2.6 Кріопровідники

Це матеріали, які при глибокому охолодженні (нижче –173 ^оС) здобувають високу електричну провідність, але не переходять у надпровідний стан. Пояснюється це тим, що при низькій температурі питомий опір провідника визначається, як правило, наявністю домішок і дефектами кристалічних ґраток.

Застосування кріопровідників замість надпровідників в електротехнічних пристроях має такі переваги:

• використання як холодоагента рідкого водню або рідкого азоту замість рідкого гелію спрощує конструкцію теплової ізоляції, зменшує витрату потужності на охолодження і відповідно знижує вартість установки;

• усувається небезпека раптового звільнення великої кількості енергії, що має місце в надпровідниках, тому що при підвищенні температури відбувається плавне збільшення опору. При випадковому порушенні надпровідності звільняється енергія магнітного поля, величина якої дорівнює L I²/2 Дж.

Як кріопровідники практичний інтерес представляють при температурі рідкого водню алюміній, а при температурі рідкого азоту - берилій. Проблема полягає в тому, що алюміній досить дешевий матеріал, але рідкий водень вибухонебезпечний. Берилій дорогий і дефіцитний матеріал, але як холодоагент можна використовувати дешевий рідкий азот.

Для одержання кріопровдників потрібна винятково висока чистота металу й відсутність наклепу (відпалений стан).

Для більш повного та детального розуміння цього питання прочитайте матеріали 1 (стр.125-126), 2 (стр.211-213) література.

Питання для самоперевірки

1 Наведіть класифікацію провідникових матеріалів.

2 Назвіть основні характеристики провідникових матеріалів.

3 Укажіть, які вимоги ставляться до провідникових матеріалів.

4 Назвіть основні марки міді й алюмінію.

5 Назвіть умови, при яких у матеріалах може спостерігатися явище надпровідності.

6 Назвіть сплави, що володіють високим питомим опором.

7 Укажіть умови виникнення термо ЕРС

8 Укажіть, які переваги й недоліки має алюміній у порівнянні з міддю як провідниковий матеріал.

9 Назвіть сплави міді й області їх застосування.

10 Назвіть сплави алюмінію й області їх застосування

11 Назвіть матеріали, які застосовуються в якості кріопровідників.

до змісту

Тема 3 Діелектричні матеріали

Анотація. Матеріал теми розкриває процеси поляризації і пробою діелектриків, а також основні види електропровідності діелектриків та діелектричних втрат.

Питання теми

3.1 Поляризація діелектриків.

3.2 Електропровідність діелектриків.

3.3 Діелектричні втрати.

3.4 Пробій діелектриків.

3.1 Поляризація діелектриків

Діелектриками називають речовини, за допомогою яких здійсню­ють ізоляцію елементів або частин електроустановок, що знаходяться під різним електричним потенціалом. Відповідно до агрегатного стану всі діелектрики поділяють на газоподібні, рідинні й тверді, а за хіміч­ним складом — на органічні й неорганічні. У відповідності до способу одержання розрізняють природні й синтетичні (штучні) діелектрики. Залежно від складу вихідних речовин і особливостей технології ви­робництва синтетичні діелектрики можуть створюватись із заданим комплексом електричних і фізико-хімічних характеристик, що визна­чило їх широке використання у якості ізоляційних матеріалів.

Експлуатацію ізоляційних матеріалів прийнято характеризувати діелектричними властивостями, під якими розуміють сукупність влас­тивостей, пов'язаних з явищем поляризації. Ці властивості характери­зують такими показниками, як абсолютна та відносна діелектрична про­никність, діелектрична сприйнятливість, кут діелектричних втрат і т. д.

У загальному випадку під поляризацією розуміють обмежений зсув зв'язаних зарядів або орієнтацію дипольних молекул діелектри­ків, вміщених в електричне поле.

1) Електронна поляризація обумовлена пружним зсувом і дефо­рмацією електронних оболонок відносно ядер в атомах діелектриків. Зміщенню піддаються головним чином найбільш віддалені від ядра електрони, тому що вони найменше зв'язані і легше підда­ються зовнішньому впливу.

2) Іонна поляризація характерна для твердих тіл з іонним старінням і обумовлюється зміщенням пружнозвязаних іонів. З підвищенням температури іонна поляризація посилюється в результаті ослаблення пружних сил, які діють між іонами, через збільшення відстані між ними при тепловому розширені.

Електронна й іонна поляризації не викликають втрат енергії у ді­електриках і таким чином обумовлюють протікання в колі електродів лише чисто реактивної (ємнісної) складової струму. Величина цього струму визначається геометричними розмірами ізоляційної констру­кції і величиною діелектричної проникності матеріалу.

У схемах заміщення діелектриків процеси електронної та іонної поляризації прийнято позначати символом конденсатора С_г (геомет­ричною ємністю або ємністю миттєвої поляризації).

3) Дипольна поляризація в діелектриках обумовлена переваж­ною орієнтацією електричних моментів диполів в одному напрямку. Це явище можна пояснити тим, що в багатьох діелектриках, незалежно від їхнього агрегатного стану, молекули мають початковий електричний дипольний момент навіть за відсутності зовнішнього електричного поля.

Діелектрики, що містять електричні диполі, які спроможні пе­реорієнтуватися у зовнішньому електричному полі, одержали назву полярних діелектриків. Очевидно, що поява дипольної поляризації буде тим інтенсивнішою, чим більше дипольний момент молекул да­ного матеріалу. Отже, полярні діелектрики характеризуються більш високим значенням діелектричної проникності. Наприклад, у слабкополярного трансформаторного масла ε = 2,2, тоді як у полярного совола ε = 5.

У діелектриках з малою щільністю і порівняно невеликими роз­мірами молекул (гази, рідини) в електричному полі відбувається по­ворот самих молекул. У твердих діелектриках поворот молекул немо­жливий, однак окремі групи атомів можуть орієнтуватися полем без порушень їх зв'язків з молекулами.

При збільшенні температури діелектрика з відповідним змен­шенням в'язкості дипольна поляризація спочатку збільшується, але потім починає зменшуватися за рахунок зростання енергії теплового руху молекул, який послаблює орієнтуючу дію зовнішнього поля.

Дипольна поляризація викликає не тільки зворотне поглинання енергії за рахунок збільшення ємності, але й незворотні втрати енер­гії, пов'язані з подоланням сил внутрішнього тертя. Ця енергія роз­сіюється в діелектрику у вигляді тепла. Отже, струм у колі електро­дів, викликаний дипольною поляризацією, має і реактивну, і активну складову. У схемах заміщення діелектриків процес дипольної поля­ризації визначають у вигляді послідовно або паралельно включених конденсаторів С_д і резисторів Я_д.

4) Міграційна поляризація обумовлена перерозподілом віль­них зарядів у об'ємі неоднорідних діелектриків. Цей вид поляризації пов'язаний з наявністю в діелектричних матеріалах прошарків з різною діелектричною проникні­стю і провідністю.

Міграційна поляризація, по суті, є складним процесом дипольної поляризації і відрізняється порядком часу релаксації, а в окремих ви­падках — розміром заряджених часток. До таких процесів відносять заряд поверхонь розділу діелектриків, який часто називають міжпрошаровою поляризацією, або формуванням просторового заряду.

Крім перерахованих видів електричної поляризації, в техніці ши­роко використовують також інші її види:

• спонтанну, яка виникає в діелектриках довільно, без зовнішніх впливів;

• доменну, яка обумовлена переважною орієнтацією доменів в од­ному напрямку, що характерно для сегнетодіелектриків;

• п'єзоелектричну, яка виникає в діелектриках під дією механіч­них напруг.

Для більш повного та детального розуміння цього питання прочитайте матеріали 1 (стр.149-159), 2 (стр.16-30) література.