Самостійна робота № 1

Тема: Електричні матеріали: провідники, напівпровідники,

діелектрики.

План

1. Електричне поле в речовині.

2. Провідники першого і другого роду.

3. Напівпровідники.

4. Діелектрики.

5. Використання електротехнічних матеріалів – провідників, напівпровідників та діелектриків у електричних установках.

1

Електричне поле в речовині відрізняється від електричного поля у вакуумі. Речовина містить в собі електрично нейтральні молекули. Кожний атом складається з позитивно зарядженого ядра та від’ємно заряджених електронів, що рухаються навколо ядра і створюють електричну оболонку. Зовнішнє електричне поле взаємодіє з зарядами молекул. Наявність такої великої кількості зарядів змінює напруженість електричного поля в речовині. За електричними властивостями речовини поділяються на провідники, напівпровідники і діелектрики.

Провідники – це речовини, що мають вільні носії зарядів (електрони, іони).

До них відносяться: метали, розчини солей, кислот, лугів, гази, плазма. Вільні заряди можуть переміщуватися в середині провідника. В металах вільні заряди – електрони.

2

Електрони ( особливо ті, які слабо зв’язані з ядром атома) можуть покинути свою орбіту і перейти в міжатомний простір, потрапити за межі іншого атома. Такі “відірвані” електрони називаються вільними. Вони хаотично переміщаються з невеликою швидкістю 0,5мм/сек між атомами речовини.

Речовини в міжатомному просторі, у яких є вільні електрони, відносяться до провідників першого роду.

Якщо упорядкувати рух вільних електронів в провіднику, вони створять в ньому електричний струм. Проходження електричного струму по провіднику першого роду не пов’язано з хімічними змінами цього провідника.

До провідників першого роду відносять: провід, кабель, нитки електричних ламп, контакти реле і перемикачів.

До провідників другого роду відносять: розчини кислот, солей, лугів (ці розчини називаються електролітами).

Відомо, що в електроліті безперервно утворюються позитивні і негативні іони. Електричний струм в електроліті створюється іонами.

3

Напівпровідники – це речовини, які проводять електричний струм при певних температурах.

До напівпровідників відносяться окиси металів – оксиди; сірчисті сполуки – сульфіди; сполуки з селеном – селеніди; сполуки з телуром – телуриди; більше десяти хімічних елементів та деякі органічні речовини. Найширше використовують германій і кремній.

Електричні властивості напівпровідників відрізняються від властивостей провідників і діелектриків. Електропровідність напівпровідників залежить від температури, освітленості, наявності та інтенсивності електричного поля, кількості домішок. При звичайній температурі в напівпровідниках є деяка кількість вільних електронів, які утворилися внаслідок розриву електричних зв’язків. В напівпровідниках розрізняють два види провідності: електронну і діркову. Електронна провідність відбувається вільними електронами, а діркова – переміщуванням зв’язків, які не мають електронів.

Напівпровідники з електронною провідністю називають напівпровідниками n – типу (негативні), а з дірковою провідністю – напівпровідниками р – типу (позитивні).

4

В порівнянні з провідниками кількість вільних заряджених частин в одиниці об’єму діелектрика дуже мала. Тому при наявності зовнішнього електричного поля направленим рухом вільних заряджених частин можна знехтувати і рахувати, що в діелектрику переважають електростатичні явища.

Розрізняють діелектрики з полярними і неполярними молекулами. Полярні молекули в електричному відношенні можна розглядати як електричний диполь.

Електричний диполь – це сукупність двох частин з електричними зарядами, рівні по величині і протилежними по знаку, відстань між якими

маленька порівняно з відстанню від них до точки спостереження.

В неполярних молекулах діелектрика під дією зовнішнього електричного поля заряджені частини зміщуються вздовж напрямку напруженості, внаслідок чого молекули мають властивість диполів.

5

Сучасна електротехніка використовує тверді, рідкі і при відповідних умовах газоподібні провідники. Твердими провідниками є метали. До рідких провідників відносяться електроліти і розплавлені метали. Гази в якості провідників використовуються в іонних приладах.

Металічні провідники поділяють на дві групи:матеріали високої провідності і матеріали високого опору.

До першої групи матеріалів відносяться хімічно чисті метали: мідь і алюміній, які використовуються для виготовлення проводів, кабелів, обмоток електричних машин і трансформаторів. Добрими провідниками є деякі сплави – бронза і латунь, різні сплави алюмінію і сталі.

До другої групи відносяться метали і сплави високого опору, що застосовуються в електронагрівальних приладах, в лампах розжарювання, реостатах.

Поруч з металами і їх сплавами на практиці в приладах освітлення (прожектори), комутування струму в електричних машинах (щітки), в електрометалургії (електроди), в апаратурі зв’язку (мікрофонні порошки) використовують різні види із вугілля.

Залежність електричного опору напівпровідникових матеріалів від температури використовують в спеціальних напівпровідникових приладах – терморезисторах. Для виготовлення терморезисторів використовують суміш оксидів деяких металів – титану, магнію, нікелю, літію, марганцю, кобальту. Зміна опору терморезисторів при нагріванні або охолодженні дозволяє використовувати їх в приладах для зміни температури, для підтримання постійної температури в автоматичних пристроях, в закритих камерах, термостатах.

Прилади, в яких використовується властивість напівпровідникових кристалів змінювати свій електричний опір при освітленні, називається фотодіодами. Фотодіоди виготовляються у вигляді тонких шарів напівпровідникової речовини, що наноситься на ізолятор. Вони використовуються в радіоприймачах і телевізорах, мікрокалькуляторах.

Напівпровідникові прилади, які використовуються для підсилення напруги, струму і потужності, називаються напівпровідниковими тріодами – транзисторами. Транзистори, що входять до складу мікросхем (схем, що виготовлюються на платівці кремнію з тисячами діодів, транзисторів, конденсаторів тощо), настільки малі, що їх можна бачити тільки в мікроскоп На практиці необхідна ізоляція струмопровідних частин електричного устаткування від заземлених частин, а також між собою. Застосовують тверді, рідкі і газоподібні діелектрики. Твердими діелектриками є фарфор, слюда, гума, скло. В якості рідких діелектриків застосовують трансформаторне, кабельне і конденсаторне масло, синтетичні рідини. Найбільш часто в якості газоподібного діелектрика застосовується повітря.

На практиці діелектрик не є абсолютним ізолятором. Найбільше використовують електроізоляційні матеріали , такі , як: азбест (в якості теплової ізоляції при високих температурах), азбоцемент (для виготовлення щитків, панелей, основ апаратів, труб), каніфоль (для виготовлення просочених і заливних мас), каучук (для ізоляції встановлених і монтажних проводів і кабелів, захисних рукавиць, килимків), різні види паперу, картон електротехнічний, електроізоляційні лаки (для водостійкості), парафін (для заливання високоякісних котушок і трансформаторів, для виготовлення ізоляційних сумішей), пластмаси, текстоліт, фарфор, ебоніт, шифер та інші.

Самостійна робота № 2 Тема: Енергія і потужність електричного струму. Теплова дія струму.

План

1. Енергія електричного струму.

2. Потужність електричного струму.

3. Теплова дія електричного струму.

Закон Джоуля-Ленца.

1

Проходячи по колі, електричний струм виконує певну роботу.

Здатність електричного струму виконувати роботу називають енергією електричного струму.

Енергія, що затрачена електричним струмом в колі, чисельно рівна кількості енергії, що проходить по колу, помноженому на підведену до кола напругу.

Знаючи, що кількість електрики знаходимо енергію:

Таким чином, енергія електричного струму чисельно рівна добутку напруги на величину струму і на час, на протязі якого він проходить.

Одиниця електричної енергії – ват-секунда (Втс) – енергія, яка передається електричному колу струмом 1А при 1В на протязі 1 сек.

На практиці прийнято такі одиниці:

1 гектоват-год (ГВтг) = 100Втг = 360000Втс

1 кіловат-год (кВтг) = 1000Втг

Прилади для вимірювання електричної енергії називають лічильниками. В колах змінного струму є лічильники активної і реактивної дії.

2

Для того, щоб характеризувати здатність джерела електричної енергії віддавати в коло кількість енергії за одиницю часу, в електротехніці введено поняття потужності.

Потужність електричного струму – енергія струму, віднесена до одиниці часу:

Підставимо замість енергії W її значення, одержимо:

Отже, потужність електричного струму чисельно рівна добутку величини струму на величину потужності.

За одиницю потужності прийнято ват (Вт) – потужність струму ,величиною 1А при напрузі 1В.

У ватах вимірюється, наприклад, потужність електричних лампочок. Потужність промислових генераторів вимірюється:

в мегаватах (1МВт = 1000000Вт);

кіловатах (1кВт = 1000Вт).

Для вимірювання потужності електричного струму застосовують прилад, що називається ватметром.

3

Проходження електричного струму в провіднику супроводжується тепловою дією струму. Теплова дія виявляється в нагріванні провідників, через які проходить струм.

Кількість тепла Q, що виділяється при проходженні струму по провіднику, визначається законом Джоуля-Ленца:

К ількість теплоти Q, що виділяється в провіднику зі струмом, прямо пропорційна силі струму І, напрузі U і часу протікання струму:

Теплова дія струму використовується в лампах розжарювання, нагрівальних приладах, при електрозварюванні. Для виділення тепла в певній ділянці кола необхідно, щоб опір цієї ділянки був вищим за опір усіх інших ділянок кола. Струм, що проходить через усі послідовно ввімкнені провідники, однаковий, і кількість виділеного в кожному провіднику тепла прямо пропорційна його опору. При паралельному з’єднанні струми будуть різні, але усі провідники будуть знаходитись під однаковою напругою. В цьому випадку кількість виділеної теплоти обернено пропорційна опору.

Самостійна робота № 3 Тема: Магнітні властивості речовин. Явище гістеризису.

План

1. Феромагнітні, діамагнітні і парамагнітні речовини їх застосування.

2. Явище гістеризису.

3. Магнітні і немагнітні матеріали.

1

Речовини, які під час внесення їх в магнітне поле ,здатні змінювати його властивості, називаються магнетиками.

За значенням магнітної проникності усі речовини поділяються на феромагнетики, діамагнетики і парамагнетики.

Феромагнетики – речовини, у яких магнітна проникність більша одиниці.

До них належать залізо, сталь, чавун, нікель, кобальт, рідкоземельний елемент гадоліній і деякі сплави.

Магнітна проникливість феромагнетиків залежить від величини магнітної індукції, хімічного складу металу, його попередньої термічної і механічної обробки, температури металу і від форми і геометричних розмірів.

Індукція, яка залишається у феромагнітному тілі при напруженості поля, рівна нулю, називається залишковою індукцією або залишковим магнетизмом.

Невеликий залишковий магнетизм мають чисте залізо, м’яка сталь, сплави заліза з кремнієм (електротехнічна сталь), сплави заліза з нікелем. Ці метали легко намагнічуються і легко розмагнічуються. Їх використовують при виготовленні осердя електромагнітів, трансформаторів, полюсних наконечників, якорів генераторів.

Найбільш залишковим магнетизмом володіють спеціальні сорти твердої сталі: вольфрамової, хромистої, кобальтової, нікельалюмінієвої. Ці сталі застосовуються для виготовлення постійних магнітів.

Парамагнетики – речовини, у яких магнітна проникність приблизно рівна одиниці.

До них належать: алюміній, олово, платина, марганець, кисень, повітря.

Парамагнетики створюють слабке магнітне поле, яке за напрямом співпадає із зовнішнім полем. Парамагнетики трохи підсилюють зовнішнє магнітне поле.

Магнітна проникність найбільш сильних парамагнетиків мало відрізняється від одиниці: 1,00036 – у платини і 1,0034 – у рідкого кисню (μ > 1).

Діамагнетики – речовини, у яких магнітна проникність менша одиниці.

До них належать: цинк, ртуть, свинець, сірка, мідь, хлор, срібло, вода.

Діамагнетики дещо послаблюють зовнішнє магнітне поле, утворюють своє поле в протилежному напрямі.

Магнітна проникність діамагнетиків відрізняється від одиниці не більш, ніж на десятитисячні долі. Самий сильний із діамагнетиків – вісмут- має магнітну проникність 0,999824, тобто μ діамагнетиків < 1.

Отже, при внесенні в котушку стержнів із міді, алюмінію, скла, фарфору, дерева не вдається помітити відхилення малої котушки. Але досліди із застосуванням більш чутливих приладів дозволяють встановити, що всі речовини змінюють магнітне поле.

2

Гістеризис – відставання, запізнення змін магнітної індукції від змін напруженості поля.

Для того, щоб магнітна індукція в осерді стала рівною нулю, необхідно намагнічувати матеріал в зворотному напрямі, тобто перенамагнічувати його. Перенамагнічування матеріалу зв’язане із затратою кількості енергії, яка виділяється у вигляді тепла, яке нагріває матеріал.

Гістеризис особливо сильно виявляється, якщо матеріал осердя має великий залишковий магнетизм (наприклад, тверда сталь).

Явище гістеризису в більшості випадків шкідливо. Воно супроводжується нагріванням осердя, зайвою затратою потужності джерела напруги і гудінням осердя внаслідок переміни полярності і повороту елементарних частин матеріалу осердя.

Діамагнетикам і парамагнетикам властиві лінійна залежність

де В – магнітна індукція у деякому однорідному середовищі;

В₀ – магнітна індукція цього ж поля у вакуумі.

Для феромагнетиків ця залежність є нелінійною і називається петлею магнітного гістеризису.

3

В магнітних колах різних електричних машин, трансформаторів, приладів і апаратів електротехніки зустрічаються різноманітні магнітні і немагнітні матеріали.

Властивості магнітного матеріалу характеризується величинами

напруженості магнітного поля, магнітного потоку, магнітною індукцією і магнітною проникністю.

Магнітна індукція того чи іншого матеріалу не повинна перевищувати деякої максимальної величини в залежності від виду і якості даного матеріалу. Спроба збільшити індукцію приводить до збільшення втрат енергії в матеріалі і нагріву його. Перемінне магнітне поле викликає появу в магнітних матеріалах вихрових струмів. Ці струми нагрівають осердя (магнітопроводи), що приводить до затрати потужності.

Магнітні матеріали поділяються на дві групи:

• магніто-м’які;

• магніто-тверді.

Магніто-м’які матеріали повинні відповідати таким вимогам:

• мати велику відносну магнітну проникність μ, що дозволяє одержати велику магнітну індукцію В при малому числі ампер-витків;

• мати якнайменші втрати на гістеризис і вихрові струми;

• мати стабільність магнітних властивостей.

Магніто-м’які матеріали використовуються в якості магнітопроводів електричних машин, осердь трансформаторів, дроселів, електромагнітів реле та електровимірювальних приладів.

До магніто-м’яких матеріалів відносяться:

• електролітичне залізо – використовують для виготовлення магнітних деталей;

• карбонільне залізо – застосовується в електровакуумній промисловості і в приладобудуванні для виготовлення лабораторних інструментів і приладів;

• листова електротехнічна сталь – найбільш поширена в електромашинобудуванні і трансформаторобудуванні;

• пермалой (сплав заліза і нікелю) – для виготовлення деталей телефонного зв’язку, осердя трансформаторів, реле, деталей електровимірювальних, котушок індуктивності;

• альсифер (сплав алюмінію, кремнію і заліза) – для виготовлення осердь, що працюють у високочастотних установках;

• пермендюр (сплав заліза з кобальтом і ванадієм) – для виготовлення динамічних репродукторів, мембран телефонів, осцилографів;

• магнітодіелектрики (матеріали роздроблені в порошок) – для виготовлення дроселів, трансформаторів, деталей радіоапаратури.

Магніто-тверді матеріали застосовуються для виготовлення постійних магнітів.

До них ставляться такі вимоги:

• велика залишкова індукція;

• велика максимальна магнітна енергія;

• стабільність магнітних властивостей.

До магніто-твердих матеріалів відносяться: вуглецева сталь, хромова сталь, вольфрамова сталь, молібденово-кобальтова сталь.

Немагнітні матеріали застосовуються в різноманітних приладах і апаратах. Вони не мають магнітних властивостей. Для таких цілей придатні пластмаса і кольорові метали (алюміній, латунь, бронза). Але ці матеріали мають малу механічну міцність, а тому вони заміняються немагнітною сталлю і немагнітним чавуном.

Немагнітна сталь застосовується для стяжки і кріплення трансформаторів, дроселів, котушок індуктивності.

Немагнітний чавун застосовується для виготовлення кришок, кожухів, втулок, масляних вимикачів, кабельних муфт, кожухів зварювальних трансформаторів.