реферат мат / мат3

Общие сведения об электротехнических материалах.

Электротехническими называют материалы, характеризуемые определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике с учётом этих свойств.

Различные материалы подвергаются воздействиям как отдельно электрических и магнитных полей, так и их совокупности. Электротехнические материалы в магнитном поле подразделяются на сильномагнитные и слабомагнитные, а в электрическом поле на проводниковые, диэлектрические и полупроводниковые.

Проводниковые свойства проявляют твёрдые тела и жидкости, а при соответствующих условиях - газы.

В электротехнике из твёрдых проводников наиболее широко используются металлы и их сплавы, различные модификации проводящего углерода и композиции на их основе.

Металлические проводниковые материалы подразделяются на материалы высокой проводимости и сплавы с высоким сопротивлением. Металлы высокой проводимости используются в тех случаях, когда необходимо обеспечить минимальные потери передаваемой по ним электрической энергии, а сплавы с высоким сопротивлением наоборот, в тех случаях, когда необходима трансформация электрической энергии в тепловую.

К жидким проводникам относятся расплавы и электролиты.

Газы и парообразные вещества становятся проводниками лишь в определенных диапазонах значений давления, температуры и напряженности электрического поля. Близка к газам по своему агрегатному состоянию особая проводящая среда – плазма. К группе проводящих материалов относятся сверхпроводники.

Полупроводники по составу делятся на неорганические и органические, а по характеру электропроводности – на электронные и ионные. По структуре различаются кристаллические и аморфные полупроводники.

Диэлектрические материалы, к которым относятся и электроизоляционные материалы делятся в зависимости от агрегатного состояния на газообразные, жидкие и твёрдые. Большинство из них относится к твёрдым, которые делятся на природные и синтетические, а также на органические и неорганические. По размерам молекул органические электроизоляционные материалы делятся на низко- и высокомолекулярные.

Магнитные материалы по физическим свойствам делятся на ферромагнитные и ферримагнитные, а по применению – на магнитотвёрдые и магнитомягкие. Последнее деление условно, и некоторые материалы в зависимости от способа обработки могут иметь характер магнитомягких и магнитотвёрдых. Среди магнитомягких материалов выделяются группы со специальными свойствами, например с прямоугольной петлёй гистерезиса, постоянной магнитной проницаемостью и т.п. Ферромагнитные материалы различают иногда по типу кристаллической структуры

Диэлектрические материалы. Диэлектрическими материалами называют класс электротехнических материалов, предназначенных для использования их диэлектрических свойств (большое сопротивление прохождения электрического тока и способность поляризоваться).

По химическому составу их разделяют на органические, представляющие собой соединения углерода с водородом, азотом, кислородом и другими элементами; элементоорганические, в молекулы которых входят атомы кремния, магния, алюминия, титана, железа и других элементов; неорганические, не содержащие в своём составе углерода.

По агрегатному состоянию диэлектрические материалы разделяются на газообразные, жидкие и твёрдые. По происхождению различают диэлектрические материалы природные, которые могут быть использованы без химической переработки, искусственные, изготавливаемые химической переработкой природного сырья, и синтетические, получаемые в ходе химического синтеза.

Произведение __r=, называется абсолютной диэлектрической проницаемостью.

Электропроводность диэлектрика характеризуют: удельной объёмной и поверхностной _S проводимостью или удельным объёмным и поверхностным _S сопротивлением.

Электрическая прочность E_ПР=U_ПР/H

H – расстояние между электродами толщина изоляции, м.

Электрический пробой – это процесс в результате которого диэлектрик разрушается силами, действующими в электрическом поле на электрические заряды его атомов, ионов или молекул.

Электротепловой пробой обусловлен прогрессивно нарастающим выделением теплоты в диэлектрике под действием диэлектрических потерь или электропроводности.

Электрохимический пробой обусловлен медленными изменениями химического состава и структуры диэлектрика, которые развиваются под действием электрического поля или частичных разрядов в диэлектрике или в окружающей диэлектрик среде.

Электромеханический пробой наблюдается в полимерных диэлектриках при таких температурах, при которых они находятся в высокоэластичном состоянии. Происходит механическое сдавливание диэлектрика уменьшение его толщины.

Электротермомеханический пробой является разновидностью электротеплового пробоя и наблюдается в хрупких диэлектриках.

Ионизационный пробой возникает в результате действия на диэлектрик частичных разрядов в газовых порах.

Полупроводниковые материалы.Полупроводники по удельному сопротивлению занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Полупроводники обладают рядом характерных только для них свойств, резко отличающихся от проводников:

1. В большом интервале температур их удельное сопротивление уменьшается, то есть они имеют отрицательный температурный коэффициент удельного сопротивления.

2. При введении в полупроводник малого количества примесей их удельное сопротивление резко изменяется.

3. Полупроводники чувствительны к различного рода внешним воздействиям – свету, ядерному излучению, электрическому и магнитному полям, давлению и т. д.

К простым полупроводникам относятся германий, кремний, селен, теллур, бор, углерод, фосфор, сера, сурьма, мышьяк, йод.

Полупроводниковыми свойствами обладает целый ряд материалов – природных и синтетических, органических и неорганических, простых и сложных по химическому составу.

Удельная электрическая проводимость полупроводника, обусловленная дырками

- это подвижность дырок, м²/(В*с)

p – это концентрация дырок валентной зоны, м^-3

q – это заряд электронов, Кл.

Изменение удельной проводимости полупроводников при определённом виде деформации характеризуют тензочувствительность.

Которая представляет собой отношение относительного изменения удельного сопротивления к относительной деформации в данном направлении.

Фотопроводимость полупроводника определяется как разность удельной электропроводности при освещении и в темноте:

Темновая электропроводность:

Электропроводность полупроводника при действии на него света:

Проводниковые материалы. Проводниками называются вещества, внутри которых в случае электростатического равновесия электрическое поле равно нулю, то есть нескомпенсированные заряды проводников локализуются в бесконечно тонком поверхностном слое, а если электрическое поле отлично от нуля, то в проводнике возникает электрический ток.

В качестве проводниковых материалов могут использоваться твёрдые тела, жидкости и газы. Среди твёрдых проводниковых материалов наиболее часто в электротехнике применяются металлы и сплавы.

К жидким проводникам относятся, как правило расплавленные металлы и различные электролиты. К электролитам относятся растворы кислот, щелочей и солей.

Удельное сопротивление проводника (Ом*мм²/м) с сопротивлением R сечением S и длиной l:

Удельное сопротивление сплавов определяется в основном наличием примесей и нарушением структуры входящих в них металлов.

Изменение удельного сопротивления принято характеризовать температурным коэффициентом удельного сопротивления TK .

Данные материалы обладают высокой проводимостью из за наличия значительного количества свободных электронов которая выражается в См/м и может быть определена по формуле:

q – заряд электронов;

- Число свободных электронов в единице объёма металла;

- Средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами решётки;

m – масса электрона.

- Средняя скорость теплового движения свободного электрона.

Магнитные материалы. Любо вещество помещённое в магнитное поле приобретает магнитный момент. В соответствии с магнитными свойствами все материалы делятся на диамагнитные, парамагнитные, ферромагнитные, антиферромагнитные и ферримагнитные.

Ферромагнитные вещества содержат атомы обладающие магнитным моментом, однако расстояние между ними не так велико как в парамагнетиках. Между атомами возникает взаимодействие которое называется обменным.

Парамагнитные вещества отличаются тем что состоят из атомов с не полностью заполненными оболочками, то есть обладающих магнитными моментами.

К диамагнитным веществам относятся инертные газы, водород, медь, цинк, свинец.

Антиферромагнетиками называют материалы, в которых во время обменного взаимодействия соседних атомов происходит антипараллельная ориентация их магнитных моментов.

Диа-, пара- и антиферромагнитные вещества относятся к слабомагнитным, ферро- и ферримагнитные вещества являются сильно магнитными. В качестве магнитных материалов техническое применение в электротехнике находят ферро- и ферримагнитные вещества.

К ферромагнетикам относят вещества, в которых обменное взаимодействие осуществляется не непосредственно между магнитоактивными атомами, а через немагнитный ион кислорода. Такое взаимодействие называют косвенным обменным или сверх обменным.

К характеристикам магнитных материалов относятся:

1. Магнитная проницаемость характеризует способность материала намагничиваться; показывает, во сколько раз магнитная индукция поля, созданного в данном материале, больше, чем в вакууме.

Кроме относительной магнитной проницаемости в электротехнике пользуются так же абсолютной магнитной проницаемостью _А, имеющей размерность Гн/м, а так же другими её видами. Значения и _А Определяются из соотношения:

_А=₀*=В/Н

2. Магнитострикция это явление намагничивания ферромагнитных материалов, сопровождающееся изменением их линейных размеров. Количественно магнитострикцию характеризуют величиной _S

 Магнитострикция обратима: механическая деформация материала вызывает изменение состояния его намагниченности. Прямой и обратный магнитострикционные эффекты широко применяют в приборостроении.

3. Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном поле связан с потерями части мощности магнитного поля. Эту мощность, поглощаемую единицей массы магнитного материала и рассеиваемую в виде тепла, называют удельными магнитными потерями Р, которые, в свою очередь, складываются из потерь на гистерезис и динамические потери. Динамические потери вызываются прежде всего вихревыми токами и частично магнитным последействием (магнитной вязкостью).

Потери на гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимым перемещением доменных границ.

Потери на вихревые токи обусловлены электрическими токами, которые индуцируют в материале магнитный поток.

Потери, вызванные магнитным после действием (магнитной вязкостью) это свойство магнитных материалов проявлять зависимость запаздывания изменения индукции, происходящее под действием изменяющегося магнитного поля, от длительности воздействия этого поля.

Список использованной литературы.

1. Материаловедение и технологии конструкционных материалов: Учеб. для вузов/ С. Н. Колесов, И. С. Колесов. – М.: Высш. шк., 2004 – 519 с.

2. Технология конструкционных материалов: Учебное пособие для вузов/ Под редакцией М. А. Шатерина. – СПБ: Политехника, 2005 – 597 с.

3. Материаловедение / Ю. С. Козлов.

4. Электротехнические и конструкционные материалы: Учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования/ В. Н. Бородулин, А. С. Воробьёв, В. М. Матюнин и др.; Под ред. В. А. Филикова. – М.: Мастерство: Высшая школа, 2000. – 280 с.