По удельному электрическому сопротивлению.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

 

 

Дисциплина: Электротехнические материалы

 

 

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ

 

Электромагнитное поле – это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами.

Электрическое поле – возникает вокруг неподвижных заряженных частиц или при изменении магнитного поля и обнаруживается по силовому воздействию на не неподвижные заряженные частицы.

Закон Кулона: сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

+

-

q1

q2

F1,2

r

Силовые линии не замкнуты

-

-

F1,2

F1,2

где q₁, q₂ – величина зарядов, Кл;

r – расстояние между зарядами, м;

ε_а – абсолютная диэлектрическая проницаемость, учитывает влияние среды на электрическое поле, Ф/м.

Магнитное поле – возникает вокруг подвижных заряженных частиц или при изменении электрического поля и обнаруживается по силовому воздействию на подвижные заряженные частицы.

Закон Ампера: сила, действующая на проводник с током, помещённый в однородное магнитное поле, прямо пропорциональная произведению магнитной индукции на силу тока, длину участка проводника и синус угла между вектором магнитной индукции и проводником.

Х

.

I1

I2

F1,2

r

F1,2

Силовые линии замкнуты Правило буравчика

Внесли Правило левой руки

 

где I₁, I₂ – сила токов в проводниках, А;

l – длинна проводников, м;

r – расстояние между проводниками, м;

µ_а – абсолютная магнитная проницаемость, учитывает влияние среды на магнитное поле, Гн/м.

Электрические и магнитные поля не существуют обособленно (независимо),

т.к. порождают друг друга.

Электротехнические материалЫ

 

Электротехнические материалы – это материалы, обладающие определёнными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике с учётом этих свойств (различные материалы подвергаются воздействиям как отдельно электрических и магнитных полей, так и их совокупности).

Применение: электрические машины, аппараты, приборы и другие элементы электрооборудования и электроустановок.

Классификация электротехнических материалов.

В электрическом поле.

1.1

-

+

I

Eвн

Проводниковые материалы (проводники) – это материалы, в которых под действием электрического поля возникает электрический ток (металлы и их сплавы, графит).

В проводниках есть свободные носители заряда и под действием электрического поля они приобретают направленное движение. Такое упорядоченное движение электрических зарядов и есть электрический ток.

Применение: токоведущие части электрических машин, аппаратов и сетей.

1.2 Полупроводниковые материалы (полупроводники) – это материалы, в которых под действием эклектического поля возникает электрический ток, но их проводимость зависит от внешних условий (температуры, примесей, света, электрического и магнитного полей, давления, ядерного излучения и т.д.) (германий Ge, кремний Si, карбид кремния SiC).

Применение: электронная техника (диоды, транзисторы, тиристоры).

1.3

Ед

Eвн

- +

- +

Диэлектрические материалы (диэлектрики) – это материалы, которые под действием электрического поля не создают электрический ток в обычных условиях, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле (резина, пластмассы, стекло).

В диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться, при этом происходит разделение центров положительного и отрицательного зарядов, т.е. поляризация.

Применение: изоляция токоведущих частей друг от друга, окружающих предметов и персонала.

В магнитном поле.

2.1 Слабомагнитные материалы – это материалы, у которых магнитная восприимчивость очень мала (медь Cu, алюминий Al, свинец Pb, органические соединения).

Применение: не нашли широкого применения в технике.

2.2 Сильномагнитные материалы (магнетики) – это материалы, которые под действием магнитного поля намагничиваются и тем самым усиливают его (железо Fe, никель Ni, кобальт Co и их сплавы).

Применение: сердечники и магнитопроводы электрических машин и аппаратов, постоянные магниты.

Указанная классификация очень приблизительна, поэтому в пределах названных основных групп материалы систематизируются в подгруппы, причём при выборе критерия нет единства.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ

 

Механические характеристики позволяют оценить способность материалов выдерживать внешние статические и динамические нагрузки, необходимы для выбора технологической обработки материалов (резание, штамповка, литьё), расчёта на прочность, контроля и диагностирования состояния деталей конструкций в процессе эксплуатации.

Испытание на растяжение проводят на цилиндрических образцах и брусках с прямоугольным сечением. Образец закрепляют концами в захватах испытательной машины. Нижний захват неподвижен, к другому прикладывают разрушающее растягивающее усилие, которое плавно увеличивают с определённой скоростью до момента разрыва образца.

1. Пластичность – это свойство материала необратимо изменять свою форму и размеры под воздействием внешних механических нагрузок.

Относительное удлинение

где ∆l_ост – приращение длины образца после разрыва, мм;

l₀ – первоначальная длина образца, мм.

Чем больше значение относительного удлинения, тем пластичнее материал.

2. Прочность – это свойство материала сопротивляться деформации или разрушению под воздействием внешних механических нагрузок.

Разрушающее напряжение при растяжении (предел прочности при растяжении)

где Р_р – разрушающая нагрузка при разрыве образца, Н;

S₀ – площадь поперечного сечения образца до испытания, мм².

Чем больше значение предела прочности, тем прочнее материал.

3. Твёрдость – это свойство материала сопротивляться проникновению в его поверхность более твёрдого тела (индентора).

Индентор – твёрдосплавный наконечник в виде шара, пирамиды или конуса, твёрдость которого существенно превосходит твёрдость испытуемого материала.

По методу Бринелля в поверхность материала вдавливается стальной шарик.

где Р – нагрузка на индентор, Н;

S_отп – площадь поверхности отпечатка, мм².

По методу Виккерса в поверхность материала вдавливается алмазная четырёхгранная пирамида под действием нагрузки.

Чем больше значение твёрдости, тем более твёрдый материал.

4. Ударную вязкость – это свойство материала сопротивляться ударной нагрузке.

Испытание на ударный изгиб проводят на брусках с прямоугольным сечением (для металлов с надрезом U-образным и V-образны). Образец помещают в маятниковом копре. Удар, наносимый по центру образца маятником, плавно увеличивают. Указатель на шкале копра фиксирует значение работы, затрачиваемой маятником на разрушением образца.

где ∆А – работа, затраченная маятником на разрушение образца, МДж.

Чем больше значение ударной вязкости, тем менее хрупок материал.

Электрические СВОЙСТВА И характеристики материалов

(общие)

 

Электрические характеристики позволяют оценить свойства материалов при воздействии на него электрического поля. Основное свойство электротехнических материалов по отношению к электрическому полю – электропроводность.

Электропроводность – это свойство материала проводить электрический ток под действием постоянного (не изменяющегося во времени) электрического напряжения.

1. Удельное электрическое сопротивление – это сопротивление материала длинной 1 м и поперечным сечением 1 м².

где γ – удельная проводимость материала, это проводимость материала длинной 1м и поперечным сечением 1м², 1/Ом∙м;

q – величина заряда носителя (заряд электрона 1,6·10^-19), Кл;

n – количество носителей заряда в единице объёма;

µ – подвижность носителя заряда.

Чем больше значение ρ, тем меньше электропроводность материала.

Проводники ρ=10^-8÷10^-6.

Полупроводники ρ=10^-6÷10⁸.

Диэлектрики ρ=10⁸÷10¹⁸.

Сопротивление проводника – это конструктивная характеристика проводника, т.к. зависит от размеров и проводниковых свойств материала.

l

Ме

S

где ρ – удельное сопротивление материала, Ом∙м;

l – длина проводника, м;

S – площадь поперечного сечения проводника, м².

2. Температурный коэффициент удельного сопротивления – показывает, на сколько изменится сопротивление материала в 1 Ом при нагревании его на 1 ⁰С.

t0

2

1

3

ρ

1 – проводники; 2 – полупроводники; 3 – диэлектрики

При линейном изменении удельного сопротивления в узком интервале температур

где ρ – удельное сопротивление материала при температуре ;

      ρ₀ – удельное сопротивление материала при начальной

температуре t₀, обычно принимается 20⁰С.

Если заменить удельное сопротивление на сопротивление

Чем больше значение α, тем в большей степени изменяется сопротивление проводника при изменении температуры.

Проводники α>0 с увеличением температуры удельное сопротивление материала увеличивается.

Полупроводники и диэлектрики α<0 с увеличением температуры удельное сопротивление материала уменьшается.

Электрические СВОЙСТВА И характеристики материалов

(для диэлектриков)

 

Основным свойством диэлектрических материалов является способность поляризоваться в электрическом поле.

Поляризация – это свойство материала, состоящие в ограниченном смещении или ориентации связанных зарядов при воздействии электрического поля.

1. Диэлектрическая проницаемость (относительная) – показывает, во сколько раз больше ослабевает внешнее электрическое поле в данном материале, чем в вакууме (показывает слепень поляризации).

где ε_а – абсолютная диэлектрическая проницаемость, учитывает влияние материала на электрическое поле, Ф/м;

ε₀ – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, 8,85∙10^-12 Ф/м.

Чем больше значение ε, тем сильнее поляризуется диэлектрик.

Вакуум ε=0.

Газообразные диэлектрики в основном ε≥1.

Жидкие и твёрдые диэлектрики ε>>1.

2. Тангенс угла диэлектрических потерь.

При воздействии электрического поля на любое вещество часть электрической энергии превращается в тепловую и рассеивается. Рассеянная часть электрической энергии диэлектриком называется диэлектрическими потерями. Причём потери энергии на переменном напряжении будут во много раз больше потерь на постоянном напряжении.

При постоянном напряжении потери числено равны активной мощности

где U – напряжение, приложенное к диэлектрику, В;

I – ток проводимости через диэлектрик, А.

При переменном напряжении

U

I

φ

δ

где U – переменное напряжение, приложенное к диэлектрику, В;

f – частота тока, Гц;

С – ёмкость диэлектрика, Ф.

δ – угол диэлектрических потерь, дополняющий до 90⁰ угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкостной цепи.

Чем больше значение tgδ, тем больше потери в диэлектрике и тем больше нагрев диэлектрика в электрическом поле заданной частоты и напряжения.

Газообразные диэлектрики tgδ=10^-6÷10^-5.

Жидкие и твёрдые диэлектрики: высшего класса tgδ=(2÷6)∙10^-4,

остальные tgδ=0,002÷0,05.

3. Напряжённость пробоя (электрическая прочность) – это напряжённость, однородного электрического поля при которой происходит пробой диэлектрика (становится проводником).

где U_пр – пробивное напряжение, при котором происходит пробой, МВ;

d – толщина диэлектрика в месте пробоя, м.

Чем больше значение Е_пр, тем лучше электроизоляционные свойства.

При выборе изоляции необходимо учитывать напряжение, на которое диэлектрик включается и должен обеспечиваться запас прочности (коэффициент прочности)

где Е_р – рабочая напряжённость, МВ/м.

Тепловые СВОЙСТВА И характеристики материалов

 

Тепловые характеристики позволяют оценить поведение материалов при нагревании (охлаждении), т.к. большинство материалов электрических машин и аппаратов работает при повышенных температурах.

Тепловые характеристики твёрдых материалов.

1. Плавкость – это свойство материала при нагревании переходит из твёрдого состояния в жидкое.

Температура плавления – это температура, при которой материал переходит из твёрдого состояния в жидкое.

Температура размягчения (для аморфных материалов) – это условная температура, при которой материал приобретает вязкотекучее состояние.

2. Нагревостойкость – это свойство материала длительно выдерживать предельно допустимую температуру без ухудшения его свойств.

Определяется по изменении электрических и механических характеристик в процессе выдержки при повышенной по сравнению с рабочей температуре.

Класс нагревостойкости	Y	A	E	B	F	H	C
tнс, 0С	90	105	120	130	150	180	›180

3. Холодостойкость (морозостойкость) – это свойство материала длительно выдерживать низкую температуру без ухудшения его свойств.

Определяется в результате сравнения механических характеристик при отрицательной и нормальной температурах.

4. Теплостойкость – это свойство материала выдерживать кратковременный сильный нагрев без ухудшения его свойств.

Определяется по изменении электрических и механических характеристик при повышенной по сравнению с рабочей температуре.

Свойства 2, 3 и 4 характеризуются предельно допустимыми температурами, при которых изменения характеристик не превышают допустимые и материал не теряет своих свойств.

Тепловые характеристики жидких материалов.

1. Температура закипания – это температура, при которой жидкий материал кипит.

2. Температура застывания – это температура, при которой жидкий материал затвердевает.

3. Температура вспышки паров – это температура, при которой пары и газы, при соприкосновении с открытым пламенем вспыхивают.

При температурах, близких или больших критических температур

МАТЕРИАЛ, ПРИМЕНЯТЬ НЕЛЬЗЯ.

Тепловые характеристики материалов общие.

1. Теплопроводность – это свойство материала проводить тепло.

Коэффициент теплопроводности λ (Вт/(м∙⁰С)) – это количество теплоты, проходящее через единицу площади материала (1 м²) в единицу времени (секунду) при единичном температурном градиенте (при длине материала 1м разность температур на его противоположных поверхностях равной 1 ⁰С).

2. Теплоотдача – это свойство материала к теплообмену (конвективный или лучистый) между поверхностью и окружающей средой.

Коэффициент теплоотдачи α (Вт/м²∙⁰С)) – это количество теплоты, отдаваемое с единицы площади поверхности (1 м²) за единицу времени (секунду) при единичном температурном напоре между средой и поверхностью (при разность температур двух сред 1 ⁰С).

3. Тепловое расширение – это свойство материала изменять объём (линейные размеры) при повышении температуры.

Коэффициент объёмного теплового расширения β (⁰С^-1) – показывает изменение начального объёма тела с увеличением температуры на 1 ⁰С.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ

 

Физико-химические характеристики позволяют оценить стойкость материалов при воздействии агрессивной среды (вода, масло, соль, щелочь, кислота, газ, топливо) во время эксплуатации.

Физико-химические характеристики твёрдых материалов.

1. Водопоглащаемость – это свойство материала впитывать воду.

При определении водопоглащения образец выдерживают в дистиллированной воде в течение 24 часов, в процессе контролируют электрические характеристики (сопротивление, тангенс диэлектрических потерь, пробивное напряжение и др.).

Водопоглощение образца

где m –масса образца материала в высушенном состоянии, г;

m_t – масса образца материала после выдержки в течение времени t, г.

2. Влагопоглащаемость (гигроскопичность) – это свойство материала впитывать влагу из окружающей среды (влажного воздуха).

Определяют по изменению таких же характеристик в процессе выдержки в воздухе повышенной влажности (относительной влажностью 96-98 %).

Чем больше W, тем больше воды впитает материал, это важно для диэлектриков, т.к. он потеряет электроизоляционные свойства и станет проводником.

3. Химостойкость (коррозийная стойкость) – это свойство материала не разрушаться при контакте с химически активными веществами (водой, кислотами, щелочами, солевыми растворами, маслами, топливом, газами и т.д.).

При определении химостойкости образец длительное время выдерживают в условиях близких к эксплуатационным, после чего определяют изменение его внешнего вида, массы, электрических и других характеристик.

Резина окисляется от меди. В нефтяных маслах при эксплуатации происходит коррозия погруженных в них металлов, изоляции и масло стареет.

4. Тропикостойкость – это свойство материала не разрушаться в условиях тропического климата (высокая температура, резкое изменение температуры, высокая влажность, солнечная радиация, плесневые грибки, насекомые и грызуны, воздух, содержащий соли и пыль).

Определяют по изменению таких же параметров под воздействием тропических климатических факторов (специальных испытаний).

Физико-химические характеристики жидких материалов.

1. Кислотное число – это количество миллиграммов едкого калия (гидроксид калия КОН), необходимого для нейтрализации всех свободных кислот, содержащихся в 1 граммов испытуемого материала (мгКОН/г).

Чем выше кислотное число, тем больше свободных кислот в материале, а значит, выше его проводимость, т.к. под действием электрического напряжения кислоты легко распадаются на ионы, что важно для жидких диэлектриков. Кроме того, кислоты могут разрушать электроизоляционные волокнистые материалы (бумагу, хлопчатобумажную обмотку), с которыми соприкасается жидкий диэлектрик.

В нефтяных маслах при эксплуатации происходит коррозия погруженных в них металлов и изоляции, в процессе которой образуются кислоты (масло стареет), так же кислоты содержатся в плохо очищенных маслах.

2. Вязкость – это коэффициент внутреннего трения при относительном перемещении частиц материала (м²/с).

Чем меньше вязкость, тем большую подвижность имеют частицы материала, и жидкость обладает хорошей текучестью, это важно для пропиточных электроизоляционных составов (лаков, компаундов), тем глубже проникают их частицы в поры волокнистой изоляции.

Вязкость всех жидкостей уменьшается с ростом температуры, это объясняется уменьшением сил взаимосвязи между частицами жидкости.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

По агрегатному состоянию.

Газообразные.

Газы при низких значения напряжённости электрического поля не являются проводниками. При высоких значениях напряжённости электрического поля, начинается ударная ионизация – носители заряда электроны и ионы. При сильной ионизации и равенстве в единице объеме электронной и ионов – плазма.

Применение: газоразрядные приборы.

Жидкие.

а) Электролиты (водные растворы кислот, щёлочей, солей) – носители заряда ионы вещества, при этом состав электролита постепенно изменяется, и на электродах выделяются продукты электролиза.

Применение: электролитические конденсаторы, покрытие металлов слоем другого металла (гальваностегия), получение копий с предметов (гальванопластика), очистка металлов (рафинирование).

б) Расплавленные металлы (имеют высокую температуру, ртуть Hg t_плавHg=-39 ⁰С и галлий Ga t_плавGa=29,7 ⁰С) – носители заряда электроны.

Применение: в литейном производстве, ртутные лампы, галлий в полупроводниковой технике (легирующий элемент для германия), низкотемпературные припои.

1.3 Твёрдые.

Металлы и сплавы – носители заряда электроны.

Применение: токопроводящие части электрических машин, аппаратов и сетей.

По удельному электрическому сопротивлению.

2.1 Высокой проводимости (ρ≤0,05 мкОм∙м).

а) Серебро Ag.

Применение: контакты, электроды конденсаторов, радиочастотные кабели.

б) Медь Cu.

Применение: жилы проводов и кабелей.

в) Золото Au.

Применение: контакты, электроды, фотоэлементы.

г) Алюминий Al.

Применение: провода для ЛЭП, жилы проводов и кабелей.

д) Железо Fe.

Применение: провода ЛЭП не большой мощности.

е) Металлический натрий Na.

Применение: провода и кабели в полиэтиленовой оболочке.

2.2 Высокого сопротивления (ρ≥0,3 мкОм∙м).

а) Манганин сплав Cu – Mn – Ni.

Применение: образцовые резисторы.

б) Константан сплав Cu – Ni – Mn.

Применение: реостаты и электронагревательные приборы.

в) Сплавы на основе железа (нихромы Fe – Ni – Cr, фехрали Fe – Cr – Al).

Применение: электронагревательные элементы.

2.3 Сверхпроводники (ρ=0) при температурах близких к абсолютному нулю по шкале Кельвина -273,15 ⁰С.

Алюминий Al, олово Sn, свинец Pb.

2.4 Криопроводники (ρ≈0) при температурах ниже -173 ⁰С, но не переходя в сверхпроводящее состоянии.

Алюминий Al, медь Cu, бериллий Be.

Применение: провода ЛЭП большой мощности, жилы кабелей, электрические машины, трансформаторы.

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

Электропроводность твёрдых проводников.

Металлы и сплавы являются кристаллическими телами. Кристаллическое строение характеризуется закономерным (упорядоченным) расположением атомов в пространстве, связанных с соседними при помощи валентных электронов, которые могут перемещать. Если соединить атомы линиями, то получиться пространственная кристаллическая решётка.

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Eвн

Электроны в металле, при отсутствии внешнего электрического поля, совершают хаотическое движение, а ионы в узлах кристаллической решётки совершают тепловые колебания. Под действием внешнего электрического поля электроны приобретают направленное движение, причём энергия, которую электрическое поле затрачивает на перемещение электронов, переходит в запас самих электронов. Когда на пути электронов оказывается ион, происходит столкновение, это и есть сопротивление проводника. Во время столкновений электроны отдают энергию ионам и начинают новый разбег и т.д. Ион, получив от электрона энергию, начинает колебаться с большей амплитудой, поэтому увеличивается температура проводника.

Удельная проводимость металлов и сплавов

где q – заряд электрона;

n – число электронов в единице объёма;

µ – подвижность электрона;

λ – средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами решётки;

m – масса электрона;

υ_т – средняя скорость теплового движения свободного электрона.

Факторы, влияющие на электропроводность твёрдых проводников.

1. При наличии примесей и дефектов кристаллической решётки сопротивление проводника увеличивается.

2. При деформации металла в холодном состоянии (в процессе протяжки или волочения) искажается кристаллическая решётка, и сопротивление проводника увеличивается. Устранить это явления можно с помощью отжига, в процессе которого металл сначала нагревают до высокой температуры, а затем медленно охлаждают. В результате происходит восстановление структуры.

3. При нагревании металла, энергия передаётся ионам в узлах кристаллической решётки, получив энергию, ионы начинают колебаться с большей амплитудой, что ведёт к увеличению количества столкновений электронов и ионов, и сопротивление проводника увеличивается.

4. При воздействии магнитного поля на проводник происходит искривление траектории движения электронов, и электропроводность проводника изменяется.

ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ВЫСОКОЙ ПРОВОДИМОСТИ

 

1. Серебро (Ag). Металл белого цвета, один из наиболее дефицитных металлов (содержание в земной коре 7∙10^-6 %).

Свойства:

- высока пластичность (δ=15-30 %), получение фольги и проволоки диаметром 0,01 мм;

- невысокие механические характеристики (σ_р=150-200 МПа);

- минимальное удельным сопротивлением (ρ=0,016 мкОм∙м);

- не окисляется на воздухе при комнатной температуре (интенсивное окисление при 200 ⁰С);

- пониженная химическая стойкость (диффундирует в металл, на который нанесён);

- очень дорогой.

Применение: контакты, электроды конденсаторов, радиочастотные кабели.

2. Медь (Cu). Металл красного цвета, очень дефицитный (содержание в земной коре 4,7∙10^-3 %).

Свойства:

- хорошая пластичность (δ=55 %), легко прокатывается в листы, ленты и проволоку малого диаметра;

- достаточно высокая механическая прочность (σ_р=200-400 МПа);

- малое удельное сопротивление (ρ=0,017 мкОм∙м);

- достаточно устойчива к коррозии в нормальных атмосферных условиях, на поверхности образуется зелёная плёнка основного оксида CuO (интенсивное окисление при 225 ⁰С);

- хорошая способность к пайке и сварке;

- дорогой.

Применение: шины, токоведущие жилы проводов и кабелей, экранировка кабелей связи и радиочастотных кабелей, коллекторные пластины электрических машин.

3. Алюминий (Al). Металл серебристо-белого цвет, среди проводниковых наиболее распространённый в природе (содержание в земной коре 7,5 %).

Свойства:

- сравнительно хорошая пластичность (δ=40 %);

- не большая механическая прочность (σ_р=90-147 МПа);

- малое удельное сопротивление (ρ=0,028 мкОм∙м);

- высокая коррозийная стойкость, на воздухе легко окисляется, покрываясь прочной оксидной плёнкой Al₂O₃, которая защищает от дельнейшего окисления (интенсивное окисление при 300 ⁰С);

- невозможность пайки из-за оксидной плёнки, которая создаёт большое переходное сопротивление, применяют специальные припои и паяльники (ультразвуковые) или горячая и холодная сварка (пластическое обжатие проводов в месте их контакта);

- гальванические пары, в месте контакта с проводниками из других металлов и повышенной влажности (электрохимическая коррозия - выражается в переносе металла с одной поверхности на другую и разрушении при этом контактной поверхности).

Применение: шины, токоведущие жилы поводов и кабелей, неизолированные провода для воздушных линий электропередач.

4. Железо (Fe). Металл серебристо-белого цвета, распространенный в природе, ступает только алюминию (содержание в земной коре 4,65 %).

Свойства:

- хорошая пластичность(δ=50 %);

- высокая механическая прочность (σ_р=300-700 МПа);

- более высокое удельное сопротивление (ρ=0,098 мкОм∙м);

- малая стойкость к коррозии при нормальной температуре, особенно в условиях повышенной влажности;

- обладает магнитными свойствами.

Применение: сталь (сплав Fe и С‹2,14%) и чугун (сплав Fe и С 2,14-6,67%) как конструкционный материал, ЛЭП небольшой мощности, сердечники биметаллических проводов, рельсы (трамвая, железной дороги, включая третий рельс метро), сердечники и магнитопроводы электрических машин и аппаратов.

ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ С БОЛЬШИМ УДЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ

 

1. Манганин. Сплав светло-оранжевого цвета, 85-89% меди Cu, 11-13% марганца Mn, 2-3% никеля Ni.

Свойства:

- сравнительно хорошая пластичность (δ=15-30 %);

- высокое удельное электрическое сопротивление (ρ=0,42-0,48 мкОм∙м);

- очень малый температурный коэффициент электрического сопротивления (α=6-50 ∙ 10^{-6 0}С^-1);

- малая коррозийная стойкость (окисляется при 60 ⁰С, стеклянная изоляция);

- малая термоЭДС в паре с медью (1-2 мкВ/⁰С) (возникающая в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми имеют различную температуру).

Применение: проволока, ленты для реостатов и электроизмерительных приборов высоких классов точности работающих при температуре до 300 ⁰С.

2. Константан. Сплав серебристо-жёлтого цвета, 56-59% меди Cu, 39-41% никеля Ni, 1-2% марганца Mn.

Свойства:

- хорошая пластичность (δ=20-40 %);

- высокое удельное электрическое сопротивление (ρ=0,48-0,52 мкОм∙м);

- минимальный темп-ный коэффициент электрического сопротивления (α=5-25 ∙ 10^{-6 0}С^-1);

- значительная коррозийная стойкость из-за никеля Ni (окисляется при 900 ⁰С);

- в холодном состоянии не воздействуют низко концентрированные кислоты, воздействует перегретый пар при 200-500 ⁰С.

- значительная термоЭДС в паре с медью (45-55 мкВ/⁰С).

Применение: проволока и ленты для реостатов и нагревательных элементов, работающих при температуре до 500 ⁰С, термопары (датчик для измерения температуры).

3. Нихромы. Сплав цвет 55-78% никеля Ni, 15-25% хрома Cr, 1-2% марганца Mn.

Свойства:

- хорошая пластичность (δ=25-30 %) и жаропрочный (способность работать под действием механических напряжением в условиях повышенных температур без заметной остаточной деформации и разрушения);

- высокое удельное электрическое сопротивление (ρ=1,1-1,2 мкОм∙м);

- малый температурный коэффициент электрического сопротивления (α=100-200 ∙ 10^{-6 0}С^-1);

- высокая жаростойкость (до 1250 ⁰С) (способность противостоять химическому разрушению поверхности под действием внешней среды при высоких температурах);

- дорогой (содержит никель Ni).

Применение: проволока и ленты для электронагревательных элементов работающих при температуре до 1000 ⁰C.

4. Фехрали. Сплав цвнт 79,5-84,5% железа Fe, 12-15% хрома Cr, 3,5-5,5% алюминия Al.

Свойства:

- хорошая пластичность (δ=20 %);

- высокая твёрдость и хрупкость, плохо поддаётся обработке, жаропрочный;

- высокое удельное электрическое сопротивление (ρ=1,2-1,3 мкОм∙м);

- малый температурный коэффициент электрического сопротивления (α=100-200 ∙ 10^{-6 0}С^-1);

- высокая жаростойкость (до 1350 ⁰С);

- малая коррозийная стойкость и обладает магнитными свойствами (в составе имеет железо).

Применение: проволока для мощных электронагревательных устройств и промышленных печей, пуско-тормозных резисторов электровозов работающих при температуре до 1400 ⁰C.

МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

 

Металлокерамические материалы – это материалы, получаемые прессованием из металлических порошков с последующим спеканием их при высоких температурах.

Основное сырьё порошки металлов: вольфрам, титан, кобальт, марганец, хром, железо, медь, олово, алюминий и др. Неосновное сырьё порошок неметалла: графит.

Получение металлокерамического материала.

Исходные материалы дробят и измельчают в шаровых мельницах до порошкообразного состояния. Измельчённый материал очищают от примесей и просеивают через сито. Взятые в определённом соотношении исходные порошкообразные материалы смешивают в специальных смесителях (вибрационных, барабанных), получая прессовочный порошок.

Металлокерамические изделия.

Для получения монолитного изделия исходные порошкообразные массы состоят из двух или более порошков различных металлов, один из которых обладает более высокой температурой плавления. При высокотемпературной обработке более легкоплавкие порошки плавятся и заполняют поры между частицами тугоплавких металлов.

Для получения пористого изделия применяют твёрдофазное спекание (без образования жидкой фазы) частиц порошков металла, обладающих приблизительно одинаковой температурой плавления. Количество пор можно изменять в широких пределах: для изделий на большие токи 10-15%; для изделий на небольшие токи 2-5%, этого достигают повторным прессованием с последующей термообработкой – отжигом (обжиГ).

Давление(1000-1400 ⁰С).

Описанные способы получения материалов относятся к порошковой металлургии.

Производство изделий методами порошковой металлургии применяют:

- когда нельзя получить изделия из сплавов особо тугоплавких и особо чистых металлов;

- когда необходимо получить изделия из сплава металлов с неметаллами;

- позволяет получить изделия точно заданных размеров без последующей механической обработкой.

Свойства (по сравнению с металлическими изделиями):

- большая износостойкость (малое изнашивание от трения точное определение инет);

- высокая жаростойкость (прочночть);

- стойкость к эрозии (разрушение поверхности под действием электрической дуги, искр, перенос металла с одной поверхности на другую, и нарушении при этом контактной поверхности).

Применение: разрывные контакты для различного вида коммутирующих устройств (допускают большие силы сжатия), щётки для электрических машин низкого напряжения, режущий и штамповочный инструмент и др.

: ЭЛЕКТРОУГОЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

 

Электроугольные материалы – это материалы, получаемые прессованием из смеси углеродистых материалов с последующим спеканием их при высоких температурах.

Основное сырье порошки углеродистых материалов: графит, сажа, каменноугольная смола, антрацит (чёрный, блестящий ископаемый уголь, горит слабым пламенем, почти без дыма). Неосновное сырьё порошки металлов: медь, свинец, олово и др. Связующие вещества: каменноугольные, бакелитовые, кремнийорганические и другие смолы.

Получение электроугольного материала.

Углеродистые материалы, за исключением графита и сажи, предварительно прокаливают при 1200-1300 ⁰С для удаления летучих веществ и уменьшения объёмной усадки получаемых электроуголных изделий. Затем материалы измельчают в дробилках до порошкообразного состояния.

Взятые в определённом соотношении исходные порошкообразные материалы (углеродистые и металлические) тщательно смешивают, вводят в них связующие вещества, перемешивают и при температуре 110-230 ⁰С пропускают через специальные смесители. Полученную исходную электроугольную массу сушат, а затем размалывают и просеивают через сито, получая прессовочный порошок.

Электроугольные изделия.

Изделия или заготовки (блоки) получают прессованием в стальных пресс-формах под давлением 100-300 МПа при комнатной температуре или при 180-210 ⁰С, если применяется связующее вещество, размягчающееся или полимеризующееся при повышенных температурах. Изделия большой длины (электроосветительные угли и др.) изготовляют выдавливанием нагретой исходной массы через стальной мундштук винтового пресса.

Полученные изделия или их заготовки подвергают высокотемпературному обжигу в интервале температур от комнатной до 1200-1300 ⁰С. При обжиге происходит спекание исходных материалов и цементация их коксом, образующимся из связующих органических веществ.

Свойства: механическая прочность, способность к механической обработке, уменьшение удельного электрического сопротивления.

Электроугольные изделия содержащие сажу, кокс, и другие не графитовые компоненты, после обжига подвергают дополнительной термической обработке при 2400-2800 ⁰С – графитизацией. При этом не графитные компоненты превращаются в графит, а большинство примесей испаряются.

Свойства: более мягкие, меньший коэффициент трения, резко снижается удельное электрическое сопротивление, значительная пористость (30%).

При значительной пористости их пропитывают лаками или воскообразными веществами, а в некоторых случаях расплавленными металлами (олово, свинец и др.) при 80-200 ⁰С и выше.

Свойства: устраняется пористость, уменьшается гигроскопичнть, позволяет ввести смазочные вещества, а пропитка металлами резко увеличивает механическую прочность и повышает проводимость.

Применение: непроволочные резисторы, контакты электрических аппаратов большой мощности, контактные детали токосъёмных устройств (щётки для электрических машин, токосъёмники электротранспорта), электроосветительные угли.

Угольные за­готовки проходят процесс обжига. Режим обжига определяет форму, в которой углерод будет находиться в изделии. При высоких температурах достигается искус­ственный перевод углерода в форму графита, вследствие чего такой процесс носит название графитирования.

КОНТАКТЫ И КОНТАКТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 

Электрический контакт – это поверхность соприкосновения токоведущих частей электротехнических устройств, а также конструктивные приспособления, обеспечивающие такой контакт.

Требования, предъявляемые к контактным материалам:

- низкое переходное электрическое сопротивление в месте соприкосновения контактных поверхностей;

- постоянное переходное сопротивление в процессе работы;

- стойкость и износу.

Износ (разрушение) контактов.

1. Механический износ получается вследствие ударов контактов друг о друга и истирающие нагрузки.

Для повышения износостойкости контакты выполняют из металлокерамических материалов.

2. Химический износ (коррозия) получается вследствие окисления материала при высоких температурах и взаимодействия с окружающей средой.

Для повышения стойкости к коррозии в контактном устройстве создаётся вакуум или среда инертного газа, например, вакуумные и элегазовые высоковольтные выключатели.

3. Электрический износ (эрозия) разрушение поверхности контактов под действием электрической дуги, искр, перенос металла с одногоконтакта на другой и нарушении при этом контактной поверхности.

Для повышения стойкости к эрозии подбирают сочетание материалов для контактов (алюминий с другими металлами образует гальванические пары).

Классификация электрических контактов.

1. Неподвижные. Обеспечивают постоянное электрическое соединение токоведущих частей.

1.1 Неразъёмные: сварные или паяные соединения.

Применение: сварные соединения для соединения проводов воздушных линий и жил кабелей; паяные соединения при монтаже многих видов электрорадиоэлементов в электрических аппаратах и приборах.

1.2 Разъёмные: зажимные (болтовые, винтовые) и штепсельные соединения.

Медь Cu, алюминий Al.

Применение: зажимные в аппаратуре токораспределения низкого и высокого напряжения (шины токораспределительных щитов, пультов управления и т. п.); штепсельные соединяют электрические цепи отдельных узлов в аппаратуре.

2. Разрывные. Обеспечивают периодическое замыкание и размыкание электрической цепи, в которую они включены.

Серебро Ag, медь Cu, алюминий Al, вольфрам W, металлокерамические материалов.

Применение: контактные группы электромагнитных реле, различные коммутационные устройства.

3. Скользящие. Обеспечивают электрическую связь подвижных электрических соединений.

Сочетание контактов металлического (медь, алюминий, вольфрам) и графитсодержащего материала.

Применение: обмотка и ползунок реостата, коллекторные пластины и щётки электрических машин, контактный провод и токосъёмник электротранспорта.

ПРИПОИ И ФЛЮСЫ

 

Пайка – это процесс получения неразъёмных соединений в процессе создания межатомных связей припоя с поверхностями соединяемых материалов

Для пайки обычно применяют соединение в внахлест, увеличивая нахлёст можно повысить прочность паяного соединения. Процесс пайки сопровождается нагреванием, в результате которого припой плавиться, смачивает и растекается между соединяемыми поверхностями. На границе соприкосновения происходят сложные физико-химические процессы: адгезия (поверхностное сцепления), сплавление, диффузия.

Для смачивания паяемых поверхностей расплавленным припоем необходимо разрушение и удаления оксидных плёнок, имеющихся на поверхностях соединяемых металлов, что выполняется с помощью флюсов.

Припои – это металлы и сплавы, применяемые в качестве связующего вещества при пайке металлических частей, которые отличается по составу от паяемых металлов и обладают способностью смачивания паяемых металлов.

Требования, предъявляемые к припоям:

- высокая механическая прочность;

- высокая электропроводность;

- высокая коррозийная стойкость;

- хорошая текучесть (способность легко растекаться в расплавленном состоянии);

- малый интервал температур кристаллизации.

Низкотемпературные (мягкие), имеют температуру плавления ниже 400 ⁰С. Изготавливают на основе олова Sn, висмута Bi, кадмия Cd, свинца Pb, цинка Zn, индия In.

Высокотемпературные (твёрдые) – выше 400 ⁰С. Изготавливаются на основе меди Cu, серебра Ag, никеля Ni, кобальта Co, железа Fe, алюминия Al и др.

Флюсы – предназначены для очистки соединяемых поверхностей от оксидов и других загрязнений, предохранения от окисления в процессе пайки и улучшения растекания расплавленного припоя.

Требования, предъявляемые к флюсам:

- хорошо смачивать металлические поверхности;

- растворять и удалять оксиды и загрязнения с поверхности соединяемых деталей;

- защищать в процессе пайки поверхности и припой от окисления;

- снижать поверхностное натяжение расплавленного припоя, для улучшения смачивания;

- иметь рабочую температуру на 50-100⁰С ниже температуры плавления припоя;

- не изменять своего состава при температуре пайки;

- не вызывать коррозию;

- легко удаляться с поверхности после пайки.

Твердые порошкообразные вещества (бура Na₂B₄O₇, борная кислота H₃BO₃, канифоль (это смесь смоляных кислот и их изомеров) и др.)

Жидкие вещества (водный раствор хлористого цинка ZnCl₂, спиртовой раствор канифоли и др.)

Подбор припоев и флюсов.

Для осуществления пайки необходимо выполнять условие: температура плавления твёрдого флюса должна быть ниже температуры плавления припоя, она в свою очередь меньше температуры пайки (и не превышать температуры термического разложения флюса), которая должна быть меньше температуры плавления основного (паяемого) металла.

При пайке меди, латуни и бронз легкоплавкими припоями на свинцовой основе применяют флюсы, не вызывают коррозии паяных швов – канифоль и составы на её основе.

При пайке стали, меди и медных сплавов (латуни, бронзы и др.) тугоплавкими припоями чаще всего используют буру и её смеси с борной кислотой H₃BO₃ и другими солями.

При пайке алюминия применяют флюсы, способные растворить плотную плёнку его оксидов, хлористый литий LiCl, фтористый натрий NaF, хлористый цинк ZnCl₂, хлористый калий KCl.

МАРКИРОВКА ПРИПОЕВ

 

Условное обозначение	Значение
П	припой (указывается не во всех маркировка)
О	олово
С	свинец
Ви	висмут
К	кадмий
Су	сурьма
Ц	цинк
И	индий
М	медь
Ср	серебро
А	алюминий
00…99	содержания массы основного металла в процентах
Марка припоя	Значение	Температура плавления, 0С	Область применения
ПОС 40	олово 40%, остальное свинец	235 (мягкий)	Для пайки стали, меди и медных сплавов (бронзы, латуни), монтажных проводов, кабельных наконечников и конденсаторов
ПОСК 50-18	олово 50%, кадмий 18%, остальное свинец	145 (мягкий)	Для пайки меди, проводов и деталей, чувствительных к перегреву
ПОССу 35-0,5	олово 35%, сурьма 0,5%, остальное свинец	245 (мягкий)	Для пайки цинковых и оцинкованных деталей, свинцовых кабельных оболочек, электротехнических изделий неответственного назначения.
ПОССу 40-0,5	олово 40%, сурьма 0,5%, остальное свинец	235 (мягкий)	Для пайки цинковых и оцинкованных деталей, обмоток электрических машин, монтажных элементов и кабельных изделий.
ПСр 45	серебро 45%, медь 20-30%, остальное цинк	720 (твёрдый)	Для пайки стали, меди и медных сплавов (бронзы, латуни), никеля, ювелирных изделий
ПМЦ 42	медь 42%, остальное цинк	830 (твёрдый)	Для пайки стали, меди и медных сплавов (бронзы, латуни)
ЦА 12	алюминий 12%, остальное цинк	550 (твёрдый)	Для пайки алюминия
ЦО 15	олово 15%, остальное цинк	600 (твёрдый)	Для пайки алюминия

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

По составу.

Простые.

Германий Ge, кремний Si, селен Se.

1.2 Сложные (сложные соединения различных элементов).

Карбид кремния SiC, окись железа Fe₂O₃ (гематит), окись меди (I) Cu₂O.

По строению.

2.1 Кристаллические (имеют кристаллическую структуру).

2.2 Аморфные (не имеют кристаллической структуры - изотропны, то есть не обнаруживают различных свойств в разных направлениях, не имеют определённой точки плавления).

По виду проводимости.

3.1

Si

Si

Si

Si

Si

Собственной проводимости.

Чистый полупроводник, в котором примеси составляют не более 10^-11 %, имеет одинаковое количество электронов и дырок, в результате разрыва ковалентных связей.

Например, элементы IV группы:

а) углерод C;

б) кремний Si;

в) германий Ge.

3.2

As

Si

Si

Si

Si

Примесной проводимости.

N -типа.

В качестве примеси используют элементы высшей группы (донор), основные носители заряда электроны, неосновные – дырки.

Например, элементы V группы:

а) фосфор P;

б) мышьяк As;

Al

Si

Si

Si

Si

в) сурьма Sb.

Р-типа.

В качестве примеси используют элементы низшей группы (акцептор), основные носители заряда дырки, неосновные – электроны.

Например, элементы III группы:

а) бор B;

б) алюминий Al;

в) индий In.

Применение: электронная техника (выпрямители, усилители, бесконтактные переключатели, инверторы, интегральные схемы).

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

Электропроводность полупроводников.

В полупроводниках свободных электронов не много, валентные электроны связаны со своими атомами. Ток может, возникнут и изменяться в широких пределах под влиянием внешних воздействий: нагревание, облучение или введение примесей. Это увеличивает энергию электронов, позволяет им оторваться от своих атомов. Место на внешней оболочке атома, покинутое электроном называется дыркой. Дырку принято считать положительно заряженной частицей с зарядом равным заряду электрона.

Eвн

Si

Si

Si

Si

Si

Чистый полупроводник обладает собственной проводимостью и имеет одинаковое количество электронов и дырок, в результате разрыва ковалентных связей. Если к полупроводнику приложить электрическое напряжение, то электроны будут перемещаться от одних атомов к другим в одном направлении, а кажущееся перемещение дырок в противоположном.

Удельная проводимость собственного полупроводника (мала)

где q – заряд электрона;

n – число электронов и дырок в единице объёма;

µ – подвижность электронов и дырок;

υ – дрейфовая скорость электронов и дырок;

Е_вн – напряжённость внешнего электрического поля.

Факторы, влияющие на электропроводность полупроводников.

1. При внесении примесей увеличивается количество свободных электронов или дырок и сопротивление полупроводника уменьшается.

2. При деформации полупроводника в холодном состоянии искажается кристаллическая решётка, и сопротивление проводника увеличивается.

3. При увеличении температуры, увеличивается количество электронов и дырок, за счёт передачи тепловой энергии электронам и разрыва ковалентных связей, и сопротивление полупроводника уменьшается.

4. При воздействии светового потока, осуществляется переход электронов в свободное состояние, за счёт передачи энергия света, и сопротивление полупроводника уменьшается. При этом энергия, предаваемая каждому электрону, зависит от частоты световых колебаний, а с увеличением яркости света (силы света) возрастает число поглощающих свет электронов.

5. При воздействии магнитного поля на полупроводник происходит искривление траектории движения электронов, и электропроводность полупроводника изменяется.

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ( p - n -переход)

 

Электронно-дырочный переход (p - n -переход) – это слой в полупроводниковом материале между двумя областями с различными типами электропроводности (одна может быть металлом).

Получение p-n- перехода.

1.

p

n

Si

Al

Сплавной контакт между двумя полупроводниками разного типа электропроводности. В результате образуется некоторая площадь соприкосновения. Такие переходы могут быть использованы на большие токи (более 10А) и большие обратные напряжения (до 1 кВ).

2.

Ед

+ + + + + + + +

- -  - -  - -  - -

+

-

р

п

-

+

p

n

Si

W

Контакт между пластинкой полупроводника и металлическим остриём. В результате образуется малая площадь соприкосновения. Такие переходы могут быть использованы на малые токи (n∙10мкА) и малые обратное напряжения (n∙10В).

В n -полупроводнике много электронов, а в p -полупроводнике много дырок и между полупроводниками начинается обмен носителями заряда. При этом оставляя в приконтактной области некомпенсированный заряд ионов (положительный в полупроводнике n -типа и отрицательный в полупроводнике p -типа). Область раздела оказывается обедненной свободными носителя заряда и, не смотря на малую ширину (10^-6-10^{-8 м), обладает большим сопротивлением, во много раз больше остальной части полупроводника. В результате образуется местное электрическое поле Е} _д, которое препятствует дальнейшему диффузионному потоку носителей заряда.

Работа p-n- перехода.

1.

Ед

-

---

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==> Организационные структуры построения аппарата управления | По стабильности параметров.

Поделиться с друзьями:

---

Дата добавления: 2018-10-15; Мы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 519 | Нарушение авторских прав

---

Лучшие изречения:

© 2015-2024 lektsii.org - Контакты - Последнее добавление