42

ЛЕКЦИЯ 4,5

Основные характеристики материалов механические характеристики

Основными механическими характеристиками материалов являются:

- разрушающее напряжение при сжатии σ_с;

- разрушающее напряжение при растяжении σ_р:

- разрушающее напряжение при статическом изгибе σ_и;

- ударная вязкость а.

Все эти механические характеристики в основном определяют конструкционную прочность деталей машин и приборов по отношению к действию механических нагрузок в процессе эксплуатации.

Разрушающее напряжение при сжатии σ_с ,(при испытании материалов эту характеристику называют пределом прочности при сжатии) определяют на специальных образцах, имеющих форму цилиндра или куба.

σ_с = P_c/S_o МПа,

где Р_С- разрушающее усилие при сжатии стандартного образца.

Разрушающее напряжение при растяжении σ_р (при испытании материалов эту характеристику называют пределом прочности или временным сопротивлением материала при растяжении.

σ_р ⁼ P_p/F_o МПа,

где Р_р - разрушающее усилие при разрыве стандартного образца.

Данную характеристику определяют на специальных разрывных

машинах на стандартных образцах такой формы, при которой обеспечивается равномерное распределение растягивающего усилия по площади сечения образца в его средней части.

Разрушающее напряжение при статическом изгибе σ_и (при испытании

материалов эту характеристику называют пределом прочности при статическом изгибе).

σ_и =1,5P_иL/ bh ; σ_и=Wmax/ W,

где Wmax -максимальный изгибающий момент (Wmax = Pmax L/4).

W=b²h/ 6 (для прямоугольного сечения).

W = 3,14d³/32 (для образца круглого сечения).

Ударная вязкость «а» определяется как отношение работы А, затраченной маятником испытательной машины (копра) на разрушение специального образца, к площади его поперечного сечения Fo.

а=A/Fo (Дж/м²)

Чем меньше ударная вязкость, тем более хрупок материал. Ударная вязкость определяется в результате динамических испытаний материалов при однократном нагружении.

Разрушающие напряжения при сжатии растяжении и статическом изгибе определяются в результате испытаний материалов при статическом однократном нагружении.

Наряду с рассмотренными характеристиками и видами испытаний материалов существуют и другие характеристики и соответствующие им специальные виды испытаний: циклические испытания, специальные испытания на жаростойкость, коррозионостойкость, износостойкость, вибростойкость и др., которые позволяют определить функциональные и

эксплуатационные характеристики рассматриваемых материалов. Более подробно закономерности, определяющие строение и свойства материалов в зависимости от их состава и условий обработки рассматриваются в спецдисциплине «Материаловедение».

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ.

Основным свойством вещества по отношению к электрическому полю является электропроводностьт.е. способность проводить электрический ток под воздействием постоянного (не изменяющегося во времени) электрического напряжения. Любой электротехнический материал- проводник, полупроводник и даже диэлектрик - проводит электрический ток.

Если вещество находится в электрическом поле с напряжен­ностью Е, то имеющиеся в веществе свободные заряженные частицы - носители зарядов - под действием силы F=qЕ, где q-заряд части­цы, приобретают ускорение в направлении вектора Е (для носите­лей, имеющих положительный заряд "+q") или в противоположном направлении (для носителей с отрицательным зарядом "-q"). Возникающее та­ким образом упорядоченное в пространстве (в отличие от хаотичес­кого теплового) движение электрических зарядов и есть электричес­кий ток в веществе.

Для оценки степени электропроводности того или иного мате­риала необходимо определить его удельное электрическое сопротив­ление ρ

ρ=R S/L;

где R -общее электрическое сопротивление образца, Ом;

L -длина пути тока в образце материала, м;

S -площадь сечения образца материала, через которую про­текают токи проводимости, м².

Величина, обратная сопротивлению, называется электрической проводимостью.

γ= 1/ρ.

Проводимость измеряется в сименсах, в честь немецкого физика Сименса.

Удельная проводимость и удельное сопротивление определяют плотность тока в веществе при заданной напряженности электрического поля, т.е. количественно характеризуют явление электропровод­ности.

Значения их у различных электротехнического материалов резко отличаются. У веществ в сверхпроводящем состоянии удельное сопро­тивление равно нулю, а у разреженных газов, при отсутствии в них электрического разряда стремится к бесконечности.

Удельное сопротивление металлических проводников очень мало (10^-8...10^-б Ом м), что указывает на большую электрическую прово­димость проводниковых материалов. Удельное сопротивление полупро­водниковых материалов(полупроводников) больше, чем проводников (10^-4...10⁸ Ом м),а диэлектриков еще больше (10⁸...10¹⁸ Ом м).

Большое удельное сопротивление диэлектриков указывает на их весьма малую проводимость.

Однако, при классификации веществ по электрическим свойствам (проводники, полупроводники, диэлектрики), кроме значения ρ необ­ходимо учитывать и физическую природу электропроводности, в част­ности, вид свободных носителей заряда и характер зависимости ρ от температуры. Необходимо также иметь ввиду, что в зависимости от структуры и внешних условий порядок значений ρ вещества может различаться весьма существенно. Так, углерод в аллотропической мо­дификации графита - проводник, а в модификации алмаза - диэлект­рик; твердые и жидкие металлы - проводники, но пары металлов - диэ­лектрики; типичные (для нормальных условий) полупроводники герма­ний Ge и кремний Si при воздействии очень высоких

гидростатичес­ких давлений становятся проводниками, а ^- при воздействии

очень низких температур - диэлектриками.

Зависимость удельного электрического сопротивления проводников, полупроводников и диэлектриков от температуры может быть представлена графически (рис.1).

Рис. 1. Зависимость ρ от температуры.

Температурный коэффициент удельного сопротивления ТКρ.

Эта характеристика позволяет оценить изменение удельного электрического сопротивления материала при изменении температу­ры. При линейном изменении удельного сопротивления (в узком диа­пазоне температур)

TK_ρ(α)=(p₂-p₁)/ [p₁(t₂-t₁)];

здесь: ρ₁ и ρ₂-удельные электрические сопротивления матери­ала при начальной t₁ и температуре t₂. Kaк видно из рисунка 1,ТК_ρ проводников больше нуля, что указывает на рост электри­ческого сопротивления проводников с повышением температуры. У по­лупроводников и диэлектриков ТК_ρ меньше нуля, что указывает на уменьшение сопротивления этих материалов с повышением температу­ры.

Диэлектрическая проницаемость ε_r.

Эта характеристика позволяет определить способность диэ­лектрика при нанесении на него электродов и подаче напряжения образовывать электрическую емкость.

Электрическая ёмкость “C” плоского конденсатора с двумя металлическими электродами прямопропоциональна диэлектрической проницаемости, т.е.

C=ε_{o *}ε_r* S/h,

где: - h -толщина диэлектрика, м;

- S -площадь одного металлического электрода, м²;

- ε_o-электрическая постоянная (ε_o=8,85416* 10^-12Ф/м);

- ε_r-диэлектрическая проницаемость.

Диэлектрическая проницаемость электроизоляционных материа­лов зависит от интенсивности процессов поляризации, протекающих в диэлектриках под действием приложенного напряжения.

Различают четыре основных вида поляризации диэлектриков: электронную, дипольную, ионную и спонтанную. Более подробно эти виды будут рассмотрены при рассмотрении свойств диэлектриков.

Диэлектрическая проницаемость зависит от температуры. График зависимости ε_r = f (Т) проставлен на рис.2.

Рис.2. Зависимость ε_r от Т .

Поскольку в неполярных диэлектриках происходит только электронная поляризация, их диэлектрическая проницаемость невели­ка (1-2,2).В полярных диэлектриках интенсивность поляризации больше, чем в нейтральных, так как в них осуществляется два вида поляризации: дипольная и электронная, поэтому величина ε составля­ет порядка 3-8.

Следует отметить, что диэлектрическая проницаемость электроизоляционных материалов изменяется не только от температуры, но и

от частоты приложенного напряжения, давления, влажности и др. факторов.

Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ.

При воздействии электрического поля на любое вещество в последнем наблюдается рассеяние некоторого количества электри­ческой энергии, превращающейся в тепловую. Обычно говорят о "поте­рях", имея в виду среднюю за некоторый промежуток времени рассеи­ваемую электрическую мощность.

Если к обрезку металлического проводника подключить посто­янное напряжение или переменное, действующее значение которого равно постоянному, то потери энергии в том и другом случае будут одинаковы, т.е. Р ₌=Р _~ .

Если же такой опыт провести с диэлектриком, то потери энер­гии в нем при переменном напряжении будут во много раз больше потерь энергии при постоянном напряжении, т. e.P_~»P₌. Потери энергии в диэлектрике называются диэлектрическими потерями (активная мощность). В диэлектрике, помещенном в переменное синусоидальное электрическое поле с напряженностью Е и угловой частотой ω воз­никают электрические токи двух видов: ток смещения I_см и ток проводимости I_пр. Плотность тока смещения

I_см=j*ω*ε₀*ε*E.

плотность тока проводимости

I_пр=γ_аЕ.

где γ_а- удельная активная проводимость диэлектрика на угло­вой частоте ω.

Плотность общего тока равна векторной сумме плотностей то­ков смещения и проводимости (рис.3).

Рис.3. Векторная диаграмма токов в диэлектрике

на комп­лексной плоскости.

Если бы диэлектрик был идеальным, т.е. без потерь (γ_а = 0), то был бы чисто реактивным и его плотность

I = I_cм= j*ωε₀εЕ

была бы направлена по мнимой оси под углом 90° к вектору Е. Однако, у реальных диэлектриков с удельной активной проводи­мостью на частоте ω отличной от нуля, суммарный ток сдвинут на угол δ = 90°-φ относительно тока идеального диэлектрика (φ-угол сдвига фаз между током и напряжением).

Чем больше удельная активная проводимость диэлектрика, тем больше угол δ, характеризующий степень отличия реального диэлект­рика от идеального. Угол δ между векторами плотностей переменного тока диэлектрика и тока смещения на комплексной плоскости называют углом диэлектрических потерь. Тангенс этого угла

tgδ = I_np/I_cм = γ_a/ωε_oε является одним из важнейших параметров не только диэлектри­ков, но, также конденсаторов, изоляторов и других электроизоляционных элементов.

Мощность, рассеиваемая в единице объема вещества, так называ­емые удельные диэлектрические потери определятся как:

P=γ_a•E²= ω*ε₀* ε*Е² tgδ (Вт/м³).

Чем выше tgδ ,тем больше нагрев диэлектрика в электрическом поле заданной частоты и напряженности.

Введение безразмерного параметра tgδ удобно потому, что он не зависит от формы и размеров участка изоляции, а определяется лишь свойствами диэлектрического материала. Полные диэлектрические потери в диэлектрике с емкостью С (активная мощность, теряемая в диэлектрике) при приложении напряжения U с угловой частотой ω= 2πf, где f-частота, Гц, определится по формуле:

P_a=U^2*πf*C*tgδ,

таким образом, tgδ определяет потери в диэлектриках.

Наряду с потерями tgδ характеризует добротность конденсато­ров и, следовательно, максимальную добротность контура с данным конденсатором (Q=l/tgδ).

Высокие диэлектрические потери приводят к разогреву и теп­ловому пробою диэлектриков в сильном электрическом поле, снижению добротности и избирательности колебательных контуров. В связи с этим стремятся снизить tgδ диэлектрических материалов, что воз­можно, если известны природа диэлектрических потерь.

Следует различать механизм диэлектрических потерь на электропроводность от релаксационных потерь резонансных и ионизационных. Тот или иной механизм потери мощности в диэлектрике зависит как от состава диэлектрика, так и от параметров внешнего электри­ческого поля, на него воздействующего.

В условиях размещения диэлектрика в электрическом поле не очень высокой напряженности физические явления, происходящие в нем при этом, практически оставляют диэлектрик непроводящей сре­дой.

Однако силы электрического поля при соответствующем увеличе­нии напряженности могут привести к нарушению такого состояния. В результате диэлектрик из непроводящего состояния перейдет в сос­тояние высокой проводимости в узком канале, направленном от электрода к электроду. Явление образования в диэлектрике проводя­щего канала под действием электрического поля называют пробоем.

Минимальное приложенное к образцу диэлектрика напряжение, приводящее к его пробою, называют пробивным напряжением U_пр. Напряженность однородного поля (поля, в котором напряженность во всех точках одинакова) при котором происходит пробой-разруше­ние диэлектрика с образованием в нем сквозного канала с очень большой проводимостью - называют электрической прочностью диэлект­рика, которую рассчитывают по формуле:

E_np= U_np/h (В/м),

где U_np-пробивное напряжение;

h- толщина диэлектрика в месте пробоя. В виду того, что диэлектрики пробиваются при очень больших напряжениях (тысячи вольт), значение электрической прочности вы­ражают в мегавольтах на метр толщины материала в месте пробоя (МВ/м).

Вольт-амперная характеристика образца диэлектрика или электрической изоляции линейна при обычных напряжениях и откло­няется от линейной с приближением к пробивному напряжению, а в мо­мент пробоя ток через диэлектрик резко возрастает, так что dI/dU→∞(рис. 4).

Рис. 4. ВАХ образца диэлектрика.

В месте пробоя возникает искра или электрическая дуга. Вследствие образо­вания плазменного сильно проводящего канала между электродами образец ока­зывается короткозамкнутым, и напряже­ние на нем падает несмотря на рост тока.

Номинальное напряжение электрической изоляции должно быть меньше пробивного напряжения. Величину, равную отношению пробивно­го напряжения к номинальному напряжению, называют коэффициентом запаса электрической прочности.

Значение U_np диэлектрика непосредственно связано со време­нем приложения напряжения. Так при кратковременных импульсах про­бой происходит при больших напряжениях, чем в случае постоянного или длительного приложения переменного напряжения. Продолжитель­ное воздействие электрического поля высокой напряженности приво­дит к необратимым процессам в диэлектрике, в результате которых его пробивное напряжение снижается т.е. происходит его электрическое старение. Вследствие такого старения срок службы изоляции ограничен.