Электротехнические и конструктивные материалы

Медицинский каталог контрольно измерительное оборудование www.davkar.net.
Лекции по сопромату
Деформации и перемещения
при кручении валов

Расчет цилиндрических витых пружин

Графика
Инженерная графика
Система конструкторской
документации
Начертательная геометрия
Практикум по решению задач
Геометрические основы
построения чертежа
Черчение

Каталог графических примеров

метод проецирования
комплексные чертежи
геометрических фигур

Комплексные чертежи линий
Комплексные чертежи кривых
линий
Комплексные чертежи
поверхностей

Многогранные поверхности.
Многогранники

Кривые поверхности
Линейчатые поверхности
Неразвертывающиеся (косые)
линейчатые поверхности

Поверхности вращения
Каналовые и циклические
поверхности

способы преобразования
комплексного чертежа

позиционные задачи
метрические задачи
комплексные задачи
построение разверток
поверхностей

прямые и плоскости,
касательные к кривой
поверхности
Лекции по истории искусства
Эволюция авангардизма
Лекции по информатике
Информационные технологии
Компьютерная алгебра
Лекции и задачи по физике
Энергосбережение в энергетике
Физика Примеры решения задач
Ядерная физика
Масса ядра
Атомные ядра
Магнитный дипольный момент
Альфа-распад
Бета-распад
Гипотеза нейтрино
Гамма-излучение
Распад протонов
Открытие c-кварка
Квантовая электродинамика
Физика элементарных частиц
преобразования Лоренца
Волновая функция
Фундаментальные частицы
Лептонные числа
Развитие ядерной физики
Естественная радиоактивность
Воздействие радиации на человека
Электротехнические и
конструктивные материалы
композиционные диэлектрики
Решение задач по по
электротехнике
Подвижность носителей заряда
виды поляризации
Ионная поляризация
Явление сверхпроводимости
Магнитотвердые материалы
Магнитомягкие ферриты
Диамагнетики
Диэлектрические потери
Жидкие диэлектрики
Термореактивные полимеры
Диэлектрические материалы
Электропроводящие полимеры
Протекание тока в проводниках
Физика задачи
Магнитные свойства
Электромагнетизм
Закон Ома
Магнитный момент
Интерференция света.
Дифракция света
Излучение лазера
Направление напряженности поля
Математика
Числовой ряд
Типовые задачи
Функциональные ряды
Степенные ряды
Знакопеременные ряды
функции комплексной переменной
Ряд Фурье

Дифференцирование ФКП

Интеграл ФКП

Разложение ФКП в ряд Лорана

Вычет ФКП в особой точке

Операционное исчисление

Преобразования Лапласа

Интеграл Фурье

Уравнение прямой на плоскости

Задача о колебании струны

Метод неопределенных
коэффициентов

Полупроводниковые материалы

Германий. Один из наиболее хорошо изученных полупроводников Теллур - элемент группы Менделееева с шириной запрещенной зоны 0.35 эВ. С точки зрения применения в электротехнике к важнейшим относятся эффекты выпрямления, усиления (транзисторный эффект), Холла, Ганна, фотоэлектрический, термоэлектрический. В каждом полупроводнике носители имеют некоторое среднее время жизни , так как генерируемые носители заряда могут рекомбинировать, встречаясь между собой и с различными дефектами решетки.

Подвижность носителей заряда в полупроводниках зависит от температуры, так как тепловое хаотическое колебание частиц мешает упорядоченному движению. Для собственного полупроводника концентрация свободных носителей заряда в зависимости от температуры определяется выражением Характер этой зависимости в полулогарифмических координатах показан на рисунке . В области собственной проводимости удельная продимость полупроводника зависит от температуры согласно выражению Полупроводники при комнатной температуре занимают по удельному сопротивлению , имеющему значения 10-6 - 109 Ом . м, промежуточное положение между металлами и диэлектриками. По ширине запрещенной зоны к полупроводникам относят вещества, ширина запрещенной зоны которых лежит в диапазоне 0.1 - 3.0 эВ. Свободными носителями заряда в полупроводниках как правило, являются электроны, возникающие в результате ионизации атомов самого полупроводника (собственная проводимость) или атома примеси (примесная проводимость). В некоторых полупроводниках носителями заряда могут быть ионы.

Диэлектрики

На практике часто используются неоднородные композиционные диэлектрики, представляющие собой смеси двух или более различных веществ - компонентов смеси. Характер температурной зависимости диэлектрической проницаемости диэлектриков с различными видами поляризаций часто определяют с помощью температурного коэффициента диэлектрической проницаемости Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в диэлектриках с ионным типом химических связей, например в неорганических стеклах, имеющих неплотную упаковку ионов. Слабо связанные ионы вещества под действием приложенного электрического поля среди хаотических тепловых перебросов получают избыточные перебросы в направлении поля, и смещаются на расстояния, существенно превышающие величину смещения ионов при упругой ионной поляризации. Релаксационные (замедленные) виды поляризации - проявляются в газах, жидкостях и твердых диэлектриках в том случае, если они состоят из полярных молекул, диполей или молекул, имеющих отдельные радикалы или части (сегменты), обладающие собственными электрическими моментами Ионная поляризация - наблюдается в веществах с ионной химической связью и проявляется в смещении друг относительно друга разноименно заряженных ионов Ионные соединения представляют собой твердые неорганические диэлектрики с ионным типом химической связи. Для этой группы соединений характерны, кроме электронной, ионная и электронно-релаксационная поляризации. Для практических расчетов заряда и емкости, когда наряду с системой СИ используются единицы системы СГСЭ, оказываются полезны соотношения между единицами в разных системах и дольными единицами Рассмотрим электрический конденсатор, изготовленный из плоских параллельных пластин площадью S (м2), расстояние между которыми d (м). Приложим к пластинам (электродам) конденсатора электрическое напряжение U и рассмотрим два случая Поляризацией называется состояние вещества, при котором элементарный объем диэлектрика приобретает электрический момент.

Проводники

В начале 1987г. появились сообщения о разработке керамического материала со структурой YBa2Cu3O7 , в котором сверхпроводящее состояние наступает при 93К в поле с Вкр=5.7Тл. Явление сверхпроводимости открыто в 1911 г. Камерлинг-Оннесом, обнаружившем, что ртуть, охлажденная до температуры жидкого гелия (4.4К), полностью теряет электрическое сопротивление. Позднее было установлено, что сверхпроводимость возможна в олове, свинце и других металлах. К настоящему времени известно 35 металлов и более тысячи сплавов и химических соединений различных элементов, обладающих сверхпроводимостью. Перспективы применения сверхпроводников достаточно четко были отражены в статье "Новые сверхпроводники: перспективы применеия" Сверхпроводники 1-го рода могут существовать в сверхпроводящем или нормальном состоянии, а сверхпроводники 2-го рода в одном из трех состояний - в сверхпроводящем, смешанном или нормальном. Сверхпроводящие вихри окружают сердцевины с нормальной проводимостью. Металлические сплавы обычно представляют механическую смесь исходных металлов, твердый раствор или химические (интерметаллические) соединения. Отношение коэффициента теплопроводности [MET8B] к удельной проводимости металла выражается законом Видемана - Франца - Лоренца Манганины - сплавы на медной основе, содержащие около 85% Cu , 12% Mn , 3% Ni. Из проводниковых материалов - твердых тел, жидкостей и газов в электротехнике наиболее часто применяют металлы и сплавы. Серебро - один из наиболее дефицитных матералов, достаточно широко применяемый в электротехнике и электронике для высокочастотных кабелей, защиты медных проводников от окисления, для электродов некоторых типов керамических и слюдяных конденсаторов в электрических контактах, где оно используется в сплавах с медью, никелем или кадмием, в припоях ПСр-10, ПСр-25 и др.

Магнитные материалы

Магнитотвердые материалы применяются в основном для изготовления постоянных магнитов многих устройств в электро- и радиотехнике, автоматике, приборостроении, электронике.

Магнитомягкие ферриты - химические соединения окисла железа Fe2O3 с окислами других металлов. Наиболее широко применяются ферриты со структурой шпинели, отвечающими формуле MeFe2O4, где Me - какой-либо двухвалентный катион. Пермаллои- железоникелевые сплавы с высокой проницаемостью в слабых полях. По составу выделяют низконикелевые (40-50% Ni) и высоконикелевые (72-80 %Ni)). Магнитомягкие материалы способны намагничиваться до насыщения в слабых полях, обладают высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями на перемагничивание. Условно к магнитомягким относят материалы с Нс>800 А/м. Технически чистое железо (низкоуглеродистая электротехническая сталь) содержит менее 0.05% углерода и минимальное количество примесей других элементов. Получается прямым восстановлением чистых руд, а также с применением электролитического или карбонильного процессов. Материалы с цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД), применяемые для изготовления запоминающих устройств (ЗУ). Емкость отдельного устройства (чипа) на ЦМД может составлять 105 бит. Чем меньше Нс, тем выше быстродействие ЦМД-устройства. Обычно Нс должна быть не больше 10 А/м. Электротехнические стали - сплавы железа с 0.5-5% кремния, которые образуют с железом твердый раствор. Электрические свойства магнитных материалов

Каждый реальный магнитный материал разделен по всему объему на множество замкнутых областей - доменов, в каждом из которых самопроизвольная намагниченность однородна и направлена по одной из осей легкой намагниченности. Возникновение магнитных свойств у ферромагнетиков связано с их доменным строением. Домены - это области самопроизвольной намагниченности, возникающие даже в отсутствие внешнего магнитного поля, в которых магнитные моменты атомов ориентированы параллельно. Намагниченность любого вещества в магнитном поле J можно определить как отношение суммарного магнитного момента M материала к единичному объему V: Диамагнетики - вещества, в которых в "чистом" виде проявляется диамагнитный эффект, являющийся результатом воздействия внешнего магнитного поля на молекулярные токи. В переменных полях площадь петли гистерезиса увеличивается за счет потерь на гистерезис Рг, потерь на вихревые токи Рв и дополнительных потерь Рд. Такая петля называется динамической, а суммарные потери полными или суммарными. В технике используется несколько десятков видов магнитной проницаемости в зависимости от конкретных применений магнитного материала. Если образец был размагничен, то зависимость индукции от напряженности внешнего магнитного поля называется кривой намагничивания.

Диэлектрические потери неполярных полимеров при тщательной очистке их от остатков мономеров, катализаторов, стабилизаторов невелики, поэтому они находят применение в качестве высокочастотных диэлектриков Диэлектрические потери - та часть энергии электрического поля, которая рассеивается в диэлектрике в виде тепла. Нагрев диэлектрика в постоянном электрическом поле зависит от значений удельных объемного и поверхностного сопротивлений (или удельной проводимости) РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ - обусловливаются поляризацией диэлектриков. Вызываются активными составляющими абсорбционных токов замедленных поляризаций. Зависимость tg[Delta] от частоты для релаксационных поляризаций имеет наибольшую физическую ясность для вязких полярных жидкостей, в которых дипольные молекулы могут сравнительно свободно вращаться друг относительно друга, преодолевая силы вязкого трения

Диэлектрики, предназначенные для создания функциональных элементов электроники, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий, относятся к группе активных диэлектриков. Линейные неполярные полимеры. К неполярным полимерам с малыми диэлектрическими потерями относятся полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен, получаемые полимеризацией. Мономерные звенья макромолекул этих полимеров не обладают дипольным моментом Слюды представляют собой группу материалов, относящихся к водным алюмосиликатам с ярко выраженной слоистой структурой. Стеклообразное состояние является основной разновидностью аморфного состояния веществ Пластмассы находят применение в электротехнике как в качестве электроизоляционных, так и в качестве конструкционных материалов.

Жидкие диэлектрики представляют собой электроизоляционные жидкости, используемые в электрических аппаратах высокого напряжения, а также в блоках электронной аппаратуры Преимуществами газов перед остальными видами электроизоляционных материалов являются высокое удельное электрическое сопротивление, малый тангенс угла диэлектрических потерь, малая, близкая к единице диэлектрическая проницаемость Простейшие формулы для объемной и поверхностной проводимости диэлектриков В области слабых электрических полей носители заряда в газах появляются в результате воздействия на нейтральные молекулы газа быстрых частиц, квантов света, радиоактивного, ультрафиолетового и других излучений. Термореактивные полимеры получают из полимеров, которые при нагревании или при комнатной температуре вследствие образования пространственной сетки из макромолекул (отверждения) переходят в неплавкое и нерастворимое состояние. Для изготовления изоляции используют большое число материалов, относящихся к группе полимеров. Полимеры - высокомолекулярные соединения, имеющие большую молекулярную массу. Молекулы полимеров, называемые макромолекулами, состоят из большого числа многократно повторяющихся структурных группировок (элементарных звеньев), соединенных в цепи химическими связями

Сквозной ток - Iскв (ток утечки) протекает по диэлектрику под воздействием постоянного напряжения - обусловлен наличием в диэлектриках свободных носителей заряда различной природы. Пробой газов определяется двумя механизмами - лавинным и лавинно-стримерным, связанными с процессами ударной ионизации электронами и фотоионизацией. Электрический пробой - разрушение диэлектрика, обусловленное ударной ионизацией электронами или разрывом связей между атомами, ионами или молекулами Минимальное напряжение Uпр, приложенное к диэлектрику, и приводящее к образованию в нем проводящего канала, называется пробивным напряжением.

Теория конструктивных материалов

Диэлектрические материалы являются основными видами электротехнических материалов с которыми придется встретиться на практике будущим инженерам-электрикам. Эти материалы служат в качестве изоляции токоведущих частей энергооборудования. Основные типы материалов, применяемых в энергетике и электротехнике, композиционные материалы. Роль материалов в современной технике, в частности в энергетике Матричные структуры. Расчет электрических характеристик гетерогенных систем  достаточно точен в случае разбавленных суспензий Характеристики композиционных материалов Методические указания по курсу, литература 

Основное уравнение электропроводности Твердые диэлектрики. Здесь носителями заряда могут быть электроны и дырки Жидкости. Современные представления о проводимости диэлектрических жидкостей состоят в следующем. Здесь носителями заряда являются ионы, т.к. электроны легко прилипают к нейтральным молекулам жидкости и не могут существовать в свободном состоянии. Для металлов зоны перекрываются и электроны могут свободно перемещаться по образцу. Ширина запрещенной зоны равна нулю. Электропроводность проводников, полупроводников и диэлектриков

Особенностями использования  материалов в электроэнергетике является то, что они эксплуатируются в условиях воздействия электрических полей, и в несколько меньшей степени, в условиях воздействия магнитных полей. Основными процессами, происходящими под действием этих полей являются поляризация вещества, электропроводность, намагничивание вещества. В предыдущей лекции рассматривалась электропроводность. Для устройств, содержащих в себе электрические поля важно понимать как изменяется напряженность электрического поля при использовании комбинации двух диэлектриков с разной диэлектрической проницаемостью. Аналогично рассмотрению диэлектрической проницаемости, связывающей электрическую индукцию с напряженностью электрического поля, магнитная проницаемость связывает магнитную индукцию B с напряженностью магнитного поля H. Плоско-параллельное поле. Здесь эквипотенциальные поверхности (поверхности уровня) представляют собой параллельные плоскости, а линии индукции, совпадающие с направлением вектора напряженности поля (которая во всех точках поля одинакова), - перпендикулярны этим плоскостям. Если в межэлектродное пространство ввести диэлектрик, то что произойдет? Все зависит от того, подключен заряженный конденсатор к источнику или отключен. В подключенном конденсаторе напряжение между пластинами принудительно поддерживается, но заряд на каждой пластине увеличивается до нового значения Qm. В неполярной молекуле под действием электрического поля происходит смещение электронных оболочек. Возникает индуцированный дипольный момент у молекулы, молекула поляризуется. 

Теплофизические характеристики материалов очень важны для практики. Действительно, материалы в различных энергетических устройствах и установках работают в различных температурных условиях. Механические свойства материалов. Удлинение, деформация, модуль упругости. Разрушающие напряжения при различных видах нагрузки Для материалов вводят несколько характерных температурных точек, указывающих работоспособность и поведение материалов при изменении температуры. Теплоемкость- это способность накапливать тепловую энергию в материале при его нагревании Практически все свойства материалов зависят от температуры. Обычно это учитывается введением т.н. температурного коэффициента.

Стали являются многокомпонентными системами на основе железа. В зависимости от добавок их свойства сильно меняются. Первой и основной добавкой к железу является  углерод. Бетон представляет собой композицию, составленную из затвердевшей смеси цемента, заполнителя, воды Разработка конкретных узлов и устройств ставит ряд общих и специфических задач для используемых материалов. Во первых, они должны выполнять те функции, которые заложены в исходные требования. Наиболее распространенными из цветных металлов являются медь, алюминий, олово, титан, а также тугоплавкие металлы молибден и вольфрам.

Температурный коэффициент сопротивления, потери, нагрев проводников Возвращаясь к температурному коэффициенту для проводниковых резистивных материалов следует упомянуть о существовании материалов с практически нулевым температурным коэффициентом сопротивления. Материалы для проводов. Медь, алюминий Проводники в месте контакта отличаются от проводников в объеме проводов несколькими обстоятельствами их функционирования.

Электропроводность полупроводников и слабопроводящих материалов Вторым по значению резистивным материалом является графит. Из металлических материалов для резисторов наибольшее распространение получили материалы на основе никеля, хрома и железа, т.н нихромы, и родственные им материалы на основе железа, хрома и алюминия, т.н. фехрали. В обозначении марки буква Х означает хром, буква Н-никель, буква Ю - алюминий. Электропроводящие полимеры Материал «ЭКОМ» для резисторов и обогревателей Материалы с нелинейной проводимостью очень важны для энергетики. Дело в том, что с их помощью подавляются паразитные волны перенапряжений в линиях и на подстанциях

Диэлектрические вещества- это такие вещества, в которых возможно накопление, сохранение и распространение электрической энергии. Как уже указывалось в лекции 2, способность любых материалов проводить электрический ток определяется наличием зарядов в нем и возможностью их движения. Реальные электроизоляционные конструкции далеко не всегда состоят из однородных диэлектриков. Они могут содержать композицию из разных диэлектриков или просто иметь границу раздела. Диэлектрические потери

В предыдущей главе мы рассматривали электропроводность диэлектрических материалов под действием слабых электрических полей. В сильных электрических полях появляются новые процессы, ограничивающие применение диэлектриков в качестве электрической изоляции между электропроводными элементами. Исследования пробоя твердых диэлектриков по своему объему значительно превышают исследования всех других видов диэлектриков, что обусловлено более широким применением твердых диэлектриков. В отличие от слабых электрических полей, в сильных электрических полях, характерных для работы электрической изоляции возникают новые явления, связанные с ионизационными процессами Реально закон Пашена выполняется при не очень высоких давлениях, менее 1 атм и при малых зазорах, менее 1 мм. Температурная зависимость. Она обусловлена уменьшением плотности газов при росте температуры в условиях постоянного давления в соответствии с уравнением идеального газа PV = RT  или n = P/kT. Механизм электрического пробоя жидкостей вначале считался аналогичным механизму пробоя газов, считая жидкость плотным газом. Дендрит - древовидное образование в теле диэлектрика, имеющее повышенную проводимость и приводящее к прогрессирующему разрушению диэлектрика.

Наибольшее применение из газов в энергетике имеет воздух. Это связано с дешевизной, общедоступностью воздуха, простотой создания, обслуживания и ремонта воздушных электроизоляционных систем, возможностью визуального контроля. Объекты, в которых применяется воздух в качестве электрической изоляции - линии электропередач, открытые распределительные устройства, воздушные выключатели и т.п. Используемые и перспективные жидкие диэлектрики Поглощение и выделение газов маслом. Трансформаторное масло, - очищенная фракция нефти, получаемая при перегонке, кипящая при температуре от 300 °С до 400 °С. Масло способно поглощать и растворять  весьма  значительные количества воздуха и других газов Из родственных трансформаторному маслу по свойствам и применению жидких диэлектриков стоит отметить конденсаторные и кабельные масла. Очень интересен класс фторорганических жидкостей. В зарубежной литературе они называются перфторуглероды. По сути, это эквивалент обычным органическим жидкостям, только вместо атома водорода везде находится атом фтора. С электрофизической точки зрения наиболее важными характеристиками жидкостей являются диэлектрическая проницаемость, электропроводность и электрическая прочность.

Все диэлектрические материалы можно разделить на группы, используя разные принципы. Например, разделить на неорганические и органические материалы. Полимеры, как правило, являются хорошими диэлектриками. Они обладают низкими диэлектрическими потерями, высоким удельным сопротивлением, высокой электрической прочностью, высокой технологичностью и, как правило, невысокой ценой. Важным преимуществом этих материалов является то, что они производятся из возобновляемого сырья, а именно из древесной массы. Слюда является основой большой группы электроизоляционных изделий. Главное достоинство слюды - высокая термостойкость наряду с достаточно высокими электроизоляционными характеристиками. Слюда является природным минералом сложного состава. Электротехническое стекло в качестве материала для изоляторов имеет некоторые преимущества перед фарфором. В частности у него более стабильная сырьевая база, проще технология, допускающая большую автоматизацию, возможность визуального контроля неисправных изоляторов.

Магнитомягкие материалы используются в энергетике в качестве разнообразных магнитопроводов в трансформаторах, электрических машинах, электромагнитах и т.д. Магнитные свойства имеются у любых материалов. Они обусловлены реакцией материала на магнитное поле. Как уже рассматривалось в третьей лекции, магнитную индукцию в любом материале можно связать с напряженностью магнитного поля в нем

Протекание тока в проводниках всегда связано с потерями энергии, т.е. с переходом энергии из электрического вида в тепловой вид. Этот переход необратим, обратный переход связан только с совершением работы, как об этом говорит термодинамика Следующим радикальным шагом в исследовании сверхпроводимости явилась попытка найти сверхпроводимость в оксидных системах. Смутная идея разработчиков состояла в том, что в системах содержащих вещества с переменной валентностью возможна сверхпроводимость, причем при более высоких температурах. Были исследованы двойные системы, т.е. состоящие из двух разных оксидов Выше я уже останавливался на некоторых конкретных сверхпроводящих материалах. В принципе свойство сверхпроводимости характерно практически для всех материалов

Природные факторы старения Коррозией материала называются химические превращения материала (прежде всего окисление), происходящие при участии внешней среды.  Коррозия характернадля материалов, состав и структура которых далеки от природных. Традиционно термин "коррозия" применяют только к металлам. Из техногенных факторов старения, в первую очередь, выделим воздействие электрического напряжения. Это воздействие многообразно, целый ряд явлений происходит в материале: частичные разряды, дендриты, треки, дуга, водные триинги, нагрев за счет диэлектрических и джоулевых потерь.

Основы Инженерная графика, черчение, начертательная геометрия