ЕТМ_т_студ / ЕТМ_лк_pdf / ЕТМ_лк1-Введення

Л е к ц і я 1

ВСТУП ДО КУРСУ «ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНІ МАТЕРІАЛИ»

План лекції.

1Зміст та порядок вивчення дисципліни “Електротехнічні матеріали”.

2Мета, задачі та місце дисципліни “Електротехнічні матеріали”.

3Електротехнічні матеріали (ЕТМ).

3.1Загальні відомості.

3.2Відомості про будову матеріалів.

3.3Зонна теорія електропровідності.

3.4Природа магнетизму матеріалів.

3.5Класифікація ЕТМ.

Література: 1. ст. 4-28; 2. ст. 26, 27, 76; 3. ст. 9-16; 4. ст. 5,6,51,65; 5. 82-87, 111113, 132,133,267; 6. ст. 90-96, 197, 224-226, 245-247; 7. 5-13, 47,48, 273,274.

1 Зміст та порядок вивчення дисципліни “Електротехнічні

матеріали”

Матеріал курсу складається із:

-лекційні заняття – 16 лекцій (32 годин);

-практичні заняття – 8 занять (16 годин);

Курс розбито на два змістовні модулі:

Змістовний модуль 1. Електроізоляційні матеріали.

Змістовний модуль 2. Провідникові, напівпровідникові та магнітні

матеріали.

1

2 Мета, задачі та місце дисципліни «Електротехнічні матеріали»

У сільськогосподарському виробництві застосовується велика кількість установок водопостачання та зрошення, агрегатів для сушіння та сортування зерна, цехів для приготування кормів, птахофабрик, ферм по відгодівлі свиней і великої рогатої худоби та багато інших підприємств із комплексною механіза-

цією.

Комплекси промислового типу забезпечені установками мікроклімату.

Для надійності електропостачання передбачено живлення їх від декількох тран-

сформаторних підстанцій, що приєднані до різних районів електричних мереж,

на комплексах встановлено сотні і навіть тисячі електродвигунів та багато різ-

номанітної пускозахисної апаратури та апаратури автоматики.

Експлуатація електрообладнання у сільському господарстві має наступ-

ні особливості:

-специфічні умови середовища та режиму роботи електрообладнання;

-сезонність використання електрообладнання;

-низька якість напруги живлення;

-значна віддаленість струмоприймачів один від одного;

-неукомплектованість обслуговуючим персоналом, низька кваліфікація;

-відсутність коштів на придбання нового обладнання і запасних частин.

Підвищення експлуатаційної надійності електрообладнання в сільсько-

му господарстві може бути забезпечено правильним вибором електрообладнан-

ня з урахуванням специфічних умов виробництва, а також правильним вибо-

ром і застосуванням електротехнічних матеріалів при виготовленні електро-

обладнання, його монтажі, експлуатації та ремонті, та застосування нових су-

часних електротехнічних матеріалів.

Мета даної дисципліни полягає у вивченні властивостей та області за-

стосування електротехнічних матеріалів, які використовуються при виготов-

ленні, монтажі, експлуатації та ремонті електротехнічного обладнання. Також дисципліна формує знання принципів та особливостей використання електро-

технічних матеріалів та вміння використовувати основні характеристики мате-

ріалів при виборі електротехнічного обладнання.

3

Основні задачі при вивченні курсу ЕТМ:

1.Розглянути теоретичні основи будови та фізико-хімічної природи електротехнічних матеріалів (ЕТМ), які визначають їх електричні,

магнітні, фізико-хімічні та механічні властивості.

2.Вивчити класифікацію ЕТМ за поведінкою в електричному та магні-

тному полі, за призначенням, за складом, за агрегатним станом, за походженням та за властивостями.

3.Вивчити основні електричні, магнітні, теплові, фізико-хімічні та ме-

ханічні властивості (характеристики) матеріалів, для їх оцінки при використанні в електричних та магнітних полях.

4.Одержати відомості про ізоляційні, провідникові, напівпровідникові та магнітні матеріали, які використовуються в електротехніці та енергети-

ці.

5.Вивчити маркування та область застосування основних електротех-

нічних матеріалів та виробів із них.

6.Навчитися використовувати основні властивості (характеристики)

електротехнічних матеріалів при виборі електротехнічного (енергети-

чного) обладнання.

3 Електротехнічні матеріали

3.1 Загальні відомості

Який би електричний апарат ми не розглядали, ми бачимо, що для його виготовлення, монтажу та експлуатації використовується цілий ряд матеріалів,

різних за своїми властивостями та призначенням.

Для прикладу розглянемо відому всім лампу розжарювання. Вона скла-

дається із наступних частин і матеріалів:

–колба лампи та арматура, на якій закріплене тіло розжарення вигото-

влені із скла – це електроізоляційний матеріал (діелектрик);

–тіло розжарення виконане у вигляді спіралі (біспіралі) із вольфрамо-

вого дроту – це провідниковий матеріал;

4

–цоколь лампи, контакти та провідники, що підводять струм до спіралі виготовлені із заліза, алюмінію та міді – це провідникові матеріали;

–колба лампи заповнена криптоном або галогенними газами, або там створюється вакуум – ізоляційні газоподібні матеріали.

Далі наведемо більш складний приклад використання електротехнічних матеріалів – розглянемо асинхронний електричний двигун із короткозамкненим ротором, що широко застосовується як на виробництві так і у побуті.

У загальному вигляді електродвигун складається із таких основних еле-

ментів (частин), які, в свою чергу, виготовлені із певних електротехнічних та конструкційних матеріалів:

–корпус двигуна виготовляється із сталі, чавуну, алюмінію, силуміну та інших матеріалів – це конструкційні матеріали;

–«залізо» статора і ротора (магнітопровод) виготовляють із спеціаль-

них електротехнічних сталей (леговані сталі) – це магнітні матеріали;

–в пази статора закладена обмотка із міді – це провідниковий матеріал;

–короткозамкнена обмотка ротора (стержні з’єднані по торцям кільця-

ми) виготовляється із алюмінію – це також провідниковий матеріал;

–один від одного та від корпусу витки обмоток захищені ізоляцією

(лак, емаль, лакотканина та ін.) – це діелектричні (електроізоляційні)

матеріали;

–в пазах статора обмотка фіксуються за допомогою клинів, виготовле-

них із дерева або із шаруватих пластиків – це також електроізоляційні матеріали;

–фланці, підшипники та вал електродвигуна виготовлені із сталі, спла-

вів алюмінію та інших матеріалів – це конструкційні матеріали;

–у зазорі між ротором та статором електродвигуна знаходиться повітря

– це газоподібний електроізоляційний матеріал.

Із наведених вище прикладів видно, що наведені електротехнічні мате-

ріали характеризуються різноманітними властивостями, завдяки яким їх і за-

стосовують в електротехнічних виробах. Від цих властивостей залежать проце-

5

си, що протікають в електротехнічних виробах, такі як генерація, передача, ро-

зподілення та перетворення електричної енергії.

Електротехнічними матеріалами називають матеріали, котрі харак-

теризуються певними властивостями по відношенню до електричного та магні-

тного полів і застосовуються в електротехніці з урахуванням цих властивостей для виготовлення вузлів електричних машин, апаратів та інших електротехніч-

них виробів.

Застосування цих матеріалів дозволяє одержати надійні електротехнічні вироби із високою стійкістю до впливів оточуючого середовища.

Для правильного вибору та ефективного використання електротехніч-

них матеріалів необхідно знати не лише їх властивості, але і причини їх різно-

манітності, які пов’язані із будовою речовин.

Речовина – це вид матерії, яка складається із елементарних частинок,

які мають масу спокою. В техніці замість поняття «речовина» використовують поняття «матеріал». Технічне значення матеріалів залежить від їх будови або структури.

Структура – це сукупність стійких зв’язків у матеріалі, які забезпечу-

ють його цілісність та зберігання основних властивостей при внутрішніх і зов-

нішніх змінах. Особливості матеріалів виражаються у їх властивостях.

Властивість – філософська категорія, яка відображує відмінність або спільність матеріалів та визначається при їх порівнянні. Зв’язок поміж структу-

рою (будовою) та властивостями є предметом вивчення матеріалознавства.

3.2 Відомості про будову матеріалів

Всі речовини складаються із атомів. Атом – найменша частка хімічного елементу, яка має його властивості. Атом в свою чергу складається із позитив-

но зарядженого ядра, навколо якого обертаються негативно заряджені електро-

ни. Електрони притягуються до ядра і відштовхуються один від одного.

Зовнішні електрони можуть відриватися від атому та приєднуватися до іншого атома, змінюючи при цьому кількість його зовнішніх електронів. Такі електрони називаються валентними.

6

Атом, який втратив один або декілька електронів стає позитивно заря-

дженим. Атом, який приєднав до себе вільні електрони стає негативно зарядже-

ним. Утворені таким чином частки називаються позитивними та негативними

іонами (катіонами та аніонами).

Із атомів будуються молекули. Молекула – це найменша частка речови-

ни, яка зберігає її хімічні властивості. До складу молекули може входити від двох до декількох тисяч атомів.

Зв’язки, завдяки яким відбувається об’єднання атомів називаються

хімічними, вони підрозділяються на ковалентні, іонні, молекулярні та

металічні.

Ковалентні (атомні) зв’язки виникають між атомами за рахунок утво-

рення між ними стійких пар валентних електронів.

- -

Рисунок 1.1 – Ковалентний (атомний) зв’язок в молекулі водню: а – ізольовані атоми; б – молекула із ковалентним зв’язком

Речовини із ковалентними зв’язками характеризуються твердістю, кри-

хкістю, тугоплавкістю та хімічною інертністю. До них відносяться кристали ге-

рманію, кремнію, алмазу, водень, кисень, азот, поліетилен, арсеніди галію та ін.

Іонні зв’язки обумовлені силами електростатичного тяжіння між пози-

тивними та негативними іонами.

Cl

Na

Рисунок 1.2 – Елементарна частка іонного кристалу NaCl

7

Речовини із іонними зв’язками мають меншу механічну міцність та хі-

мічну стійкість в порівнянні із речовинами із ковалентними зв’язками. До них відносяться неорганічні діелектрики, більшість солей, деякі оксиди (ZnO, CdO, NiO та ін.).

Молекулярні зв’язки утворюються між окремими молекулами внаслідок електростатичного тяжіння між зарядами протилежних знаків, які є в молекулах.

До речовин із молекулярними зв’язками відносяться вода, поліетилен,

фторопласт та ін. (Рис. 1.3).

а б

Рисунок 1.3 – Схеми молекул: а – поліетилену ; б – полівінілхлориду

Металічні зв’язки утворюються в металах і обумовлені особливостями поведінки зовнішніх (валентних) електронів. Атоми металів мають здатність віддавати валентні електрони, перетворюючись при цьому в позитивний іон,

або приєднувати їх знову, перетворюючись в нейтральний атом.

Метал представляє собою систему, що складається із позитивних іонів,

які знаходяться в середовищі колективізованих електронів.

Метали виділяються монолітністю, пластичністю та значною міцністю.

Завдяки наявності великої кількості вільних електронів вони мають високу еле-

ктропровідність.

Речовини із упорядкованим закономірним розташуванням атомів або молекул називаються кристалічними, а речовини із хаотичним розташуванням атомів або молекул – аморфними.

Нанокристалічними матеріалами називають матеріали із розміром кристалів (зерен) менше 100 нм. Такі матеріали значно відрізняються за власти-

востями від матеріалів із дрібнозернистою структурою (розмір зерен – не біль-

ше 5…10 мкм) такого ж хімічного складу.

8

3.3 Зонна теорія електропровідності

Всі речовини в залежності від їх електричних властивостей відносять до провідників, напівпровідників та діелектриків. Різницю між провідниками, на-

півпровідниками та діелектриками найбільш наочно можна пояснити за допо-

могою енергетичних діаграм зонної теорії твердого тіла (Рис. 1.4). Суть даної теорії полягає в наступному.

В ізольованому атомі електрони обертаються навколо ядра на певних орбі-

тах. Кожній орбіті відповідає певне значення енергії, яку може мати електрон,

тобто кожна орбіта являє собою певний енергетичний рівень (Рис. 1.4, 1).

W

∆Wc

W2

∆W

W1

∆Wv

Рисунок 1.4 – Діаграма енергетичних рівнів: 1 – ізольованого атома; 2 –

твердого тіла: W – енергія електрона; W1 – нижній енергетичний рівень;

W2 вільний енергетичний рівень; Wс – зона провідності (вільна зона);

W – заборонена зона; Wv – валентна зона

9

Під впливом тяжіння позитивно зарядженого ядра атома електрони на-

магаються зайняти найближчі до ядра рівні із мінімальним значенням енергії.

Нижні енергетичні рівні виявляються заповненими електронами, а верхні – ві-

льними. Електрон може стрибкоподібно перейти із нижнього енергетичного рі-

вня на інший вільний рівень. Для цього електрону необхідно надати додаткову енергію.

При утворенні кристалічної решітки твердого тіла всі електронні рівні

(як заповнені так і незаповнені), які є у даного типу атомів дещо зміщуються внаслідок впливу сусідніх атомів один на одного. Таким чином із окремих ене-

ргетичних рівнів в твердому тілі утворюється цілі смуги – зони енергетичних рівнів, або енергетичні зони (Рис. 1.4, 2).

Зона яка заповнена електронами називається валентною зоною ( Wv).

Вільна зона називається зоною провідності ( Wс). Зона між валентною та віль-

ною зонами називається заборонною зоною ( W).

До діелектриків відносяться такі речовини або матеріали у яких забо-

ронна зона настільки велика, що електронної провідності у звичайних умовах у них не спостерігається (Рис. 1.5, а).

Wс

Wv

а б в

Рисунок 1.5 – Енергетичні зони:

а – в ізоляторі; б – в напівпровіднику; в – в провіднику.

10