Вопрос 5. Приведите классификацию проводниковых материалов.

Проводниками электрического тока могут быть твердые тела, жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими практическими применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы.

Из металлических проводниковых материалов можно выделить: металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление при нормальной температуре не более 0,05 мкОм·м и сплавы высокого сопротивления - более 0,3 мкОм·м. Металлы высокой проводимости используются для проводов, обмоток электрических машин и т.д. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяют для изготовления резисторов, электронагревательных приборов и т.д.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Для большинства металлов температура плавления высока.

Механизм прохождения тока в металлах обусловлен движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля. Поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода. Проводниками второго рода - электролитами являются растворы кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти вещества связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов, вследствие чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза. Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются проводниками второго рода.

Рис. 1 – Классификация проводниковых материалов.

ВОПРОС 13. Сравните свойства медных и алюминиевых проводов по сечению, массе и другим характеристикам.

Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:

1. малое удельное сопротивление (из всех материалов только серебро имеет несколько меньшее удельное сопротивление, чем медь);

2. достаточно высокая механическая прочность;

3. удовлетворительная в большинстве случаев стойкость по отношению к коррозии (медь окисляется на воздухе даже в условиях высокой влажности значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах);

4. хорошая обрабатываемость (медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра);

5. относительная легкость пайки и сварки.

Стандартная медь, в процентах по отношению к удельной проводимости которой иногда выражают удельные проводимости металлов и сплавов, в отожженном состоянии при 20°С имеет удельную проводимость 58 МСм/м, т.е. r = 0,017241 мкОм×м. Твердую медь употребляют там, где надо обеспечить особо высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию.

Мягкую медь в виде проволок круглого и прямоугольного сечения применяют главным образом в качестве токопроводящих жил кабелей и обмоточных проводов, где важна гибкость и пластичность (не должна пружинить при изгибе), а не прочность. Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом. Поэтому она должна расходоваться весьма экономно. Отходы меди на электротехнических предприятиях необходимо тщательно собирать.

Алюминий является вторым по значению (после меди) проводниковым материалом. Это важнейший представитель так называемых легких металлов (т.е. металлов с плотностью менее 5 Мг/м3); плотность литого алюминия около 2,6, а прокатанного — 2,7 Мг/м3. Таким образом, алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди. Температурный коэффициент расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем меди. Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата теплоты, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.

Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойствами — как механическими, так и электрическими. При одинаковых сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода больше, чем медного, в 0,028: 0,0172=1,63 раза. Следовательно, чтобы получить алюминиевый провод такого же электрического сопротивления, как и медный, нужно взять его сечение в 1,63 раза большим, т.е. диаметр должен быть в » 1,3 раза больше диаметра медного провода. Отсюда понятно, что если ограничены габариты, то замена меди алюминием затруднена. Если же сравнить по массе два отрезка алюминиевого и медного проводов одной длины и одного и того же сопротивления, то окажется, что алюминиевый провод хотя и толще медного, но легче его приблизительно в два раза: 8,9/(2,7×1,63)»2.

Поэтому для изготовления проводов одной и той же проводимости при данной длине алюминий выгоднее меди в том случае, если тонна алюминия дороже тонны меди не более чем в два раза. Весьма важно, что алюминий менее дефицитен, чем медь.

ВОПРОС 16. Какие примеси являются донорами и акцепторами в примесных полупроводниках?

 Полупроводник, легированный донорной примесью, называют полупроводником электронного типа (n-типа) проводимости или электронным полупроводником.

Электронная проводимость появляется в результате легирования полупроводника элементами, имеющими большую валентность, чем валентность атомов из которых состоит полупроводник. Например, для Si и Ge, являющимися элементами 4 группы таблицы Менделеева, в качестве донорных примесей применяют элементы 5 группы, как правило это ₁₅P, ₃₅As, ₅₁Sb.

Замещая узлы кристаллической решетки полупроводника, атомы донорной примеси отдают часть своих валентных электронов для создания ковалентных связей с атомами основного вещества и участвуют в создании дополнительных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника.

Полупроводник, легированный акцепторной примесью, называют полупроводником дырочного типа (р-типа) проводимости или дырочным полупроводником.

Дырочная проводимость создается в результате легирования полупроводника элементами, имеющими меньшую валентность, чем валентность атомов, из которых состоит полупроводник.  Например, для Si и Ge, являющимися элементами четвертой группы таблицы Менделеева, в качестве акцепторных примесей применяют элементы третьей группы, как правило это ₅B, ₁₃Al, ₃₁Ga, ₄₉In.

Замещая узлы кристаллической решетки полупроводника, атомы акцепторной примеси захватывают валентный электрон от соседнего атома кремния для создания ковалентных связей с атомами основного вещества, превращаясь при этом в отрицательно заряженные ионы, и участвуют в создании дополнительных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника.

ВОПРОС 33. Приведите классификацию диэлектриков по их свойствам и областям применения.

По стабильности параметров.

Активные(параметры, которых можно регулировать, изменяя напряжённость электрического поля, температуру, механическое напряжение и др.).

Применение: для генерации и преобразования электрических сигналов.

Пассивные(параметры, которых не изменяются при воздействие различных факторов) – электроизоляционные.

Применение: для создания электрической изоляции токоведущих частей

По агрегатному состоянию.

Газообразные.

а) Воздух (Е_{пр.возд.}=3МВ/м, самый дешёвый).

Применение: в высоковольтных выключателях с давлением 2-12 МПа, ЛЭП.

б) Азот N₂(Е_пр.N2≈Е_{пр.возд.}, не окисляет другие материалы)

Применение: в газовых конденсаторах, в силовых трансформаторах газовая подушка.

в) Водород Н₂(Е_пр.Н2=0,59·Е_{пр.возд.}, высокая теплопроводность, взрывоопасен).

Применение: электроизоляционная и охлаждающая среда в мощных электрических машинах (турбогенераторы).

г) Гексафторид серы (элегаз) SF₆(Е_пр.SF2=2,5·Е_{пр.возд.}, не разлагается при нагревании до 800⁰С, химически стоек, не токсичен, высокая стоимость).

Применение: в высоковольтных выключателях, герметично закрытых распределительных устройствах, пожаробезопасных силовых трансформаторах.

д) Инертные газа: гелий He, неонNe, аргонAr, криптонKr, ксенонXe, радонRn.

Применение: добавляются к высокопрочным газам для повышения их дугогасительной способности.

Жидкие (повышают электрическую прочность, теплоотвод и дугогасящие св.).

Нефтяные масла(горят при 170⁰С, гигроскопичны, стареют).

а) Трансформаторное масло (малая вязкость).

Применение: для заливки реостатов, реакторов, маслонаполненных вводов, масляных выключателей, трансформаторов, и др.

б) Конденсаторное масло (меньшие электрические потери).

Применение: для пропитки бумажных и плёночных конденсаторов.

в) Кабельное масло (повышенная вязкость, пониженные электрические свойства).

Применение: в пропитки изоляции силовых кабелей.

Синтетические(наиболее химически и нагревостойкие).

а) Хлорированные углероды (трихлордефинил C₁₂H₁₀Cl₃, соволC₁₂H₅Cl₅, гексол 20%C₁₂H₉Cl₉, 80%C₄Cl₆– токсичны, негорючие, не гигроскопичны)

Применение: для пропитки конденсаторов, заливки трансформаторов.

б) Кремнийорганические соединения (полиметилсилоксановые (С₂Н₆OSi)_nПМСЖ, полиэтилсилоксановые ПЭСЖ, полиметилфенилсилоксановые ПМФСЖ жидкости – нетоксичны, большая стоимость).

Применение: в специальных конденсаторах, импульсных трансформаторах, блоках электронной аппаратуре.

в) Фторорганические соединения (фторметан CFH₃, фторхлорметан CFClH₂ трифторбромметан CF₃Br (фреоны, хладоны)– негорючие, при повышенных температурах разлагаются с выделением токсичных продуктов).

Применение: для пропитки и заливки конденсаторов и небольших трансформаторов, охладители в блоках электронного оборудования.

Твёрдые (самая большая группа).

Органические соединения, волокнистые материалы (бумага, ткани), минеральные материалы (слюда), стекло, керамика.

Применение: различные электроизоляционные детали и конструкции.

ВОПРОС 36. В чем сходство и различие магнитных свойств ферритов и ферромагнетиков?

Ферримагнетики имеют доменную структуру, состоящую из двух или более подрешеток, связанных антиферромагнитно (антипараллельно). Поскольку подрешетки образованы атомами (ионами) различных химических элементов или неодинаковым их количеством, они имеют различные по величине магнитные моменты, направленные антипараллельно. В результате появляется отличная от нуля разность магнитных моментов подрешеток, приводящая к спонтанному намагничиванию кристалла. Таким образом, ферримагнетики можно рассматривать как нескомпенсированные антиферромагнетики (у них магнитные моменты атомов не компенсированы). Свое название эти материалы получили от ферритов — первых некомпенсированных антиферромагнетиков, а магнетизм ферритов назвали ферримагнетизмом. У ферритов доменная структура, как и у ферромагнетиков, образуется при температурах ниже точки Кюри. К ферритам применимы все магнитные характеристики, введенные для ферромагнетиков. В отличие от ферромагнетиков, они имеют высокое значение удельного сопротивления, меньшую величину индукции насыщения, более сложную температурную зависимость индукции. Ферромагнетизм в металлах объясняется наличием обменного взаимодействия, которое образуется между соприкасающимися атомами, а также взаимной ориентацией спиновых магнитных моментов. В ферримагнетиках магнитные моменты ионов ориентированы антипараллельно, и обменное взаимодействие происходит не непосредственно, а через ион кислорода О2−. Такое обменное взаимодействие называют косвенным обменом или сверхобменом. Оно усиливается по мере приближения промежуточного угла от 0° к 180°.

ЗАДАЧА 2

Изоляционная конструкция высокого напряжения состоит из двух слоев изоляционного материалов.

Материал первого слоя имеет относительную диэлектрическую проницаемость ε_r1, удельное объемное сопротивление ρ_v1, удельное поверхностное сопротивление ρ_s1 тангенс угла диэлектрических потерь tg δ₁ и толщину h₁, материал второго слоя соответственно параметры ε_r2, ρ_v2, ρ_s2, h_2,tg δ₂. Изоляционная конструкция находится между двумя электродами прямоугольной формы длиной а и шириной b. К электродам прикладывается постоянное напряжение U.

Дано:

Длина а = 550 мм

Ширина b = 450 мм

Толщина h₁ = 2,0 мм

Толщина h₂ = 1,5 мм

Подводимое напряжение U = 1,9кВ

ε_r1 = 1,5

ε_r2 = 3,0

ρ_v1 = 1,5 *10¹³ Ом*м

ρ_v2 = 3,1 *10¹³ Ом*м

ρ_s1 = 2,5 *10¹² Ом*м

ρ_s2 = 6,2 *10¹² Ом*м

tg δ₁ = 1,2*10^-4

tg δ₂ = 2,2*10^-4

Решение:

1. Определим параметры R1, R2, C1, C2 схемы замещения

Найдем:

Rv1 = 3,5 *10¹³*1,4*10^-3/(0,25*0,15) = 0,17*10¹² Ом

Rs1 = 4,5 *10¹²*1,4*10^-3/(2*(0,25+0,15)) = 0,79*10¹⁰ Ом

R1 = Rv1* Rs1/(Rv1+ Rs1) = 0,17*10¹² *0,79*10¹⁰ /(0,17*10¹² + +0,79*10¹⁰) = 0,48*10¹⁰Ом

Rv2 = 7,2 *10¹³*1,0*10^-3/(0,25*0,15) = 0,192*10¹³Ом

Rs2 = 10 *10¹²*1,0*10^-3/(2*(0, 25+0,15)) = 0,125*10¹¹Ом

R2 = Rv2* Rs2/(Rv2+ Rs2) = 0,192*10¹³ * 0,125*10¹¹ /(0,192*10¹³ +0,125*10¹¹) =0,124*10¹¹Ом

Найдем электрическую емкость первого и второго слоя:

ε₀ = 8,85*10^-12 Ф/м

С1 = 8,85*10^-12*2,2*0,25*0,15/1,4*10^-3 = 5,215*10^-10 Ф

С2 = 8,85*10^-12*4,2*0,25*0,15/1,0*10^-3 = 1,39*10^-9 Ф

2. Определим установившийся сквозной ток утечки Iу при приложении к электродам постоянного напряжения U

Iу = 1300/(0,75 *10¹⁰ +0,124*10¹¹) = 6,53*10^-8А

3. Рассчитаем и начертим зависимость тока i, потребляемого от источника постоянного напряжения U от времени t после подключения его к изоляционной конструкции.

где τ - постоянная время заряда изоляции равна:

τ =0,75*10¹⁰*0,124*10¹¹*(5,215*10^-10+1,39*10^-9)/(0,75*10¹⁰ +0,124*10¹¹) =8,9 с

Зависимость тока i, потребляемого от источника постоянного напряжения U от времени t

При t=1

i=6,53*10^-8 +1300*(0,124*10¹¹*1,39*10^-9-0,75*10¹⁰ *5,215*10^-10)²/

((5,215*10^-10+1,39*10^-9)²*0,75*10¹⁰*0,124*10¹¹*(0,75*10¹⁰+0,124*10¹¹))*e-^1/8,9= 9,25*10^-8А

4. По известной зависимости ток от времени рассчитаем и начертим зависимость сопротивления R изоляционной конструкции от времени после приложения постоянного напряжения

При t=1

R = 1300/9,25*10^-8 = 1,4 *10¹⁰Ом

5. Определим значение напряжений на каждом слое в установившемся режиме

U1 = 1300*0,75*10¹⁰ /(0,75*10¹⁰ +0,124*10¹¹)= 490 В

U2 = 1300*0,124*10¹¹/(0,75*10¹⁰ +0,124*10¹¹)= 810 В

6. Рассчитаем значение заряда абсорбции на границе раздела двух слоев

Q1 = 490*5,25*10^-10= 2,57*10^-7 Кл

Q2 =810*1,39*10^-9= 1,126*10^-6 Кл

Qаб = 1,126*10^-6- 2,57*10^-7= 8,69*10^-7 Кл

7. Рассчитаем и построим зависимость напряжения саморазряда на каждом слое и на всей конструкции от времени после отключения напряжения

где - постоянные времени первого и второго слоя

τ1 = 0,75*10¹⁰ *5,215*10^-10=3,9c

τ2 =0,124*10¹¹*1,39*10^-9= 17,24c

При t=1

Uc1=490*e-^1/3,9 = 319,17 В

Uc2 = 810*e-^1/17,24 = 764,35 В

Uc = 319,17+764,35 = 1083,52 В

8. Рассчитаем диэлектрические потери при приложении к диэлектрику постоянного напряжения U и синусоидального напряжения с действующим напряжением U и частотой 50 Гц

w =2*3,14*50 = 314 c^-1

U_c1 = 1300*1,39*10^-9/(5,215*10^-10+1,39*10^-9) = 94,5 В

U_c2 = 1300*5,215*10^-10/(5,215*10^-10+1,39*10^-9)= 35,5 В

Р_≈=94,5²*314*5,215*10^-10*1,9*10^-4+35,5²*314*1,39*10^-9*2,9*10^-4 = =2,82*10^-7 Вт