ИЭ / Экзамен / Учебное пособие ЭТМ

Материалы, используемые как армирующие: оксид алюминия, асбест, карбонат и силикат кальция, продукты целлюлозного производства, хлопок в различных формах, стекловолокно, слюда кварц и т. д.

Связующие компоненты

В качестве связующих используются термопластичные и термореактивные смолы. Смолы — условное название большой группы сложных органических веществ (преимущественно высокомолекулярных) различного происхождения с рядом общих физических свойств. К таким свойствам, например, относится отсутствие у смолы резко выраженной температуры плавления. При низких температурах они аморфные, относительно хрупкие вещества, при первичном нагреве 30 – 50 ° С постепенно размягчаются, становятся пластичными, а затем жидкими.

Как правило, смолы не растворяются в воде, но растворяются в ряде органических растворителей. Не гигроскопичны. При выделении из раствора они образуют пленки.

Смолы применяются как основа лаков и компаундов, клеев, пластичных масс, пленок, волокон и т. д.

По происхождению различают следующие виды смол: природные смолы (янтарь, канифоль растительного происхож-

дения, шеллак — животного происхождения). Они имеют сложный углеводородный состав, слабополярны и используются для изготовления лаков;

синтетические смолы (полимеры, являющиеся продуктами переработки каменного угля, нефти и природного газа). Эти смолы более дешевые и качественные, чем природные.

По химической природе смолы делятся на два типа: полимеризационные и поликонденсационные.

Полимеризационные смолы. Основные представители: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиметилметакрилат и др. Эти смолы обладают высокой механической прочностью из-за большой длины линейных молекул, поэтому они используются без наполнителей в чистом виде (пленки, пластмассы).

113

Поликонденсационные смолы. Основные представители: фенолформальдегидные, эпоксидные, глифталевые, кремнийорганические и т. д. Данный вид смол подразделяются на смолы с линейно укрупненными молекулами и смолы с объемно укрупненными молекулами.

Смолы с линейно укрупненными молекулами имеют высокую механическую прочность, поэтому применяются как самостоятельные диэлектрики, например полиэтилентерефталат (ПЭТФ или лавсан).

Смолы с объемно укрупненными молекулами обладают повышенной нагревостойкостью, но они хрупки, поэтому их применяют с наполнителями, повышающими механическую прочность.

Слоистые пластики

Слоистые пластики — материалы, изготовленные средствами прессования и термообработки волокнистых наполнителей, предварительно пропитанных или лакированных термореактивным связующим. Это полимерные материалы, армированные параллельно расположенными слоями наполнителя, что определяет анизотропию их свойств.

Эти материалы применяются в электрических машинах, аппаратах, трансформаторах и приборах. Типичными представителями слоистых пластиков являются гетинакс и текстолит.

Гетинакс — листовой слоистый прессованный материал, изготовленный из двух и более слоев бумаги, пропитанной фенолформальдегидным связующим. Это сильно полярный диэлектрик. Электрическая прочность гетинакса Епр = 30 кВ/мм, относительная диэлектрическая проницаемость ε = 6 – 7, tgδ = (4 – 8)·10 - 2 при частоте

10 МГц.

Гетинакс обладает анизотропией свойств. Его электрическая прочность вдоль слоев ниже в 5 – 8 раз, чем поперек слоев, а удельное объемное электрическое сопротивление ρv вдоль слоев в 50 – 100 раз ниже, чем поперек.

Текстолит — слоистый материал аналогичный гетинаксу, но изготовленный из пропитанной и горячепрессованной ткани.

114

Свойства текстолита на основе хлопчатобумажной ткани по влагостойкости хуже, чем у гетинакса, но механическая прочность, особенно, на удар и истирание значительно выше.

Стеклотекстолиты на основе стеклоткани с эпоксидным или кремнийорганическим связующим обладают максимальными нагревостойкостью, влагостойкостью и механической прочностью.

Композиционные материалы на основе слюды

Композитные материалы, изготовленные на основе щипаной слюды, состоят из частичек слюды и полимерного связующего. Существует три вида таких композиций: миканит, микалента и микафолий. Названия этих материалов произошли от английского слова

«mica» — слюда.

Широкое распространение получили слюдяные бумаги. От традиционной бумаги они отличаются только составом. Слюдяная бумага так же, как и целлюлозная, отливается из пульпы (частички слюды в жидкости, как правило, в воде) на бумагоделательных машинах. Важнейший процесс при изготовлении слюдяных бумаг — процесс измельчения слюды. В зависимости от применяемого метода измельчения получают слюдинитовую либо слюдопластовую бумагу. При производстве слюдинитовой бумаги для расщепления применяется термохимический метод. При производстве слюдопластовой бумаги используется механический способ измельчения на многовалковом прокатном станке. В обоих случаях требуется дальнейшее расщепление слюды с помощью гидравлических методов. В качестве сырья для слюдобумаг используют отходы слюдяных заводов: для слюдинитовой бумаги — мусковит, для слюдопластовой — флогопит и мусковит.

Слюдинитовая и слюдопластовая бумаги — полуфабрикаты. Из них изготавливают различные изоляционные материалы, такие как слюдинит, слюдопласт.

Бумаги вытесняют КМ на основе щипаной слюды, так как они более дешевые и менее трудоемки в изготовлении. Из этих бумаг изготавливают широкую гамму различных материалов.

115

5.ПРОВОДНИКИ

5.1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОВОДНИКОВ

По химическому составу проводники подразделяются на четыре группы.

Химические элементы. Из ста химических элементов (№ 1 — № 100) таблицы Д. И. Менделеева при нормальных условиях около восьмидесяти являются проводниками. Типичные представители:

1 группа таблицы Д. И. Менделеева: Li, Na, K, Rb,Cs…; 2 группа таблицы Д. И. Менделеева: Be, Mg, Са, Zn…; 3 группа таблицы Д. И. Менделеева: Al, Sc, Y…;

………

8 группа таблицы Д. И. Менделеева: Fe, Ni, Co, Os, Pt…. Проводники преимущественно находятся в левой части табли-

цы, полупроводники в средней, а диэлектрики в правой части. Сплавы — латунь, бронза, дюралюминий и другие. Проводящие модификации углерода — графит, фуллерены

и др.;

Плазма — частично или полностью ионизированный газ.

По агрегатному составу проводники могут быть твердыми и жидкими. Газообразных проводников, состоящих из неионизированных газов, не существует.

При нормальных условиях подавляющее большинство химических элементов, являющихся проводниками, твердые вещества (кроме ртути).

Жидкие проводники — расплавы и электролиты.

По электропроводности проводники подразделяются на: проводники с высокой электропроводностью (ρ20 ° С менее

5·10- 8 Ом·м);

116

проводники с высоким удельным электрическим сопротивлением (10- 6 менее ρ20 ° С более 10- 5 Ом·м);

криопроводники (ρ менее 10 - 8 Ом·м при Т менее 80 К; при Т менее 80 К зависимость ρ от температуры — слабая);

сверхпроводники (ρ = 0 при Т менее Тс, где Тс много меньше

20 °C).

Различают проводники первого и второго рода. У проводников первого рода носители электрического заряда — электроны, у проводников второго рода — ионы.

Наиболее широко представлены проводники первого рода, т. е. с электронным типом проводимости. Проводники второго рода менее распространены, но тоже широко используются в технике. В частности, с помощью электролиза получают металлы с высокой степенью чистоты.

Классификация и применение проводников первого рода представлена на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Классификация проводников первого рода

Материалы с высокой электропроводностью (ρ20 ° С менее 5·10-8 Ом·м) применяются, в частности, для изготовления: монтажных проводов; кабелей; линий электропередачи; накопителей энергии; обмоток электромагнитов; интегральных схем; CD- и DVD-дисков.

Криопроводники применяются в электрических машинах при температуре меньшей, чем 80 К.

117

Сверхпроводники применяются при криогенных температурах в радиоэлектронике; термоядерных реакторах; ускорителях элементарных частиц; электрических кабелях.

Металлы и сплавы различного назначения — проводники, для которых главными являются не электрические, а другие свойства, такие как: теплофизические, механические, радиационные, конструкционные и др.

Проводники с высоким удельным сопротивлением применяются для изготовления: резисторов; нагревательных приборов; термопар.

Проводящие модификации углерода применяются для скользящих и вращающихся контактов в электрических машинах и в электротранспорте, для высокотемпературных электродов и др.

Низкотемпературная плазма (5 – 10 тысяч ° С) применяется в технологических процессах, таких как: резка металлов, сварка, изготовление отверстий и др.

Высокотемпературная плазма (108 ° С) применяется в термоядерных реакторах с магнитным удержанием плазмы (ИТЕР).

5.2.СВОЙСТВА ПРОВОДНИКОВ

5.2.1.Электропроводность

Вклассической физике электропроводность проводников определяется следующей формулой:

на между соседними соударениями; m — масса электрона; VT — тепловая хаотическая скорость движения электрона, постоянная при данной температуре:

118

В квантовой физике электропроводность определяется форму-

лой:

где к — численный коэффициент; остальные обозначения те же, что и в формуле (5.1), вытекающей из представлений классической физики.

Таким образом, электропроводность проводников пропорциональна длине свободного пробега (λ), которая, в свою очередь, обратно пропорциональна температуре. Следовательно, электропроводность обратно пропорциональна температуре (удельное сопротивление (ρ), наоборот, прямо пропорционально температуре). Зависимости γ(Т) и ρ(Т) приведены на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Зависимости удельной электропроводности (γ) и удельного сопротивления (ρ) от температуры в проводнике

Схема движения электрона в проводнике представлена на

Рис. 5.3. Условная схема движения электрона в проводнике, находящимся в поле Е

119

Движению электронов, в первом приближении, препятствуют две причины (рис. 5.4):

электрон взаимодействует с фононами (электронно-фононное взаимодействие);

дефекты кристаллической решетки (примесные ионы, ионные вакансии, ионы в междоузлии, дислокации и другие нарушения периодичности кристаллической решетки).

Электроны, сталкиваясь с фононами или дефектами, «тормозятся» и отдают часть своей энергии, нагревая тело — это, так называемое, Джоулево тепло. Когда электроны сталкиваются с фононами и дефектами, появляется электрическое сопротивление проводника.

Рис. 5.4. Приближенная схема движения электронов в проводнике, содержащим дефекты, в электрическом поле и температуре более 0 К

В 1862 году А. Маттиссен предложил эмпирическую формулу:

При этом ρт = ƒ( Т) и ρост = ƒ( дефектов). При Т равной 0 К, величина ρт равна нулю, в то время как ρост больше нуля.

Из электронной теории металлов следует, что: ρт ~ Т5 при Т < θD и ρт ~ Т при Т > θD,

где ρт — тепловое сопротивление, обусловленное электроннофононным взаимодействием; θD — температура Дебая, характеристическая температура, при достижении которой, в веществе

120

возбуждаются все возможные частоты колебаний узлов кристаллической решетки (возбуждается весь спектр возможных частот). Для большинства проводников численное значение θD находится в области температур менее 500 K. Исключение составляет бериллий и углерод, температуры Дебая, которых превышают 1000 К.

С учетом изложенного график зависимости ρ = ƒ( Т), например, для меди имеет вид, представленный на рис. 5.5.

θD = 343 К; Тпл = 1083 ° С

Рис. 5.5. Температурная зависимость удельного сопротивления меди

Обычно Δρ ≈ 2 – 2,4 ( ΔρCu = 2,4), но для Hg Δρ = Δρмах = 2,74.

В большинстве случаев плотность (d) твердых тел больше плотности жидкостей и, следовательно, объем (V) твердого тела меньше, чем жидкости. Однако, для таких материалов, как висмут (Bi), сурьма (Sb) и германий (Ge), соотношение плотностей обратное (dжидк более dтв, а Vжидк менее Vтв). В этом случае ρ жидкой фазы с ростом Т уменьшается (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Зависимость ρ = ƒ( Т) для Bi, Sb и Ge

121

Зависимость ρ = ƒ( Т) для нормального проводника и сверхпроводника представлена на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Зависимость ρ = ƒ( Т) для нормального проводника и сверхпроводника (СП)

5.2.2. Температурный коэффициент удельного

электрического сопротивления

Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления (ТКρ) характеризует изменение сопротивления (∆ρ) при изменении температуры (∆Т). Величина ТКρ измеряется в ° С- 1 или К- 1.

где ρТ2 = ρ при Т = Т2, ρТ1 = ρ при Т = Т1, причем Т2 больше Т1. Среднее значение температурного коэффициента удельного

электрического сопротивления для проводников αρ = 4·10- 3 К- 1.

5.2.3.Термоэлектродвижущая сила

Вэлектрической цепи, составленной из двух различных проводников, контакты которых находятся при различных температурах, возникает термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС) (рис. 5.8).

Причины возникновения термо-ЭДС:

1. Разность в работе выхода электронов в проводниках;

2. Различие концентраций квазисвободных электронов в соединенных проводниках.

122