Конспект лекций. Электротехнические материалы Магнитные электротехнические материалы

Электрические характеристики позволяют оценить свойства материалов при воздействии на него электрического поля. Основное свойство электротехнических материалов по отношению к электрическому полю – электропроводность.

Электропроводность – это свойство материала проводить электрический ток под действием постоянного (не изменяющегося во времени) электрического напряжения.

Удельное электрическое сопротивление – это сопротивление материала длинной 1 м и поперечным сечением 1 м 2 .

где γ – удельная проводимость материала , это проводимость материала длинной 1м и поперечным сечением 1м 2 , 1/Ом∙м;

q – величина заряда носителя (заряд электрона 1,6·10 -19), Кл;

n – количество носителей заряда в единице объёма;

µ – подвижность носителя заряда.

Чем больше значение ρ, тем меньше электропроводность материала.

Проводники ρ=10 -8 ÷10 -6 .

Полупроводники ρ=10 -6 ÷10 8 .

Диэлектрики ρ=10 8 ÷10 18 .

Сопротивление проводника – это конструктивная характеристика проводника, т.к. зависит от размеров и проводниковых свойств материала.

где ρ – удельное сопротивление материала, Ом∙м;

l – длина проводника, м;

S – площадь поперечного сечения проводника, м 2 .

Температурный коэффициент удельного сопротивления – показывает, на сколько изменится сопротивление материала в 1 Ом при нагревании его на 1 0 С.

При линейном изменении удельного сопротивления в узком интервале температур

где ρ – удельное сопротивление материала при температуре ;

ρ 0 – удельное сопротивление материала при начальной

температуре t 0 , обычно принимается 20 0 С.

Если заменить удельное сопротивление на сопротивление

Чем больше значение α, тем в большей степени изменяется сопротивление проводника при изменении температуры.

Проводники α>0 с увеличением температуры удельное сопротивление материала увеличивается.

Полупроводники и диэлектрики α<0 с увеличением температуры удельное сопротивление материала уменьшается.

Электрические свойства и характеристики материалов (для диэлектриков)

Основным свойством диэлектрических материалов является способность поляризоваться в электрическом поле.

Поляризация – это свойство материала, состоящие в ограниченном смещении или ориентации связанных зарядов при воздействии электрического поля.

Диэлектрическая проницаемость (относительная) – показывает, во сколько раз больше ослабевает внешнее электрическое поле в данном материале, чем в вакууме (показывает слепень поляризации).

где ε а – абсолютная диэлектрическая проницаемость, учитывает влияние материала на электрическое поле, Ф/м;

ε 0 – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, 8,85∙10 -12 Ф/м.

Чем больше значение ε, тем сильнее поляризуется диэлектрик.

Вакуум ε=0.

Газообразные диэлектрики в основном ε≥1.

Жидкие и твёрдые диэлектрики ε>>1.

Тангенс угла диэлектрических потерь.

При воздействии электрического поля на любое вещество часть электрической энергии превращается в тепловую и рассеивается. Рассеянная часть электрической энергии диэлектриком называется диэлектрическими потерями . Причём потери энергии на переменном напряжении будут во много раз больше потерь на постоянном напряжении.

При постоянном напряжении потери числено равны активной мощности

где U – напряжение, приложенное к диэлектрику, В;

I – ток проводимости через диэлектрик, А.

При переменном напряжении

где U – переменное напряжение, приложенное к диэлектрику, В;

f – частота тока, Гц;

С – ёмкость диэлектрика, Ф.

δ – угол диэлектрических потерь, дополняющий до 90 0 угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкостной цепи.

Чем больше значение tg δ, тем больше потери в диэлектрике и тем больше нагрев диэлектрика в электрическом поле заданной частоты и напряжения.

Газообразные диэлектрики tg δ=10 -6 ÷10 -5 .

Жидкие и твёрдые диэлектрики: высшего класса tg δ=(2÷6)∙10 -4 ,

остальные tg δ=0,002÷0,05.

Напряжённость пробоя (электрическая прочность) – это напряжённость, однородного электрического поля при которой происходит пробой диэлектрика (становится проводником).

где U пр – пробивное напряжение, при котором происходит пробой, МВ;

d – толщина диэлектрика в месте пробоя, м.

Чем больше значение Е пр, тем лучше электроизоляционные свойства.

При выборе изоляции необходимо учитывать напряжение, на которое диэлектрик включается и должен обеспечиваться запас прочности (коэффициент прочности)

где Е р – рабочая напряжённость, МВ/м.

По назначению материалы, используемые в различных областях электроники, условно подразделяют на конструкционные и электротехнические.

Конструкционные материалы применяют для изготовления несущих конструкций, а также вспомогательных деталей и элементов радиоприборов, работающих в условиях воздействия механических нагрузок.

Электротехнические материалы находят применение в электротехнике, электронике и радиоэлектронике. Применение этих материалов обусловлено прежде всего их электрическими и магнитными свойствами.

2) по электрическим свойствам

В процессе изготовления и в различных условиях эксплуатации на электротехнические материалы воздействуют электрическое и магнитное поля в отдельности и совместно. По поведению в электрическом поле эти материалы подразделяют на

проводниковые,

полупроводниковые

диэлектрические.

Классификация электроматериалов по электрическим свойствам основана на представлениях зонной теории электропроводности твердых тел.

Сущность зонной теории электропроводности твердых тел

В изолированном атоме электроны вращаются вокруг ядра на определенных орбитах. Согласно принципу Паули на каждой орбите может находиться не более двух электронов. Каждой орбите соответствует строго определенное значение энергии, которой может обладать электрон, т. е. каждая орбита представляет собой определенный энергетический уровень. Под воздействием притяжения положительно заряженного атомного ядра электроны стремятся занять ближайшие к ядру уровни с минимальным значением энергии. Поэтому нижние энергетические уровни оказываются заполненными электронами, а верхние уровни - свободными.

Электрон может скачкообразно перейти с нижнего энергетического уровня W 1 на другой свободный уровень W 2 (рис. 2.1). Для этого электрону необходимо сообщить дополнительную энергию . Если свободных уровней в атоме нет, то электрон не может изменить свою энергию, поэтому не участвует в создании электропроводности.

Рис. 2.1. Диаграмма энергетических уровней изолированного атома (1) и твердого тела (2)

В кристаллической решетке, состоящей из нескольких атомов, отдельные энергетические уровни расщепляются на подуровни, которые образуют энергетические зоны (см. рис. 2.1). При этом расщепляются свободные и заполненные энергетические уровни.

Зона, заполненная электронами, называется валентной . Верхний уровень валентной зоны (потолок) обозначается W v .

Свободная зона называется зоной проводимости . Нижний уровень зоны проводимости (дно) обозначается W c .

Промежуток между валентной зоной и зоной проводимости называют запретной зоной
. Значение запретной зоны существенно влияет на свойства материалов.

Если
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 относят к проводникам. Типичными проводниками являются металлы. Проводниковые материалы служат для проведения электрического тока. Обычно к проводникам относят вещества с удельным электрическим сопротивлениемменее 10 -5 Ом-м.

Если значение запретной зоны превышает несколько электрон-вольт (1 эВ - энергия электрона, полученная им при перемещении между двумя точками электрического поля с разностью потенциалов 1В), то для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия. Такие вещества относят к диэлектрикам. Диэлектрические материалы обладают способностью препятствовать прохождению тока.

Диэлектрики имеют высокое удельное электрическое сопротивление. К диэлектрическим материалам относят вещества с удельным электрическим сопротивлением более 10 7 Омм. Благодаря высокому удельному электрическому сопротивлению их используют в качестве электроизоляционных материалов.

Если значение запретной зоны составляет 0,1...0,3 эВ, то электроны легко переходят из валентной зоны в зону проводимости благодаря внешней энергии. Вещества с управляемой проводимостью относят к полупроводникам. Полупроводниковые материалы обладают проводимостью, с помощью которой можно управлять напряжением, температурой, освещенностью и т.д. Удельное электрическое сопротивление полупроводников составляет 10 -6 ...10 9 Ом-м.

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.

Рис.2.3. Сопротивления электротехнических материалов

Основным свойством вещества по отношению к электрическому полю является электропроводность , характеризующая способность материала проводить электрический ток под воздействием постоянного электрического поля, т. е. поля, напряжение которого не меняется во времени.

Электропроводность характеризуется удельной электрической проводимостью См/м и удельным электрическим сопротивлениемОм м.:

по магнитным свойствам

По характеру взаимодействия с внешним магнитным полем все электрооматериалы подразделяются на немагнитные и магнитные.

Немагнитные материалы не взаимодействуют с магнитным полем, т.е. не приобретают магнитных свойств при воздействии на них магнитного поля (диамагнтики).

Магнитные материалы обладают способностью намагничиваться.

В изолированном атоме электроны вращаются вокруг ядра с определенным орбитальным моментом. Одновременно электроны вращаются вокруг своих осей со спиновыми магнитными моментами. Орбитальные и спиновые магнитные моменты, суммируясь, образуют магнитный момент атома. Магнитные свойства атома определяются в основном магнитными свойствами электрона, так как магнитный момент электронной оболочки атома приблизительно в 1000 раз больше магнитного момента атомного ядра.

Так как электроны с правым и левым вращениями имеют различное направление магнитных моментов, то суммарный магнитный момент атома может быть равен нулю или отличен от него.

По силе взаимодействия с магнитным полем все материалы подразделяют на

слабомагнитные (диамагнетики, парамагнетики)

сильномагнитные (ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримагнетики).

Сила взаимодействия вещества с магнитным полем оценивается безразмерной величиной - магнитной восприимчивостью

где М - намагниченность вещества под действием магнитного поля, Ам -1 ; Н -напряженность магнитного поля, Ам -1 .

Слабомагнитные материалы незначительно меняют свою намагниченность под действием внешнего намагничивающего поля и характеризуются магнитной восприимчивостью k M << 1.

К слабомагнитным материалам относятся диамагнетики и парамагнетики.

Диамагнетики представляют собой материалы, состоящие из атомов, у которых оболочки полностью заполнены электронами. Поэтому результирующий магнитный момент атома равен нулю. Диамагнетизм присущ всем материалам и выражается тем сильнее, чем больше электронов в атомах и чем дальше они расположены от ядра. Их магнитные свойства проявляются благодаря повороту электронных орбит под действием внешнего намагничивающего поля. Благодаря этому появляется результирующий магнитный момент, направленный встречно внешнему полю и ослабляющий внешнее поле внутри диамагнетика.

Магнитная восприимчивость диамагнетиков k M = -10 -5 в большинстве случаев не зависит от температуры и напряженности намагничивающего поля.

Внешне диамагнетизм проявляется в том, что диамагнетик “выталкивается” из неоднородного магнитного поля.

К диамагнетикам относят большинство органических соединений и ряд металлов: медь, серебро, золото, свинец и др.

Парамагнетики характеризуются тем, что магнитные моменты отдельных атомов парамагнетиков ориентированы хаотично и в объеме твердого тела скомпенсированы. При помещении этих материалов в магнитное поле происходит ориентация незначительного числа магнитных моментов атомов и.усиление внешнего поля внутри парамагнетика. Это является следствием совпадения направления намагниченности парамагнетиков с направлением внешнего поля. После снятия внешнего магнитного поля парамагнетики сохраняют небольшую намагниченность.

Магнитная восприимчивость k M = 10 -2 ...10 -5 . У большинства парамагнетиков k M значительно зависит от температуры. К парамагнетикам относят алюминий, платину и др.

Сильномагнитные материалы обладают способностью к значительному изменению намагниченности под действием внешнего поля и характеризуются магнитной восприимчивостью k M >>1.

К сильномагнитным материалам относятся ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Ферромагнетики характеризуются следующими свойствами:

Способностью сильно намагничиваться даже в слабых магнитных полях (k M = 10 3 ... 10 5);

Способностью переходить из ферромагнитного в парамагнитное состояние при температуре, превышающей температуру Кюри Т к , т.е. способность терять магнитную восприимчивость на 3...4 порядка.

Магнитная восприимчивость k M имеет сложную нелинейную зависимость от температуры и напряженности поля.

Ферромагнетики относятся к переходным элементам, у которых нарушен нормальный порядок заполнения электронных оболочек, в результате чего атомы имеют внутренние незаполненные оболочки. Это приводит к тому, что атомы этих элементов обладают нескомпенсированным магнитным моментом. В материалах, у которых суммарный магнитный момент атома отличен от нуля, образуются домены, т.е. области, самопроизвольно намагниченные до насыщения в отсутствие внешнего магнитного поля. В зависимости от кристаллической структуры вещества домены имеют различную форму. Линейные размеры домена составляют от тысячных до десятых долей миллиметра. Отдельные домены отделены друг от друга пограничным слоем толщиной 10 -2 ...10 -8 м. В зависимости от электронного взаимодействия нескомпенсированные спины соседних атомов устанавливаются параллельно или антипараллельно. Материалы, у которых нескомпенсированные спины соседних атомов устанавливаются параллельно, являются ферромагнетиками.

Процесс намагничивания ферромагнетика начинается с роста наиболее благоприятно ориентированных доменов. Такими являются домены, у которых направления магнитных моментов близки к направлению напряженности намагничивающего поля. Число этих доменов увеличивается из-за смещения границ менее благоприятно ориентированных доменов. После окончания роста доменов в объеме кристалла намагничивание материала продолжается из-за поворота магнитных моментов доменов. При совпадении направления векторов магнитных моментов доменов с направлением напряженности магнитного поля наступает магнитное насыщение (рис. 2.4). При дальнейшем повышении напряженности внешнего электромагнитного поля намагниченность материала увеличивается незначительно. При снятии внешнего поля векторы доменов поворачиваются в обратном направлении и материал размагничивается, но не полностью.

Рис. 2.2. Схемы ориентирования вектора намагниченности в доменах ферромагнетика:

а - при отсутствии внешнего поля; б - в слабом поле с напряженностью H 1 ; в - в сильном поле с напряженностью H 2 ; г - при насыщении (H 3 = H S) и д - кривая намагничивания

При намагничивании ферромагнетиков наблюдаются явления анизотропии и магнитострикции.

Суть магнитной анизотропии состоит в том, что намагничиваемость кристалла по разным его направлениям неодинакова. В решетке кристалла ферромагнетика существуют направления легкого и трудного намагничивания. Железо и его сплавы кристаллизуются в кубическую структуру. Осями легкого намагничивания у них являются ребра куба, а самого трудного – пространственные диагонали (рис. 2.3, а). У никеля, имеющего также кубическую структуру, распределение осей намагничивания противоположное (рис. 2.3, б). У кобальта, имеющего гексагональную структуру, на­правление легкого намагничивания проходит вдоль шестиугольной грани, а трудного - вдоль ребра боковых граней (рис. 2.3, в).

Рис. 2.3. Диаграммы направления легкого и трудного намагничивания в монокристаллах железа (а), никеля (б) и кобальта (в)

В ненамагниченном образце направления магнитных моментов доменов совпадают с осями легкого намагничивания кристалла и располагаются равновероятно. При попадании образца в электромагнитное поле самым энергетически выгодным направлением является ось легкого намагничивания, составляющая с направлением внешнего поля наименьший угол.

Намагничивание и размагничивание ферромагнетика сопровождается изменением линейных размеров и формы кристалла. Это явление называется магнитострикцией . Оно характерно для всех магнитных материалов.

К ферромагнетикам относят железо, никель, кобальт и их сплавы, гадолиний, сплавы хрома и марганца и др.

Антиферромагнетики представляют собой материалы, у которых магнитные моменты соседних атомов равны, но их спины располагаются антипараллельно.

Магнитная восприимчивость k M = 10 -3 ...10 -5 и отличается специфической зависимостью от температуры.

Ферримагнетики во многом подобны ферромагнетикам, но обладают следующими особенностями:

Значительно уступают ферромагнетикам по значению намагниченности насыщения (предельной намагниченности) М s ;

В ряде случаев имеют аномальную зависимость намагниченности насыщения Ms от температуры с наличием точки компенсации.

Природа ферримагнетизма была впервые подробно изучена на ферритах - соединениях оксида железа Fe 2 O 3 с оксидом металлов, например МеОFe 2 O 3 (где Ме++ -двухвалентный металл). Магнитные свойства ферримагнетиков связаны с взаимным расположением в кристаллической решетке ионов железа и металла.

Ферримагнетики являются кристаллическими веществами с доменной структурой.

Тема №1

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА.

Материалы, широко используемые в радиоэлектронной аппаратуре, имеют различные названия: электротехничес­кие материалы, радиотехнические материалы, материалы электронной техники. Однако принципиальной разницы между этими материалами нет. Несмотря на различия в названиях, все они применяются для изготовления дета­лей или компонентов и устройств электротехнической, радиотехнической, микроэлектронной, вычислительной аппаратуры. Тем не менее все материалы в интересую­щей нас области техники должны обладать вполне опреде­ленным набором свойств, благодаря которым они нахо­дят конкретное применение.

Объединяющим началом всех электротехнических ма­териалов является набор их свойств по отношению к элек­тромагнитному полю. При взаимодействии с электромаг­нитным полем проявляются электрические и магнитные свойства. Это позволяет дать определение понятия «элект­ротехнические материалы» и классифицировать их.

Электро(радио)техническими материалами (ЭТМ) назы­ваются материалы, характеризующиеся определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяющиеся в технике с учетом этих свойств.

По основному электрическому свойству веществ-элек­тропроводности- электротехнические материалы делят­ся на три группы: проводники, полупроводники и диэлект­рики.

По магнитным свойствам вещества делятся на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Каждая из названных групп в свою очередь подразделя­ется на подгруппы по количественным параметрам, ха­рактеризующим их основные свойства. Это позволяет пред­ставить классификацию радиоматериалов в виде обобщен­ной схемы (рис. 1.1).

Для практического использования необходимо, чтобы в количественном отношении электрические или магнитные свойства были достаточно выражены, а механические, тех­нологические и другие характеристики отвечали опреде­ленным требованиям. Поэтому не все из перечисленных групп одинаково широко используются в технике.

1.2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ПРИРОДА МАТЕРИАЛОВ

Все существующие в природе материалы независимо от их агрегатного состояния (газообразные, жидкие, твердые) построены из атомов более чем 100 химических элемен­тов. Любое вещество (материал) состоит из огромного ко­личества электрически заряженных частиц - электронов и атомных ядер химических элементов, которые и опреде­ляют его свойства.

Существуют способы упрощенного анализа свойств ма­териалов, позволяющие использовать часть макроскопи­ческих характеристик, полученных экспериментально. При этом наиболее существенные особенности взаимодействия между электронами и ядрами химических элементов, об­разующих вещество, учитываются интегрально или авто­матически.

Одним из таких способов является анализ химических связей элементов вещества. Естественно, что различия типов веществ обусловлены различием в характере рас­пределения электронов в атомах и молекулах, и особенно в характере распределения наиболее удаленных от ядра валентных электронов и ионных атомных остовов. Сопос­тавляя между собой расположение атомов в структуре ве­щества, электронную конфигурацию этих атомов, тип хи­мической связи между ними, можно ответить на ряд важ­ных вопросов о макроскопических свойствах материала, таких, как электропроводность, способность к намагничи­ванию, плотность, твердость, пластичность, температура плавления и т.д.

Наиболее важным в данном подходе к анализу свойств материалов является вопрос о силах связи, удерживающих атомы вместе. Эти силы почти полностью являются сила­ми электростатического взаимодействия между электро­нами и ядрами атомов. Роль сил магнитного происхожде­ния весьма незначительна, а гравитационными силами, из-за малых значений масс взаимодействующих частиц, можно пренебречь. Существование стабильных связей между ато­мами вещества предполагает, что полная энергия Е V п час­тиц в объеме V вещества в виде суммы кинетической Е к и потенциальной U n Е V п = N (Е V k + U V n) меньше суммарной энергии этого же количества частиц вне объема, т.е. в сво­бодном состоянии Е с п = N (Е с к + U c n). Разность этих энергий Е с п – Е V п = Е св называется энергией химической связи, или энергией связи.

Экспериментально установлено, что электрофизические и механические свойства вещества или материала опреде­ляются характером связи и количественным значением энергии связи Е св.

По характеру взаимодействия между частицами, состав­ляющими вещество, различают шесть типов химической связи:

Ковалентная неполярная;

Ковалентная полярная, или гомеополярная;

Ионная, или гетерополярная;

Донорно-акцепторная;

Металлическая;

Межмолекулярная.

Ковалентная неполярная связь возникает при объеди­нении одноименных атомов в молекулы, например Н 2 , О 2 , Cl 2 , N 2 , алмаз, сера, Si, Ge и т.д. При этом происходит обоб­ществление валентных электронов, что приводит к допол­нению внешней электронной оболочки до устойчивого со­стояния. Молекулы с ковалентной неполярной связью имеют симметричное строение, т.е. центры положительно­го и отрицательного зарядов совпадают. В результате элек­трический момент молекулы равен нулю, т.е. молекула - неполярная, или нейтральная.

Следует напомнить, что электрический момент, отлич­ный от нуля, характерен для дипольных молекул. Они представляют собой систему из двух одинаковых по вели­чине и разноименных по знаку электрических зарядов q, расположенных на некотором расстоянии I друг от друга. Для такой системы зарядов или молекулы электрический или дипольный момент μ= ql.

Ковалентная неполярная связь характерна для диэлек­триков и полупроводников.

Ковалентная полярная (гомеополярная, или парно-электронная) связь возникает при объединении разноимен­ных атомов, например Н 2 О, СН 4 , СН 3 С1, СС1 4 и т.д. При этом также происходит обобществление пар валентных электронов и дополнение внешней оболочки до устойчиво­го состояния. Однако каждая связь имеет дипольный мо­мент. Тем не менее молекула в целом может быть нейт­ральной или полярной (рис. 1.2).

Соединения с гомеополярной связью могут быть ди­электриками (полимерные органические материалы) и по­лупроводниками.

Ионная (гетерополярная) связь возникает при образо­вании молекулы элементами, находящимися в конце (VII группа) и начале (I группа) таблицы Д.И. Менделеева, на­пример NaCl. При этом валентный электрон металла, слабо связанный с атомом, переходит к атому галогена, достраи­вая его орбиту до устойчивого состояния (8 электронов), В результате образуются два иона, между которыми действу­ют силы электростатического притяжения.

Ионные силы взаимодействия достаточно велики, поэто­му вещества с ионной связью имеют сравнительно высо­кие механическую прочность, температуру плавления и ис­парения. Ионная связь характерна для диэлектриков.

Донорно-акцепторная связь по сути своей является раз­новидностью ионной связи и возникает при образовании ма­териала элементами различных групп таблицы Д.И. Мен­делеева, например соединения A III B V - GaAs и т.д.; соеди­нения A III B V - ZnS, CdTe и т.д. В таких соединениях атом одного элемента, называемый донором, отдает электрон другому атому, называемому акцептором. В результате возникает донорно-акцепторная химическая связь, являю­щаяся достаточно прочной. Материалы с такой связью могут быть диэлектриками и полупроводниками.

Металлическая связь возникает между атомами в ме­таллах и является следствием обобществления всех ва­лентных электронов, образующих электронный газ и ком­пенсирующих заряд ионов кристаллической решетки. Бла­годаря взаимодействию электронного газа и ионов возни­кает металлическая связь. Обобществленные электроны слабо связаны с атомными остовами и, с энергетической точки зрения, являются свободными. Поэтому уже при очень слабых внешних электрических полях проявляется высокая электропроводность металлов.

Межмолекулярная, или остаточная, связь характер­на для веществ органического происхождения, например парафина. Она возникает между молекулами вещества и является слабой, за счет чего такие материалы имеют низ­кие температуру плавления и механические характерис­тики, свидетельствующие о непрочности молекулярной структуры вещества.

Следует отметить, что обычно атомы в твердом теле не связаны каким-либо одним из рассмотренных видов свя­зи. Поэтому свойства веществ и материалов на их основе удобнее рассматривать и оценивать, анализируя энергети­ческий спектр электронов атомов, составляющих вещество.

Изделия из проводников делятся на две основных вида:

· Проводники и кабели – для них характерна значительная длина по сравнению с поперечным сечением.

· Токопроводящие детали – основные токопроводящие элементы в электрических аппаратах, машинах и других устройствах: зажимы, контакты, связывающие элементы и т.д.

Проводниковые материалы подразделяются на материалы:

· с низким удельным сопротивлением

· с высоким удельным сопротивлением

Материалы с низким удельным сопротивлением применяются для изготовления проводов и токопроводящих участков в различных электроустройствах. Самое низкое удельное сопротивление имеют золото и серебро , но так как они очень дороги, то применяются только на особо ответственных участках контактных соединений.

Самыми распространенными являются медь и алюминий. Медь используется для изготовления силовых кабелей и обмоточных и контактных соединений. Алюминий уступает меди по электрохарактеристикам. Является основным материалом для изготовления проводов воздушных линий электропередач (ЛЭП).

Материалы с высоким удельным сопротивлением:

Манганин (сплав меди, марганца и никеля) используется для изготовления эталонов, магазинов сопротивлений, шунтов, добавочных резисторов к измерительным приборам.

Фехраль (сплав железа, хрома, алюминия) и константан (сплав меди и никеля) применяются в основном для изготовления резисторов, нихром (сплав никеля и хрома с добавлением марганца) – для изготовления элементов измерительных приборов.

Проводниковые (кабельные) иэделия можно подразделить на:

1. обмоточные – применяются для изготовления обмоток электрических машин и приборов

2. монтажные – предназначаются для различного рода соединений в электрических аппаратах, приборах и других электроустройствах.

3. Установочные – используются для распределения электроэнергии в силовых и осветительных сетях.

Электроизоляционные материалы – материалы, предназначенные для разделения токоведущих элементов, находящихся под разными потенциалами во время работы электроустановок.

В качестве электроизоляционных используются диэлектрики:

· газообразные

· твердые

Наиболее распространенным газообразным диэлектриком является воздух . Он изолирует провода ЛЭП, обнаженные части электроустройств.

К жидким относятся нефтяные электроизолирующие масла и синтетические диэлектрики. Самое распространенное – трансформаторное масло . Используется для заливки силовых трансформаторов и заполнения баков высоковольтных выключателей. Конденсаторное масло применяется для пропитки бумажной изоляции в конденсаторах, кабельное масло – для пропитки бумажной изоляции кабелей. Синтетические диэлектрики наиболее широко представлены соволом (жидкий синтетический диэлектрик; применяют для пропитки волокнистой изоляции).

К классу твердых диэлектриков относятся:

1. диэлектрики на основе волокнистых органических материалов. Это различные бумаги - конденсаторная, кабельная, телефонная; картон; фибра (тонкая бумага, обработанная раствором хлористого цинка); природные (хлопчатобумажная ткань, натуральный шелк ); синтетические ткани (вискозный, ацетатный шелк ); текстильные материалы . Применяются также текстильные материалы, обработанные электроизоляционными лаками (лакоткани ).

2. природные минеральные материалы (слюда, асбест ). Слюда используется в качестве диэлектрика в конденсаторах, а также для изготовления миканита – листового и рулонного материала, склеенного из отдельных лепестков слюды с помощью лака или смолы; асбест (тонковолокнистый минерал из класса силикатов) – для изоляции нагревательных элементов, работающих при высоких температурах.

3. пластмассы, состоящие из двух компонентов: связующего и наполнителя. Связующий компонент – органический полимер; наполнитель – каменная мука, мелкие опилки, хлопчатобумажные, асбестовые или стеклянные волокна. Распространенный представитель пластмасс – гетинакс – слоистый пластик, получаемый путем горячей прессовки бумаги, пропитанной бакелитом (искусственная смола для изготовления пластмасс).

4. эластопластмассы – материалы, полученные на основе каучука – резина, эбонит

5. стекла – вещества на основе кремния. Используются для изготовления изоляторов, баллонов электрических ламп и стеклотканей

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЭЛЕКТРОПОЕЗДАХ

Краткие характеристики и основные показатели эксплуатируемых эл.поездов.

На эл.поездах различают механическую часть,эл.оборудование,пневматическое оборудование.

К механической части относятся: кузов вагона, тележки с колесными парами и буксовыми узлами, рессорное подвешивание, тяговая передача, сцепные приборы и Т.Р.П.

Эл.оборудование включает: токоприемники, пуско-регулирующую и тормозную аппаратуру, тяг.двигатели, вспомогательные машины, аппаратуру защиты и управления эл.поездом.

Пневматическое оборудование: пневматические аппараты и приборы тормозной системы, тифоны, резервуары, краны и т.д.

ТРЕБОВАНИЯ,ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ЭЛ.ПОЕЗДАМ .

Эл.поезда должны обеспечить высокое значение ускорения при пуске (разгоне) и замедлении при торможении. Высокие скорости на перегонах, комфорт пассажиров.

Назначение и классификация электротехнических материалов

Для производства электрических машин, аппаратов и другого оборудования используют специальные материалы, обладающие определенными электрическими или магнитными свойствами. В зависимости от этого электротехнические материалы разделяют на четыре группы: проводниковые, полупроводниковые, магнитные и электроизоляционные.

Проводниковые материалы отличаются большой удельной проводимостью и используются в электрических устройствах в качестве проводников электрического тока: обмотки и контакты в электрических машинах, аппаратах и приборах, провода и кабели для передачи и распределения электрической энергии.

Материалы с высокой проводимостью: медь, алюминий и некоторые сплавы(латунь, бронза и др.)

Материалы с высоким удельным сопротивлением можно разделить на три группы:

1) для точных измерительных приборов и образцовых резисторов.(медно-марганцевый сплав – манганин)

2) для резисторов и реостатов (константан)

3) имеющие высокую рабочую температуру и предназначенные для нагревательных приборов и нагрузочных реостатов (сплавы никеля, хрома и железа – нихром; хрома, алюминия и железа – фехраль)

Угольно-графитные проводники по проводимости немногим уступают металлам и их сплавам и используются как проводящие элементы. В основе угольных проводниковых материалов лежит графит и уголь. Щетки, применяемые для электрических машин подразделяют на четыре основные группы: угольно-графитные, графитные, электрографитные и металлографитные.

Полупроводниковые материалы занимают по удельной проводимости промежуточное место между проводниками и диэлектриками.

Магнитные материалы отличаются способностью усиливать магнитное поле, в которое их помещают, т.е. обладают большой магнитной проводимостью. Они используются для изготовления магнитопроводов в электрических машинах и трансформаторах. В электротехнических устройствах применяют главным образом железо, никель, кобальт и их сплавы.