Классификация электротехнических материалов

Лекция №18

История применения ЭТМ

Классификация электротехнических материалов

3. Общие представления о диэлектрических материалах

Поляризация диэлектриков.

Классификация диэлектриков по виду поляризации

История применения электротехнических материалов (ЭТМ)

Разработка новых материалов и непрерывное совершенствование уже известных происходит одновременно с общим развитием электротехники и расширением требований промышленности к качеству материалов.

Первым практическим применением материала для создания сравнительно мощного источника электрической энергии можно считать изготовление большой батареи, электродвижущая сила которой создавалась за счет контактной разности потенциалов между дисками из разных металлов. Эта батарея была создана в 1802 г. Академиком В. В. Петровым. В ней использовалось 8400 медных и цинковых дисков с прокладками из бумаги, пропитанной электролитом. С помощью этой батареивпервые в мире была получена электрическая дуга.

И 1832 г. в своих опытах по созданию электромагнитного телеграфа русский ученый П. Л. Шиллинг использовал в качестве изоляции пленку, пропитанную воском, невулканизированный каучук и шелковую пряжу.

В 1872 г. изобретатель А. Н. Лодыгин создал первую угольную лампу накаливания; инженер П. Н. Яблочков в 1876 г. изобрел электрическую «свечу», положившую начало широкому применению электрического освещения.

Н этих изобретениях были использованы проводники, магнитные материалы электрическая изоляция.

По мере развития электротехники все большее значение приобретал правильный выбор материалов, помогавший успешно разрешать возникавшие задачи.

Быстрый рост промышленности во всех ее многочисленных отраслях сопровождается непрерывным увеличением номенклатуры применяемых материалов, совершенствованием технологии их изготовления и все более широким использованием новых, ранее не применявшихся в технике видов сырья.

Развитие отечественной электротехники выдвинуло на одно из первых мест проблему быстрейшего совершенствования электротехнических материалов высокого качества, полностью отвечающих новейшим техническим требованиям к материалам.

В настоящее время новые электротехнические материалы появляются в результате предварительного глубокого изучения физических, механических и химических характеристик таких веществ, которые могли бы быть использованы в качестве технических материалов.

Для понимания электрических, магнитных и механических свойств материалов

и других их особенностей необходимо исследовать структуру и химический состав материалов.

 

Классификация электротехнических материалов

Электротехнические материалы (ЭТМ) подразделяют на четыре основных класса: диэлектрические, полупроводниковые, проводниковые и магнитные. По своему поведению в электрическом поле ЭТМ подразделяются на три класса: диэлектрические, полупроводниковые и проводниковые. Значения их удельного сопротивления находятся соответственно в пределах: 10-8-10-5, 10-6-108,107-10 17 Ом-м, а значения ширины запрещенной зоны соответственно равны 0—0,05; 0,05—3 и более 3 эВ. магнитном же поле — на два класса: магнитные (сильномагнитные) и немагнитные (слабомагнитные). К первым относятся феррои ферримагнетики, а ко вторым -- диа-, пара- и антиферромагнетики.

Диэлектрические материалы обладают способностью поляризоваться под действием приложенного электрического поля и подразделяются на два подкласса: диэлектрики пассивные и активные. Пассивные диэлектрики (или просто диэлектрики) используют для создания электрической изоляции токопроводящих частей — они препятствуют прохождению электрического тока другими, нежелательными путями и являются материалами электроизоляционными; 2 — в электрических конденсаторах — служат для создания определенной электрической емкости; в данном случае важную роль играет их диэлектрическая проницаемость: чем выше эта величина, тем меньше габариты и вес конденсаторов.

Активные диэлектрики в отличие от обычных применяют для изготовления активных элементов (деталей) электрических схем. Детали, изготовленные из них, служат для генерации, усиления, модуляции, преобразования электрического сигнала. К ним относятся: сегнето- и пьезоэлектрики, электреты, люминофоры, жидкие кристаллы, электрооптические материалы и др.

Полупроводниковые материалы по величине удельной электропроводности занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками. Характерной их особенностью является существенная зависимость электропроводности от интенсивности внешнего энергетического воздействия: напряженности электрического поля, температуры, освещенности, длины волны падающего света, давления и т.п. Эта их особенность положена в основу работы полупроводниковых приборов: диодов,транзисторов, термисторов, фоторезисторов, тензодатчиков и др.

Проводниковые материалы подразделяются на четыре подкласса: материалы высокой проводимости, сверхпроводники и криопроводники, материалы высокого (заданного) сопротивления, контактные материалы.

Материалы высокой проводимости используют там, где необходимо, чтобы электрический ток проходил с минимальными потерями. К таким материалам относятся металлы: Си, А1, Ре, А^, Аи, Р1 и сплавы на их основе. Из них изготавливают провода, кабели и другие токопроводящие части электроустановок.

Сверхпроводниками являются материалы, у которых при температурах ниже некоторой критической Ткр сопротивление электрическому току становится равным нулю.

Криопроводники — это материалы высокой проводимости, работающие при криогенных температурах (температуре кипения жидкого азота -195,6°С).

Проводниковыми материалами высокого (заданного) сопротивления являются металлические сплавы, образующие твердые растворы. Из них изготавливают резисторы, термопары и электронагревательные элементы. Из контактных материалов изготавливают скользящие и разрывные контакты. В зависимости от предъявляемых требований эти материалы очень разнообразны по своему составу и строению. К ним относятся, с одной стороны, металлы высокой проводимости (Си, А§, Аи, Р1 и т.п.) и сплавы на их основе, с другой - тугоплавкие ме таллы (V/, Та, Мо и др.) и композиционные материалы. Последние, хотя и имеют относительно высокое электрическое сопротивление, обладают повышенной стойкостью к действию электрической дуги, образующейся при разрыве контактов. К магнитным материалам, используемым в технике, относят ферромагнетики и ферриты. Их магнитная проницаемость имеет высокие значения (до 1,5-106) и зависит от напряженности внешнего магнитного поля и температуры. Магнитные материалы применяют для концентрации магнитного поля в сердечниках катушек индуктивности, дросселях и других конструкциях, в качестве магнитопроводов запоминающих устройств в ЭВМ и т.п. Они способны сильно намагничиваться даже в слабых полях, а некоторые из них сохраняют намагниченность и после снятия внешнего магнитного поля. К наиболее широко используемым в технике магнитным материалам относятся Ре, Со, N1 и их сплавы.

3. Общие представления о диэлектрических материалах

Диэлектриками называют вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле, и в которых возможно существование электростатического поля, так как электрические заряды его атомов, молекул или ионов связаны. Используемые же на практике диэлектрики содержат и свободные заряды, которые, перемещаясь в электрическом поле, обусловливают электропроводность на постоянном напряжении. Однако количество таких свободных зарядов в диэлектрике невелико, а поэтому ток весьма мал, т. е. для диэлектрика характерным является большое сопротивление прохождению постоянного тока.

Согласно ГОСТ 21515-76 диэлектрическими материалами считают класс электротехнических материалов, предназначенных для использования их диэлектрических свойств, а именно большого сопротивления прохождению электрического тока и способности поляризоваться. Электроизоляционными материалами называют «диэлектрические материалы, предназначенные для электрической изоляции», являющейся неотъемлемой частый электрической цепи и необходимой для того, чтобы не пропускать ток по не предусмотренным электрической схемой путям.

По агрегатному состоянию диэлектрические материалы разделяются на газообразные, жидкие и твердые. По происхождению различают диэлектрические материалы природные, которые могут быть использованы без химической переработки, искусственные, изготовляемые химической переработкой природного сырья, и синтетические, получаемые в ходе химического синтеза. По химическому составу их разделяют на органические, представляющие собой соединения углерода с водородом, азотом, кислородом и другими элементами; элементоорганические, в молекулы которых входят атомы кремния, магния, алюминия, железа и других элементов; неорганические, не содержащие в своем составе углерода.

Из многообразия свойств диэлектрических материалов, определяющих их техническое применение, главными являются электрические свойства: электропроводность, поляризация и диэлектрические потери, электрический пробой и электрическое старение.

Электропроводность диэлектрических материалов обусловлена существованием в них весьма небольшого количества свободных зарядов: электронов (дырок), ионов, молионов. Молионы присущи жидким диэлектрикам и представляют собой частицы твердых диэлектриков коллоидных размеров (10-6 м), которые заряжаются, адсорбируя имеющиеся в жидкости ионы. Носители заряда образуются в результате термической генерации, фотогенерации, действия ионизирующих излучений, инжекции электронов (дырок) с металлических электродов, ударной ионизации в сильных электрических полях. Различают дрейфовый, прыжковый (носитель большую часть времени локализован, перемещения занимают меньшую часть) и диффузионный механизмы перемещения носителей заряда. Направленный поток носителей заряда в диэлектриках (электрический ток) может обусловливаться: электрическим полем; градиентом температур; сочетаниями электрического поля и градиента температур, электрического и магнитного полей, градиента температур и магнитного поля.

Электропроводность диэлектрика характеризуется удельными объемной и поверхностной проводимостями или удельными объемным и поверхностным сопротивлениями (для газообразных и жидких диэлектриков as и rs не определяются). При нормальных температуре, влажности и напряженности электрического поля r составляет 106 - 108 для низкокачественных и 1014 - 1017 Ом∙м для высококачественных диэлектриков. С ростом температуры р жидких и твердых диэлектриков, как правило, уменьшается. Уменьшение р характеризуют температурным коэффициентом удельного объемного сопротивления.

Измерения рv и рs, производят при постоянном напряжении согласно ГОСТ 6433.1-71.

В электрическом поле в диэлектрике происходят поляризации: за время 10-16 — 10-15 с электронная упругая у всех диэлектриков независимо от агрегатного состояния; в течение 10-14 — 10-13 с ионная упругая (в ионных кристаллах); за соизмеримое с полупериодом Т/2 приложенного напряжения время дипольная (в полярных диэлектриках) и миграционная — объемно-зарядовая и тепловая ионная (в содержащих микро- и макронеоднородности диэлектриках); доменная (в сегнетоэлектриках), определяемая ориентацией векторов спонтанной поляризованности.

 

Поляризация диэлектриков.

В зависимости от видов связей различаются виды поляризации, перечисленные выше. Вспомним основные виды связей: ковалентная, ионная, металлическая, межмолекулярная за счет Ван-дер-Ваальсовых сил. Доля каждой связи присутствует в реальных материалах. Рассмотрим каждую связь на простейших примерах.

Ковалентная связь молекул: Н2, О2, СО, Сl2, Н2О и др.

Центры молекул не смещены – неполярные молекулы.

Центры молекул смещены – полярные или дипольные молекулы.

Полярные молекулы характеризуются диапольным моментом.

Дипольный момент µ (дебайтах) равен пролизведению заряда q на расстояние между центрами поляризации (зарядами).

µ = q·l

Ковалентная связь может быть в молекулах и между атомами, образующими решотку кристаллов: алмаз, С-С, Si – Si и др.

Ионная связь – связь между заряженными частицами, например в ионном кристалле NаCI. Эти вещества отличаются повышенной механической прочностью и повышенной температурой плавления.

Металлическая связь – электростатическое взаимодействие между положительно заряженным ионным остовом кристалла и отрицательным электронным облаком.

 

Межмолекулярная связь (Ван-дер-Ваальсовое взаимодействие).

Например в некоторых веществах между молекулами с ковалентными внутримолекулярными связями (органика). Например парафин – обладают низкой температурой плавления, что говорит о непрочности их кристаллической решетки.

Ограниченное упругое смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул называется поляризацией. О явлениях, обусловленных поляризацией, можно судить по значению диэлектрической проницаемости, а также угла диэлектрических потерь, если поляризация диэлектрика сопровождается рассеянием энергии, вызивающей нагрев диэлектрика. Нагрев вызывается также движением свободных зарядов – малым сквозным током.

Сквозной ток обьясняет электропроводность технического диэлектрика, численно характеризуется удельной обьемной (γv) электрической проводимостью и удельной поверхностной (γ s) электрической проводимостью – это обратные велечины удельного обьемного (ρ v) и поверхностного (ρ s)сопротивления.

Любой диэлектрик может быть использован до определенного значения напряжения в определенных условиях. При U, более U пред наступает пробой диэлектрика – потеря диэлектрических свойств.

Величина напряжения, при котором происходит пробой называется пробивным напряжением.

Основные виды поляризации

Мгновенная поляризация – вполне упругая, без рассеяния энергии, без выделения теплоты. Может носить электронный и ионный характер.

Нарастающая поляризация – нарастающая и убывающая не мгновенная, сопровождается рассеянием энергии, нагреванием диэлектрика.

Разные виды поляризации наблюдаются у разных диэлектриков.

Эквивалентная схема диэлектрика с разными видами поляризации:

 

Виды поляризации:

Электронная поляризация - упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и ионов. Время установки 10^-15сек – очень мало. Смещение и деформация электронных орбит не зависит от температуры, но поляризация снижается с температурой, с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице обьема.

Электронная поляризация есть у всех видов диэлектриков и не связана с потерей энергии.

Ионная поляризация – (Сn, Qn – концентрация,заряд) – характерна для твердых тел с ионным строением и связана со смещением упругих ионов.

С повышением температуры она усиливается в результате ослабления упругих сил между ионами из-за увеличения расстояния между ними. Время 10^-13 с.

Дипольно-релаксационная (Сд, Qд,rд –концентрация, заряд, сопротивление дип – релакс.).

Дипольная поляризация связана с тепловым движением частиц. Дипольные молекулы в хаотическом движении ориентируются в поле, что и является поляризацией.

Дипольная поляризация возможна если молекулярные силы не препятствуют ориентации диполя. С увеличением температуры молекулярные силы ослабевают, увеличивается ориентация молекул, вязкость понижается, но увеличивается тепловое движение. Поэтому дипольная поляризация сначала возрастаетя, потом падает.

Дипольная поляризация связана с потерей энергии из-за преодоления вязкости – поэтому в схеме есть сопротивление rд-р.

В вязких жидкостях сопротивление повороту диполя велико и при больших частотах приложенное напряжение может исчезнуть.

Время релаксации – время, в течение которого упорядоченно ориентированные полем диполи уменьшатся в 2,7 раза.

Дипольная поляризация для полярных газов и жидкостей в твердом полярном органическом веществе.

Пример – целлюлоза - полярность ОН-групп.

В кристаллах со слабыми Ван – дер-Ваальсовыми сидами возможна поляризация больших частиц.

Ионно-релаксационная поляризация (С_и-р, Q_и-р, r_и-р) – наблюдается в неорганических стеклах, ионных кристаллических неорганических веществах с неплотной упаковкой ионами. Ионы смещаются в сторону поля. Ионно-релаксационная поляризация после снятия напряжения U затухает, а при повышении температуры T °С – усиливается.

Электронно-релаксационная поляризация (С_э-р, Q_э-р, r_э-р) – возникает вследствии возбуждения тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или дырок;

- характерна для диэлектриков с большой внутренним полем, электронной электропроводностью.

TiO₂, загрязненный примесями Nb⁵⁺, Cu²⁺, Ba²⁺/

TiO₂ при Ti³⁺ и анионными вакансиями оксидов металлов переменной валентности: Ti, Nb, W.

Диэлектрическая проницаемость Ti-содержащей керамики с электронно-релаксационной поляризацией уменьшается с возрастанием частоты электрического поля.

Миграционная поляризация (С_м, Q_м,r_v) – дополнительный механизм поляризации в твердых телах неоднородной структуры. Проявляется при низких частотах и связана с неоднородностями и примесями проводящими включениями, слоями разной проводимости.

В слоистых пластиках идет накопление зарядов в слоях, медленное движение ионов. Процесс может быть условно изображен на схеме.

Самопроизвольная (спонтанная)поляризация у сегнетоэлектриков

В переменных электрических полях идет выделение теплоты.

Области (домены) обладают электрическим моментом в отсутствии поля. При наложении поля наблюдается ориентация доменов.

У веществ с самопроизвольной поляризацией есть области (домены), обладающие электрическим моментом в отсутствии поля.