Классификация электротехнических материалов по свойствам и областям применения

Лекция 1

Введение. Предмет и содержание курса. Классификация электротехнических материалов по свойствам и областям применения. Роль электротехнических материалов в развитии энергетики.

Каждый специалист, работающий в области электро- и радиотехники должен знать перечень основных электрических, магнитных, механических и др. характеристик, которыми обладают материалы диэлектрические, полупроводниковые, проводниковые, магнитные и конструкционные. При изготовлении и ремонте радио и электротехнического оборудования необходимы детали и узлы, выполненные из материалов определенных классов и обладающие конкретными электрическими и магнитными характеристиками, а для несущих деталей – и механическими характеристиками. Зная для каждого класса материалов перечень этих характеристик, необходимо знать единицы их измерения и порядок величины, а также то, как (и почему) эти характеристики изменяются под действием температуры, величины и частоты напряжения, механической нагрузки и т.д.

Хочу вас обрадовать, определенный запас знаний по данному курсу у вас уже имеется. Так, например, покупая одежду, обувь и другие товары, вы выбираете их, руководствуясь не только формой, размером и условиями эксплуатации (зимой или летом, в дождливую или влажную погоду и т.д.), но и характеристиками материалов, из которого они изготовлены, - цветом, теплопроводностью, стойкостью к воде, солнечному свету и т.д.

Материаловедение – наука, занимающая изучением состава, структуры, свойств материалов, поведением материалов при различных воздействиях: тепловых, электрических, магнитных и т.д., а также при сочетании этих воздействий.

Электротехническое материаловедение – раздел материаловедения, который занимается материалами для электротехники и энергетики, т.е. материалами, обладающими специфическими свойствами, необходимыми для конструирования, производства и эксплуатации электротехнического оборудования.

В настоящем курсе «Материаловедение», ч. II будут рассмотрены:

ü Строение и свойства металлических и неметаллических электротехнических материалов;

ü Мы подробно рассмотрим особенности поляризации, электропроводности, диэлектрических потерь и пробоя диэлектриков, изучим процесс электрического старения изоляции;

ü Будут изучены новые электротехнические материалы: активные диэлектрики, проводники, сверхпроводники, применяемые в современных устройствах.

ü Будут рассмотрены физика явлений, имеющих место в диэлектриках, полупроводниках, проводниках и магнитных материалах, находящихся в электрическом или магнитном поле;

Для лучшего понимания изучаемого материала на лекционных занятиях будет использоваться мультипроектор, некоторая информация будет представлена в виде раздаточного материала.

На изучение курса предусмотрено 6 часов лекций и лабораторных занятий, 36 часов самостоятельной работы. По окончанию – зачет.

Для изучения курса вам понадобится следующая литература:

1. Н.П. Богородицкий. Электротехнические материалы: Учебник для вузов / Н.П. Богородицкий, В.В. Пасынков, Б.М. Тареев. – Л.: Энергоатомиздат., 1985.

2. Колесов С.Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник для вузов / С.Н. Колесов, И.С. Колесов. – 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2007. - 535 с.: ил.

3. Пасынков В.В. Материалы электронной техники: Учебник для вузов / В.В. Пасынков, В.С. Сорокин. – М.: Высш. шк., 2003.

4. Новиков Л.И. Методические указания к лабораторным занятиям № 1, 2, 3, 4: Методические указания / Л.И. Новиков. - Киров, изд. ВятГУ, 2007.

5. Новиков Л.И. Методические указания к лабораторным занятиям № 6: Методические указания / Л.И. Новиков. - Киров, изд. ВятГУ, 2007.

Роль материалов в развитии электро- и радиотехники

Современное электрооборудование представляет собой сложное устройство с большим количеством разнообразных деталей, для изготовления которых требуется широкий ассортимент различных электротехнических и конструкционных материалов с вполне определенными электрическими, механическими и химическими свойствами, которые зависят от их химического состава и строения, а также интенсивности внешнего энергетического воздействия (напряженности и частоты электрического поля, температуры, давления и т.п.). Без знания основных свойств ЭТМ, без понимания физических процессов, протекающих в ЭТМ при помещении их в электрическое или магнитное поле, без понимания связи этих процессов с химическим составом и строением материала нельзя спроектировать и изготовить электротехническую аппаратуру, невозможно грамотно ее эксплуатировать. Поэтому, главной задачей науки материаловедение является:

1. Изучение основных физических процессов, протекающих в материалах при воздействии на них электрического, магнитного или теплового полей и механического напряжения;

2. Изучение зависимости электрических, механических и других свойств материалов от их химического состава и строения;

3. Описание свойств и знакомство с материалами, наиболее часто применяемыми в производстве электрооборудования.

Классификация электротехнических материалов по свойствам и областям применения

Для начала отметим, что же такое материал.

Материал – это объект, обладающий определенным составом, структурой и свойствами, предназначенный для выполнения определенных функций.

Материалы различаются по:

1. Агрегатному состоянию:

a. Твердое;

b. Жидкое;

c. Газообразное;

d. Плазменное (состояние ионизированного газа, в котором концентрация положительных и отрицательных зарядов равны).

2. Выполняемым функциям. Функции, которые выполняют материалы разнообразны:

a. Обеспечение протекания тока – проводниковые материалы;

b. Сохранение определенной формы при механических нагрузках (КМ);

c. Обеспечение изоляции – диэлектрические материалы;

d. Превращение электрической энергии в тепловую – резистивные материалы.

Обычно материал выполняет несколько функций. Например, диэлектрик обязательно испытывает какие-то механические нагрузки, то есть является конструкционным материалом.

Классификация веществ по электрическим свойствам:

В процессе изготовления и в различных условиях эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры на ЭТМ воздействуют электрическое и магнитное поля (в отдельности и совместно). ПО поведению в электрическом поле эти материалы подразделяют на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические.

Классификация ЭТМ по электрическим свойствам основана на представлениях зонной теории электропроводности твердых тел, сущность которой состоит в следующем.

Общеизвестно, что в подавляющем большинстве твердых тел электрический ток обусловлен движением электронов. Такие электроны называются электронами проводимости. Они появляются во внешних, удаленных от ядра областях атома. Эти области формируют в твердом теле валентные зоны. Чтобы возник электрический ток, электроны должны из валентной зоны взобраться выше по энергетической шкале и перейти в зону проводимости, преодолев при этом зону запрещенных значений энергии, или запрещенную зону. Если все три упомянутые зоны разместить по оси энергии, то зона с меньшей энергией будет валентной, далее идет запрещенная зона и потом зона с наибольшей энергией — зона проводимости.

Как валентная зона, так и зона проводимости представляют собой очень плотную упаковку из множества доступных для электронов дискретных уровней энергии — энергетических «изолиний». Эти уровни расположены так близко друг к другу, что практически сливаются в непрерывную полосу, которая и называется энергетической зоной. Напротив, в запрещенной зоне доступных для электрона энергетических уровней вообще нет, и электроны там находиться не могут. Итак, чтобы возник электрический ток, необходимо, чтобы электроны из валентной зоны перескочили через запрещенную зону и попали в зону проводимости.

Как известно из школьного курса физики, вещества, в зависимости от того, как они проводят электрический ток, можно разделить на металлы, полупроводники и диэлектрики. С точки зрения зонной теории металлы — это твердые тела, у которых запрещенная зона отсутствует, вместо нее наблюдается сильное перекрытие валентной и проводящей зон. Получается, что электронам в металле нет необходимости тратить энергию на преодоление запрещенной зоны, а потому под внешним воздействием — в электрическом поле — они легко переходят в зону проводимости. Отсюда легко понять, почему металлы — хорошие проводники.

В диэлектриках ширина запрещенной зоны значительно больше тепловой энергии электронов даже при комнатной температуре, а значит, подавляющее большинство потенциальных носителей тока не могут перепрыгнуть в зону проводимости — им не хватает энергии. Преодоление запрещенной зоны может произойти лишь при очень сильных полях (тогда наблюдается электрический пробой диэлектрика) или очень высоких температурах.

И наконец, если ширина запрещенной зоны сравнима с энергией теплового движения электронов, то мы имеем полупроводник. Повышение температуры экспоненциальным образом увеличивает количество электронов, прыгающих через запрещенную зону в зону проводимости.

 

Если W равна или близка к нулю, то электроны могут перейти на свободные уровни благодаря собственной тепловой энергии и увеличить проводимость вещества. Вещества с такой структурой энергетических зон относятся к проводникам. Проводниковые материалы служат для проведения электрического тока. Обычно к проводникам относятся вещества с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10^-5 Ом×м. Типичными проводниками являются металлы.

Если значение запрещенной зоны превышает несколько электрон-вольт (1 эВ — энергия электрона, полученная им при перемещении между двумя точками электрического поля с разностью потенциалов 1 В), то для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия. Такие вещества относятся к диэлектрикам. Диэлектрики имеют высокое удельное электрическое сопротивление и обладают способностью препятствовать прохождению тока. К диэлектрическим материалам относятся вещества с удельным электрическим сопротив­лением р > 107 Ом м. Благодаря высокому удельному электриче­скому сопротивлению их используют в качестве электроизоляци­онных материалов.

Если значение запрещенной зоны составляет 0,1...0,3 эВ, то электроны легко переходят из валентной зоны в зону проводимости благодаря внешней энергии. Вещества с управляемой прово­димостью относятся к полупроводникам. Удельное электрическое сопротивление полупроводников составляет 10^-6... 10⁹ Ом×м. Полупроводниковые материалы обладают проводимостью, с помощью которой можно управлять напряжением, температурой, освещенностью и т.д.

В зависимости от структуры и внешних условий материалы могут переходить из одного класса в другой. Например, твердые и жидкие металлы — проводники, а пары металлов — диэлектрики; типичные при нормальных условиях полупроводники германий и кремний при воздействии высоких гидростатических давлений становятся проводниками; углерод в модификации алмаза — диэ­лектрик, а в модификации графита — проводник.

 

Диэлектрические	Полупроводниковые	Проводниковые	Магнитные
Значения их удельного сопротивления находятся в соответствующих пределах
Ширина запрещенной зоны (энергия активации)
W=0.-0.05 эВ	W=0.05-3 эВ	W›3 эВ

Диэлектрик обладает способностью поляризоваться под действием приложенного электрического поля и подразделяются:

1. Пассивные диэлектрики. Применяются:

a. Для создание электрической изоляции токопроводящих частей. Они препятствуют прохождение тока другими, нежелательными путями и являются материалами электроизоляционными.

b. В конденсаторах для создания определенной электрической емкости.

2. Активные диэлектрики. Применяются для изготовления активных элементов электрических схем. Служат для генерации, усиления, преобразования электрического сигнала.

Полупроводник по величине удельной электропроводности занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками. Характерной их особенностью является существенная зависимость электропроводности от интенсивности внешнего энергетического воздействия: напряженности электрического поля, температуры, освещенности, длины волны падающего света, давления и т.п.

Проводники подразделяются на 4 подкласса:

1. Материалы высокой проводимости. Используются там, где необходимо, чтобы ток протекал с минимальными потерями. К таким материалам относят металлы: Cu, Al, Fe, Ag, Au, Pt и сплавы на их основе. Из них изготавливают провода, кабели, токопроводящие части электроустановок.

2. Сверхпроводники – материалы, у которых при температурах ниже некоторой критической Т_кр сопротивление электрическому току становится равным 0.

3. Криопроводники – это материалы высокой проводимости, работающие при криогенных температурах (температуре кипения жидкости азота – 195^оС).

4. Проводниковые материалы высокого сопротивления – металлические сплавы, образующие твердые растворы.

Магнитные – материалы, предназначенные для работы в магнитном поле при непосредственном взаимодействии с этим полем. К ним относят ферромагнетики и ферриты. Собственное магнитное поле в сотни и тысячи раз больше, чем вызывающее его внешнее магнитное поле. Они способны сильно намагничиваться даже в слабых полях, а некоторые из них сохраняют намагниченность и после снятия внешнего магнитного поля. К наиболее широко используемым в технике магнитным материалам относятся Fe, Co, Ni.

123Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: