в течение длительного периода времени, что тяжело сказывается при эксплуатации электрических машин и аппаратов. В первую очередь воздействие повышенной влаж-ности воздуха отражается на поверхностном сопротивлении ди-электриков. Для предохранения поверхности электро-изоляционных деталей из полярных твердых диэлектриков от действия влажности их покрывают лаками, не смачивающимися водой.

Определение влажности электроизоляционных материалов весьма важно для уточнения условий, при которых производится испытание электрических свойств данного материала.

4. Полупроводниковые материалы

Большая группа веществ с электронной электропроводностью, удельное сопротивление которых при нормальной температуре ле-жит между удельными сопротивлениями проводников и диэлектриков может быть отнесена к полупро-водникам.

Электропроводность полупроводников в сильной степени зависит от внешних энергетических воздействий, а также от различных примесей, иногда в ничтожных количествах присутствующих в теле собственного полупроводника. Управляемость электропроводностью полупроводников темпе-ратурой, светом, электрическим полем, механическими усилиями положена соответственно в основу принципа действия терморези-сторов (термисторов), фоторезисторов, нелинейных резисторов (варисторов), тензорезисторов и т.д [3].

Наличие у полупроводников двух типов электропроводности -- «электронной» (n) * и «электронно-дырочной» (р) позволяет полу-чить полупроводниковые изделия с р--n-переходом.

При существовании в полупроводнике р--n-перехода возни-кает запирающий слой, которым обусловливается вы-прямительный эффект для переменного тока. Наличие двух и более взаимно связанных переходов позволяет получать управляемые системы -- транзисторы.

На использовании возможностей р -- n-переходов основаны важнейшие применения полупроводников в электротехнике. Сюда относятся различные типы как мощных, так и маломощных выпря-мителей, усилителей и генераторов. Полупроводниковые системы могут быть с успехом использованы для преобразования различных видов энергии в энергию электри-ческого тока с такими значениями коэффициента преобразования, которые делают их сравнимыми с существующими преобразовате-лями других типов, а иногда и превосходящими их. Примерами полупроводниковых преобразователей могут быть «солнечные ба-тареи» с к. п. д. порядка 11% и термоэлектрические генера-торы.

При помощи полупроводников можно получить и охлаждение на

несколько десятков градусов. В последние годы особое значение приобрело рекомбинационное свечение при низком напряжении постоянного тока электронно-дырочных переходов для создания сигнальных источников света. Кроме вышеуказанных основных применений полупроводников они могут служить нагревательными элементами (силитовые стерж-ни), с их помощью можно возбуждать катодное пятно в игни-тронных выпрямителях (игнитронные поджигатели), измерять напряженность магнитного поля (датчики Холла), они могут быть индикаторами радиоактивных излучений и т. д. Использующиеся в практике полупроводниковые материалы могут быть подразделены на простые полупроводники (элементы), полупроводниковые химические соединения и полупроводниковые комплексы (например, керамические полупроводники). В настоящее время изучаются также стеклообразные и жидкие полупроводники.

Простых полупроводников существует около десяти. Для современной техники особое значение полу-чили германий, кремний и селен.

Полупроводниковыми химическими со-единениями являются соединения элементов различных групп таблицы Менделеева.

К многофазным полупроводниковым ма-териалам можно отнести материалы с полупроводящей или проводящей фазой из карбида кремния, графита и т. п., сцеплен-ных керамической или другой связкой. Наиболее распространен-ными из них являются тирит, силит и др.

Изготовленные из полупроводниковых материалов приборы об-ладают целым рядом преимуществ; к ним относятся:

1)большой срок службы;

2)малые габариты и вес;

3)простота и надежность конструкции, большая механическая прочность (не боятся тряски и ударов);

4)полупроводниковые приборы, заменяющие электронные лам-пы, не имеют цепей накала, потребляют незначительную мощность и обладают малой инерционностью;

5)при освоении в массовом производстве они экономически целесообразны.

Отечественная наука и техника полупроводников развивалась соб-ственным путем, обогащая мировую науку своими достижениями и успехами и в то же время, используя все прогрессивное, что давала зарубежная наука и техника, путем творческого освоения практи-ческих результатов иностранных работ.

5. Магнитные материалы.

Магнетизм -- это особое проявление движения электрических зарядов внутри атомов и молекул, которое проявляется в том, что неко-торые тела способны притягивать к себе и удерживать частицы желе-за, никеля и других металлов. Эти тела называются магнитными [4].

Вокруг всякого намагниченного тела возникает магнитное поле, являющееся материальной средой, в которой обнаруживается действие магнитных сил.

При внесении в магнитное поле какого-либо тела оно пронизывает-ся магнитными линиями, которые определенным образом воздейст-вуют на поле. При этом различные материалы по-разному воздействуют на магнитное поле. В намагниченных телах магнитное поле создает-ся при движении электронов, вращающихся вокруг ядра атома и вокруг собственной оси. Орбиты и оси вращения электронов в атомах могут находиться в различных положениях один относительно дру-гого, так что в различных положениях находятся магнитные поля, возбуждаемые движущимися электронами. В зависимости от взаимного расположения магнитных полей они могут складываться или вычитаться. В первом случае атом бу-дет обладать магнитным полем или маг-нитным моментом, а во втором -- не будет. Материалы, атомы которых не имеют маг-нитного момента и намагнитить которые невозможно, называются диамагнит-ными. К ним относятся абсолютное большинство веществ, встречающихся в природе, и некоторые металлы (медь, сви-нец, цинк, серебро и другие). Материалы, атомы которых обладают некоторым магнитным момен-том и могут намагничиваться, называются парамагнитными. К ним относятся алюминий, олово, марганец и др. Исключение сос-тавляют ферромагнитные материалы, атомы которых облада-ют большим магнитным моментом и которые легко поддаются намаг-ничиванию. К таким материалам относятся железо, сталь, чугун, никель, кобальт, гадолиний и их сплавы.

Свойство электрического тока создавать магнитное поле широко используется на практике.

Железный или стальной стержень, помещенный внутрь соленоида, при пропускании тока по соленоиду приобретает магнитные свойства. Стержень магнитотвердой стали вследствие большой величины коэр-цитивной силы, свойственной этому материалу, в значительной мере сохраняет магнитные свойства и после исчезновения тока.

В устройствах электроники и связи часто применяют поляризо-ванные электромагниты, у которых либо сердечник, либо якорь, либо оба вместе представляют собой магниты.

Неполяризованный электромагнит притягивает свой якорь неза-висимо от направления посылаемого в его обмотку тока. Работа же поляризованного электромагнита зависит от направления тока в его обмотке. Так, например, в прямом поляризованном электромагните ток одного направления усиливает магнитное поле его сердечника, а другого -- ослабляет.

Электромагниты нашли широкое применение в подъемных и тор-мозных устройствах, для закрепления в станках стальных обрабаты-ваемых деталей, в электроавтоматах, реле и других устройствах.

Способы возбуждения электрических машин

Способы возбуждения машин постоянного тока. Схема принципиальная.

а б в г

Рис а- независимое возбуждение; б- последовательное возбуждение; в- параллельное возбуждение; г- смешанное возбуждение

Способы возбуждения машин переменного тока. Схема принципиальная.

а б в

Рис а- коллекторный двигатель трёхфазный последовательного возбуждения; б- синхронный двигатель трёхфазный с возбуждением от постоянного магнита; в- синхронный двигатель трёхфазный с обмотками, соединёнными в звезду с невыведенной нейтралью