ЕТМ_т_студ / ЕТМ_лк_pdf / ЕТМ_лк1-Введення

До напівпровідників відносяться матеріали із більш вузькою заборон-

ною зоною, яка може бути подолана електроном за рахунок зовнішніх енерге-

тичних впливів (освітленість, нагрівання та ін) (Рис. 1.5, б).

До провідникових відносяться матеріали у яких заборонна зона повніс-

тю відсутня, або валентна зона навіть перехрещується із вільною зоною.

3.4 Природа магнетизму матеріалів

Всі матеріали в природі, при внесенні їх в магнітне поле, володіють ма-

гнітними властивостями, які зумовлені внутрішніми формами руху електрич-

них зарядів.

Магнітне поле в речовині (матеріалі) створюють рухомі електричні за-

ряди (електрони). Рух електрона по орбіті навколо атомного ядра приводить до виникнення орбітального магнітного моменту. Рух електрона навколо своєї осі, який називається «спином електрона» приводить до виникнення спинового магнітного моменту. Орбітальний та спиновий магнітні моменти в сумі утво-

рюють магнітний момент атома.

Орбітальні магнітні моменти практично не приймають участі в явищі намагнічування. Елементарними носіями магнетизму є спинові магнітні моменти.

Так як електрони із правим і лівим обертанням мають різний напрям ма-

гнітних моментів, то сумарний магнітний момент атома може бути рівний нулю або відрізнятися від нього.

Матеріали із різною електронною структурою атомів мають різні магні-

тні властивості.

За магнітними властивостями матеріали розділяють на слабомагнітні

та на сильномагнітні.

До слабомагнітних відносяться:

–діамагнетики (kм < 0) – мідь, срібло, золото, свинець та ін.;

–парамагнетики (kм > 0) – алюміній, платина, титан та ін.;

–антиферомагнетики (kм > 0).

11

До сильномагнітних, які в подальшому ми будемо називати магнітни-

ми матеріалами, відносяться:

–феромагнетики (kм >> 1) – залізо, нікель, кобальт та їх сплави;

–феримагнетики (kм >> 1) – ферити (з’єднання окисів заліза із окиса-

ми інших металів.

3.5 Класифікація ЕТМ

Із сказанного вище слідує, що усі електротехнічні матеріали можна кла-

сифікувати (розділити) на декілька груп за цілим рядом критеріїв.

За поведінкою в електричному полі матеріали розділяють на діелект-

ричні, провідникові та напівпровідникові матеріали.

Діелектричні матеріали – це матеріали у яких, згідно до зонної теорії твердого тіла, в нормальних умовах електропровідність майже повністю відсу-

тня ( 10 -7 См/м). Характерною особливістю діелектриків є властивість по-

ляризуватися в електричному полі (зв’язані електричні заряди під впливом зов-

нішнього електричного поля зміщуються).

За призначенням діелектричні матеріали підрозділяються на електроі-

золяційні матеріали та активні діелектрики.

Електроізоляційними називаються такі матеріали, за допомогою яких здійснюється електрична ізоляція між струмопровідними частинами електроте-

хнічних виробів, які знаходяться під різними електричними потенціалами. У

конденсаторах вони використовуються для створення електричної ємності.

За хімічним складом електроізоляційні матеріали підрозділяють на

органічні (папір, картон, нафтові масла, рослинні олії, шовк, капрон та ін.) та

неорганічні (азбест, скло, слюда, кераміка).

За способом одержання – на натуральні (природні) та синтетичні

(штучні) діелектрики.

З точки зору електричного стану молекул діелектрики ділять на поля-

рні (епоксидні смоли, масляно-каніффольні компаунди, целюлоза) та неполярні

(парафін, полістирол, водень).

12

За агрегатним станом при температурі 20 0С електроізоляційні матері-

али підрозділяють на газоподібні, рідкі та тверді.

Із газоподібних діелектриків широко застосовують повітря (лінії елект-

ропередачі, безмасляні трансформатори, електродвигуни). У високовольтних кабелях під тиском застосовують азот. В конструкціях високовольтних апаратів використовують елегаз (шести фториста сірка). Також використовують водень,

фреон та інші гази.

Рідкі діелектрики діляться на природні та синтетичні. Природні: нафтові масла (трансформаторне, конденсаторне, кабельне), рослинні олії (лляна, рици-

нова та тунгова). Синтетичні: совол, совтол, кремнійорганічні та фторорганічні рідини.

Рідкі діелектрики застосовують в якості ізоляції, просочувального мате-

ріалу та складової частини ізоляційних лаків, а також їх використовують в яко-

сті середовища для охолодження силових трансформаторів та кабелів, та для надійного гасіння дуги в масляних вимикачах.

Тверді діелектрики класифікують за структурою, складом та областю застосування. Можна назвати такі основні групи твердих діелектриків: смоли

(бітум, бакеліт, гліфталі, епоксидні смоли) волокнисті (папір, дерево, фібра,

скловолокно, азбест); волокнисті текстильні матеріали (бавовняна пряжа, шовк,

лавсан, поліамід, полі акрил, капрон, поліетилен та ін.), шаруваті пластики (ге-

тинакс, текстоліт, склотекстоліт, азбоцемент); пластичні маси (фенопласти, по-

лівінілхлориди); еластомери (каучук, гума, ебоніт); матеріали на основі слюди

(міканіт, слюденіт, мікафолій); плівкова ізоляція (триацетатні, полістирольні,

поліамідні, поліетиленові плівки); скло; кераміка (фарфор).

Окремою групою виділяють матеріали, що твердіють. Ці матеріали у вихідному стані – рідини, але у процесі виготовлення ізоляції вони твердіють і в період експлуатації представляють собою тверді речовини – лаки, емалі та компаунди.

Провідниковими називають матеріали, основною властивістю котрих є спроможність по відношенню до інших матеріалів володіти великою питомою електропровідністю – 105 См/м.

13

Провідникові матеріали використовуються в електричних пристроях в якості провідників електричного струму (обмотки в електричних машинах і апаратах, контактні вузли, проводи і кабелі для передачі і розподілу електрич-

ної енергії).

За агрегатним станом провідникові матеріали розподіляють на тверді

(метали, сплави металів, електровугільні вироби, металокераміка), рідкі (елект-

роліти, розплави солей та металів) та газоподібні (іонізовані гази).

За значенням питомого електричного опору металеві провідникові матеріали розділяються на метали високої провідності (срібло, золото, мідь,

алюміній, олово, свинець) та на метали і сплави високого опору (вольфрам,

манганін, константан, ніхром, фехраль та ін.) Окремою групою виділяють кріо-

провідники та надпровідники.

Метали високої провідності використовують для виготовлення обмоток електричних машин та реле, струмопровідних жил проводів та кабелів, контак-

тів, плавких вставок запобіжників та ін.

Матеріали з високим електричним опором застосовують для виготов-

лення елементів нагрівачів, реостатів, точних приладів, термопар.

Електровугільні провідникові матеріали використовують для виготов-

лення електродів, контактних деталей, щіток електричних машин.

Напівпровідниковими називають електротехнічні матеріали, котрі за своєю електричною провідністю займають проміжне місце між електроізоля-

ційними і провідниковими матеріалами, від 10-8 до 106 См /м. Електропровід-

ність напівпровідників у значній мірі залежить від зовнішніх енергетичних впливів (освітленість, температура, напрямок проходження струму та ін.) та від наявності домішок. В залежності від цих факторів вони можуть виконувати роль електроізоляційних або провідникових матеріалів.

За хімічним складом напівпровідники діляться на прості та складні,

природні та синтетичні.

Напівпровідникові елементи використовують в підсилювачах, фотоперетворювачах, фоторезисторах, випрямлячах і т.д.

14

Найбільш відомі напівпровідникові матеріали – це селен (Se), германій (Ge), кремній (Si), телур (Тe), карбід кремнію (SiO) арсенід галію (GaAs), селенід цинку (ZnSe) та ін.

За поведінкою у магнітному полі усі матеріали розділяють на сильномагнітні (власне магнітні) та слабомагнітні матеріали.

Магнітні матеріали відрізняються спроможністю намагнічуватися у зовнішньому магнітному полі. Вироби із магнітних матеріалів слугують для створення, підсилення та концентрації магнітного поля.

Властивості магнітних матеріалів визначаються кривою намагнічування і петлею гістерезису.

За властивостями магнітні матеріали класифікують наступним чином:

–магнітом’які матеріали з високою магнітною проникністю і низькою коерцитивною силою (вузька петля гістерезису);

–магнітотверді матеріали з високою коерцитивною силою та високою залишковою індукцією (широка петля гістерезису);

–матеріали спеціального призначення (термомагнітні і магнітострик-

ційні матеріали, матеріали з прямою петлею гістерезису та ін.) Найбільше поширення серед магнітом’яких матеріалів отримали: елект-

ротехнічна кремниста сталь, текстурована кремниста сталь, технічно чисте залізо, пермалої, альсифер та ін.

Магнітом’які матеріали використовують для виготовлення магнітопроводів електричних машин та реле.

До магнітотвердих матеріалів відносяться: загартована вуглецева сталь, сплави альні, альніко, магніко, куніфе, куніко, магнітотверді ферити та ін.

Призначення магнітотвердих матеріалів – виготовлення постійних магнітів.

При виробництві та експлуатації електрообладнання також використовують конструкційні матеріали, охолоджуючі середовища, ущільнюючі речовини та різноманітні мастила.

15

Запитання для самоконтролю

1.Які матеріали називаються електротехнічними?

2.Із чого складаються речовини?

3.Які види зв’язків між атомами ви знаєте?

4.Що таке полярна та неполярна молекула?

5.Чим відрізняються кристалічні тіла від аморфних?

6.Які енергетичні зони утворюються в твердих тілах?

7.Як класифікуються електротехнічні матеріали за поведінкою в електричному полі?

8.Які матеріали відносяться до провідникових?

9.Які матеріали відносяться до напівпровідникових?

10.Які матеріали відносяться до діелектричних?

11.Як класифікуються матеріали за поведінкою в магнітному полі?

12.Чим оцінюється сила взаємодії речовин із магнітним полем?

13.Яка природа орбітального і спінового магнітних моментів?

14.Чим відрізняються сильно магнітні матеріали від слабомагнітних?

15.Що таке магнітна текстура матеріалу?

16.Область застосування діелектричних матеріалів.

17.Область застосування провідникових матеріалів.

18.Область застосування напівпровідникових матеріалів.

19.Область застосування магнітних матеріалів.

16