Классификация электротехнических и конструкционных материалов.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

 

Кафедра «Конструирование и технологии в электротехнике»

 

 

 

 

 

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ И КОНСТРУКЦИОННОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Конспект лекций

 

 

Пермь 2018

УДК 621.315:621.39

 

Рецензент: д.т.н., зав. каф. КТЭ ПНИПУ, профессор Н.М. Труфанова

 

 

Электротехническое и конструкционное материаловедение. Конспект лекций / Сост. В.В. Черняев, А.Г. Щербинин; Перм. нац. исследов. политех. ун-т. – Пермь, 2018.

 

Предназначаются для студентов всех форм обучения направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника».

 

 

 

 

Утверждено на заседании кафедры КТЭ

протокол № 11 от 28.03.2018 г.

 

 

Ó Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 2018

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

1. ВВЕДЕНИЕ. 5

1.1 Основы строения вещества. 5

1.2 Классификация электротехнических и конструкционных материалов. 5

1.3 Зонная теория твердых тел. 6

2. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ.. 7

2.1 Основные понятия и определения. 7

2.2 Основные виды поляризации диэлектриков. 8

2.3 Эквивалентная схема замещения технического диэлектрика. 14

2.4 Классификация диэлектриков по виду поляризации. 15

2.5 Диэлектрическая проницаемость композиционных диэлектриков. 15

3. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ.. 17

3.1 Основные положения. 17

3.2 Электропроводность газов. 19

3.3 Электропроводность жидкостей. 20

3.4 Электропроводность твердых тел. 20

4. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ.. 22

5. ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ.. 23

5.1 Пробой газов. 24

5.2 Зависимость прочности газа от расстояния между электродами. 26

5.3 Зависимость прочности газа от давления. 27

5.4 Зависимость прочности газа от частоты. 28

5.5 Пробой газа в неоднородном поле. 29

5.6 Пробой жидких диэлектриков. 30

5.7 Пробой твердых диэлектриков. 31

6. ПРОВОДНИКИ.. 37

6.1 Общие положения. 37

6.2 Классическая электронная теория металлов. 38

6.3 Зависимость удельного сопротивления металлов от температуры.. 40

6.4 Удельное сопротивление сплавов. 41

6.5 Термоэлектродвижущая сила (Термо-ЭДС) 41

6.6 Материалы высокой проводимости. 42

6.7 Сплавы высокого сопротивления. 47

6.8 Сверхпроводники. 49

7. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ.. 54

7.1 Общие сведения. 54

7.2 Электропроводность полупроводников. 55

7.3 Температурная зависимость концентрации свободных носителей зарядов в примесном полупроводнике. 58

8. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ.. 59

8.1 Общие положения. 59

8.2 Намагничивание ферромагнитных материалов. 61

8.3 Магнитный гистерезис. 62

8.4 Магнитомягкие материалы.. 63

8.5 Магнитотвердые материалы.. 65

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.. 66

ВВЕДЕНИЕ

Основы строения вещества.

Основными элементарными частицами, из которых строятся все известные нам вещества, являются протоны, нейтроны и электроны. Согласно упрощенной модели Бора из протонов и нейтронов состоит атомное ядро, а электроны за­полняют оболочки атома (рис. 1.1). Протоны являются носителями положительного заряда, электроны имеют точно такой же заряд, что и протоны, только отрицательный. Нейтроны - частицы с массой близкой к массе протона, но без заряда.

 

 

Рис. 1.1 Модель атома Н. Бора.

 

Поскольку число протонов атома равно количеству электронов - суммарный заряд атома равен нулю. Нейтральный атом, получив некоторое количество энергии извне, может лишиться части электронов. При этом число протонов превысит количество оставшихся в атоме электронов. Такой атом с избытком протонов приобретет положительный заряд и будет называться положительным ионом, а сам процесс образования ионов - ионизацией.

Атом имеет размеры порядка нанометра (1 нм = 10^{-9 м). Молекулы различных веществ содержат различное число атомов (например, гелий и аргон – одноатомные газы, водород и кислород – двухатомные и т.д.). Молекулы, в которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают, называются нейтральными. Если же в отдельных молекулах центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга, то такие молекулы называются полярными, или дипольными.}

Классификация электротехнических и конструкционных материалов.

Материалы, используемые в электротехнике, можно условно подразделить на конструкционные и электротехнические.

Конструкционные материалы используются для изготовления вспомогательных деталей и элементов электротехнических изделий, воспринимающих, как правило, механические нагрузки.

Электротехнические материалы характеризуются определенными свойствами по отношению к электромагнитным полям и применяются в технике с учетом этих свойств. По способности проводить электрический ток все электротехнические материалы можно подразделить на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Проводник - вещество (среда, материал), хорошо проводящее электрический ток. В проводнике имеется большое число свободных носителей зарядов, которые могут свободно перемещаться внутри проводника и под действием приложенного к проводнику электрического напряжения создавать ток проводимости.

Диэлектрик — вещество, относительно плохо проводящее электрический ток.

Полупроводники́ — вещества, по своей удельной проводимости занимающие промежуточное место между проводниками и диэлектриками, и отличающиеся от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения.

Возникает естественный вопрос: чем-же различаются между собой эти материалы? Почему одни достаточно хорошо проводят электрический ток, а другие его практически не пропускают? Ответ на этот вопрос дает зонная теория твердых тел.