Материаловедение для электриков в вопросах и ответах. Учебное пособие

1.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА

Все вещества в конечном итоге состоят из элементарных частиц, среди которых в первую очередь следует упомянуть электроны, про-

тоны, нейтроны и образованные ими ионы, атомы и молекулы. Сту-

денты-электрики должны твердо знать, что и эти простейшие образования и вещество в целом своими свойствами обязаны закону Кулона, определяющему взаимодействие между заряженными частицами (частицами, обладающими таким свойством, как электрический заряд). Силы закона Кулона и образуют связи в веществе, определяющие все свойства материала. Виды связей могут быть самыми разнообразными, но наиболее типичными и распространенными являются четыре из них, представленные ниже.

Металлическая, обусловленная большой концентрацией свободных электронов, образующих «электронный газ», в котором на определенных расстояниях друг от друга (в узлах кристаллической решетки) удерживаются положительные ионы. Примеры материалов: металлы, сплавы.

Ковалентная, обусловленная «обобществлением» электронов двумя или несколькими атомами. Примеры материалов: водород¸ хлор, алмаз.

Ионная, обусловленная передачей валентных электронов одного атома другому и образованием вследствие этого положительного и отрицательного ионов, взаимоудерживаемых электростатическими силами. Примеры материалов: поваренная соль, щелочи, кислоты.

Межмолекулярная (Ван-дер-Ваальса), определяемая взаимодей-

ствием поляризованных молекул или мгновенных молекулярных диполей. Примеры материалов: сжиженные газы, полимеры

1. Назовите четыре основных вида химической связи

2. Ч т о т а к о е энергия связи?

3. Какие в и д ы строения твердых тел вы знаете?

Кроме этого существует большое число разновидностей и промежуточных видов связи, обладающих признаками двух или более из указанных. Пример: водородная связь, объясняемая слабой связью между протоном и электроном в атоме водорода, в результате чего электрон смещается к близко расположенному электроотрицательному (с большим сродством к электрону) атому. Следствием является связь атомов и молекул между собой. Примеры материалов: вода.

Наиболее общей характеристикой взаимодействия (связи) является энергия связи. Энергия связи равна работе, необходимой для разрыва этой связи и разнесения взаимодействующих частиц на такое расстояние, при котором их взаимодействием можно пренебречь.

Ориентировочные значения энергии связи:

для металлической связи …………(1…4)105 Дж/моль ковалентной связи …………………10 6 Дж/моль ионной связи ………………………. 10 6 Дж/моль межмолекулярной связи …………...10 3 Дж/моль.

Вид химической связи оказывает определяющее влияние на различные свойства вещества. При металлической связи большое число и «обобществленность» свободных электронов обусловливают высокую

электропроводность и теплопроводность металлов, отражение ими электромагнитного поля (блеск и непрозрачность), пластичность.

При ковалентной связи наблюдается, как правило, большая механическая прочность материалов (алмаз).

Материалы с ионной связью в большинстве случаев хорошо растворяются в воде, молекулы которой представляют собой диполи, и, взаимодействуя с ионами, разделяют их (сольватация); для таких материалов характерно проявление хрупкости.

Межмолекулярные (Ван-дер-Ваальса) связи проявляются в слабой механической прочности, отсутствии определенной температуры плавления, сложности и многообразии строения материала.

Наибольшее значение вид и характер химических связей имеют в твердых телах. В первую очередь они обусловливают строение твердого тела. Можно выделить три типа характерного строения твердых тел.

Аморфное – характеризуется наличием ближнего и отсутствием дальнего порядка в строении, изотропией свойств и отсутствием точки плавления.

Кристаллическое – характеризуется периодической повторяемостью строения в трех измерениях (многомерный дальний порядок), наличием точки плавления и (в большинстве случаев) анизотропией свойств.

6

8. Назовите две модели проводимости композиционных материалов

Матричная модель, содержащая два компонента: матрицу, которая характеризуется непрерывностью в строении, и наполнитель, дискретно заполняющий объем материала, не занятый матрицей.

Значение обобщенной проводимости для матричной смеси определяется выражением

в котором м и 1 – обобщенные проводимости матричной фазы и

наполнителя; 1 – объемная доля наполнителя (в долях единицы). Статистическая смесь – модель материала, два компонента кото-

рого в отношении структуры проводимости равноправны.

В статистической смеси значение обобщенной проводимости рассчитывается по выражению

где

А (3 1 1) 1 (3 2 1) 2 , 4

а σ1 и σ2 – обобщенные проводимости, ν1 и ν2 – объемные доли первого и второго компонентов материала.

Выбор той или иной модели для расчета зависит от структуры материала.

1.2. ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

Тепловые свойства материалов определяют теплообмен и нагрев электротехнических изделий и конструкций. О нагреве мы судим по температуре тела.

Температура – это характеристика равновесного состояния вещества. В равновесных условиях температура технического диапазона пропорциональна средней кинетической энергии частиц тела. Абсолютная температура – эта мера кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа.

При определенных температурах могут скачком изменяться параметры или фазовое состояние вещества. Такие температуры можно назвать характерными температурными точками.

9. Определите понятие « температура»

Температуры: парообразования (кипения), плавления, текучести, каплепадания, вспышки паров, Дебая, Кюри, Неля,

длительная рабочая и т. д.

Повышение температуры связано с повышением кинетической энергии колебательного движения частиц. Количество энергии, необходимое для этого, определяется теплоемкостью тела.

Удельная теплоемкость – это количество энергии (теплоты), необходимое для повышения температуры единицы массы на 1 К. Размер-

Другим важным для электротехнических и электроэнергетических устройств тепловым параметром материала является его способность «проводить тепло» через себя. Это свойство называется теплопровод-

ностью.

10. Назовите несколько харак- т е р н ы х температурных точек материалов

11. Определите понятие «удельная теплоемкость»

13. Определ ите понятие «температурный коэ ффи - циент»

При изменении температуры все параметры материала так или иначе изменяются. Универсальной величиной, определяющей температурные изменения, является температурный коэффициент.

Температурный коэффициент любого параметра а, ТКа – это значение относительного изменения этого параметра, определяемого при увеличении (изменении) температуры на 1 К:

ТКа 1а Та .

Независимо от размерности параметра (удельное сопротивление,

длина и т. д.) размерность температурного коэффициента всегда одинакова – [К–1].

1.3. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

ность» иназовитевеличины, определяющие еечисленно

риала. Для численного определения электропроводности вводятся величины: «удельное электрическое сопротивление» ρ и «удельная электрическая проводимость» γ.

1 .