13. Диэлектрические потери. Потери в постоянном поле

Диэлектрические потери — та часть энергии электрического поля, которая рассеивается в диэлектрике в виде тепла и приводит его нагреву. В результате электроизоляционная конструкция постепенно теряет свои свойства, и может утратить тепловую устойчивость, вследствие чего произойдет тепловой пробой. В постоянном электрическом поле рассеиваемая мощность обусловлена только током электронной проводимости и определяется с помощью закона Джоуля – Ленца. . где U — постоянное напряжение; R_из - сопротивление изоляции, измеряемое на постоянном напряжении. Таким образом, при постоянном напряжении потери обусловлены только направленным движением свободных носителей заряда: ионы и более крупные коллоидные частицы — молионы (в случае загрязненных жидкостей).

13. Проводники. Общие сведения и классификация.

Проводники – материалы, имеющие свободные заряды, которые могут перемещаться в объеме проводника под действием сколь угодно малого внешнего электрического поля. Из ста химических элементов (№ 1 — № 100) таблицы Д. И. Менделеева при нормальных условиях около восьмидесяти являются проводниками. Проводники преимущественно находятся в левой части таблицы, 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. Жидкие проводники — расплавы и электролиты. электропроводности проводники подразделяются на: проводники с высокой электропроводностью (ρ_{20 °С} менее 5·10^{- 8} Ом·м); проводники с высоким удельным электрическим сопротивлением (10^{- 6} менее ρ_{20 °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 Т_с, где Т_с много меньше 20 °C). Различают проводники первого и второго рода. У проводников первого рода носители электрического заряда — электроны, у проводников второго рода — ионы.

13. Проводниковые материалы. Применение в технике.

К проводникам с высокой электропроводностью относятся элементы, у которых ρ_{20 °С} меньше 5·10^{- 8} Ом·м. Это — серебро, медь, золото и алюминий (проводники указаны в порядке увеличения удельного сопротивления и уменьшения электропроводности). 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. Материалы с высокой электропроводностью (ρ_{20 °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. 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).

13. Твердые неорганические диэлектрики. Классификация.

Как уже отмечалось, органические материалы содержат углерод и, как правило, водород, также в их составе могут быть атомы кислорода, азота, брома, йода и других элементов. Все остальные материалы неорганические. Неорганические диэлектрики классифицируют по происхождению, по химическому составу и по агрегатному состоянию. Природные неорганические диэлектрики подразделяются на: слюду, асбест и кварц. Слюда представляет собой слоистый минерал, по химическому составу — водный алюмосиликат. Асбест — волокнистый водный магниевый силикат (3MgO • 2SiO₂ • 2H₂O). Кварц —SiO₂. По происхождению: минеральные (Минеральные породы Земной кары) искусственные (продукты переработки мин.пород, слюдосодержащие км, стекло, керамика, ситаллы. ) По химическому составу: Оксиды металлов, например, оксид магния (MgO) и оксид алюминия (Al₂O₃), а также их механические и химические смеси. Нитриды бора (NB), алюминия (NAl) и кремния (N₄Si₃). Углерод в модификации алмаза. По агрегатному состоянию: газы (чистые, неионизированные): азот, кислород, водород; жидкости: жидкие газы (гелий, азот, кислород, водород и т. д.) и расплавы некоторых оксидов, например, SiO₂.; твердые материалы: слюда, керамика, стекло, ситаллы. К достоинствам неорганических диэлектриков относятся: высокая температура плавления: (температура плавления SiO₂ – Т_плSiO2 =1728 °C; температура плавления Al₂O₃ – Т_{плAl O2 3} =2040 °C; температура плавления MgO – Т_плMgO = 2800 °C); высокая стойкость к окислению; высокая стойкость к радиации; высокая химическая стойкость; высокая стойкость к воде и газам; высокая механическая прочность; более высокая теплопроводность по сравнению с органическими диэлектриками; более высокая длительная электрическая прочность. В меньшей степени подвержены электрическому старению; недефицитность. Недостатками неорганических диэлектриков являются: дорогостоящая, сложная и энергоемкая технология изготовления, требующая высоких температур (более 1000 °С), высоких давлений (более 100 МПа) и громоздкого оборудования (печи, пресса, мельницы); сложная технология обработки изделий из-за высокой твердости неорганических материалов (твердость Al₂O₃ — 9,5 баллов) и хрупкости; отсутствие гибкости (эластичности) у изделий с массивными размерами. При микроразмерах неорганические диэлектрики могут быть эластичными, примером может служить оптоволокно (диаметр 4÷100 мкм), изготовленное из стекла; низкая ударная вязкость — стойкость к механическим ударам; низкое сопротивление тепловому удару — стойкость материала к резкому изменению температуры; высокая плотность. Плотность органических диэлектриков порядка 0,8÷1,2 г/см³. Плотность неорганических диэлектриков порядка 3,0÷10,0 г/см³