materialovedenie (Материаловедение)

12

Вопросы к контрольной работе.

1. Опишите свойства нагревостойких диэлектриков, область их применения.

2. Объясните механизм пробоя жидких диэлектриков.

3. Что происходит при контакте двух полупроводников с разным типом проводимости. Начертите вольт - амперную характеристику полупроводникового диода с кратким объяснением этой характеристики.

4. Перечислите основные параметры магнитных материалов и начертите «петлю гистерезиса».

5. Опишите требования, предъявляемые к контактам и материалам, которые применяются для создания качественного контакта.

1. Опишите свойства нагревостойких диэлектриков, область их применения.

К важнейшим тепловым свойствам диэлектриков относятся нагревостойкость, холодостойкость, теплопроводность, и тепловое расширение.

Способность электроизоляционных материалов и изделий без вреда для них как кратковременно, так и длительно выдерживать воздействие высоких температур, называют нагревостойкостью.

Нагревостойкость неорганических диэлектриков определяется, как правило, по началу существенного изменения электрических свойств, например по заметному росту угла диэлектрических потерь (tg ) или снижению удельного электрического сопротивления. Нагревостойкость оценивают соответствующими значениями температуры (в ^оС), при которой появились эти изменения.

Нагревостойкость органических диэлектриков часто определяют по началу механических деформаций растяжения или изгиба, погружению иглы в материал под давлением при нагреве. Однако и для них возможно определение нагревостойкости по электрическим характеристикам.

Способы оценки нагревостойкости (например способ Мартенса), температуры размягчения материалов (способ кольца и шара и др.) достаточно условны, так как форма и размеры образца, характер и значение механической нагрузки, скорость возрастания температуры и предельные деформации выбираются произвольно.

Температуру жидкости, при нагреве до которой смесь паров её с воздухом вспыхивает при поднесении к ней небольшого пламени, называется температурой вспышки. Температура воспламенения – ещё более высокая температура, при которой при поднесении пламени испытуемая жидкость загорается.

Эти характеристики представляют особый интерес при оценке качества трансформаторного масла, а также растворителей, применяемых в производстве электроизоляционных лаков.

Вопрос о наивысшей допустимой рабочей температуре решается на основании тщательного изучения кратковременной и длительной нагревостойкости материала с учётом коэффициента запаса, зависящего от условий эксплуатации, степени надёжности и срока службы изоляции.

Если ухудшение качества изоляции может обнаружиться только при длительном воздействии повышенной температуры, то это явление называют тепловым старением изоляции. Старение может проявляться, например, у лаковых плёнок и целлюлозных материалов в виде повышения твёрдости и хрупкости, образовании трещин и т. п.

Скорость старения зависит от температуры, при которой работает изоляция электрических машин и других электроизоляционных конструкций.

Помимо температуры, влияние на скорость старения могут оказывать изменение давления воздуха или концентрация кислорода, присутствие озона (более сильного, чем кислород, окислителя), а также химических реагентов, замедляющих или ускоряющих старение. Тепловое старение ускоряется от освещения ультрафиолетовыми лучами, от воздействия электрического поля, механических нагрузок и т. п.

Возможность повышения рабочей температуры изоляции для практики очень важна. В электрических машинах и аппаратах повышение нагрева, которое обычно ограничивается именно материалами электрической изоляции, даёт возможность получить большую мощность при тех же габаритах или же при сохранении мощности уменьшить размеры и стоимость изделия.

ГОСТ предусматривает разделение электроизоляционных материалов для электрических машин, трансформаторов и аппаратов на классы нагревостойкости, для которых фиксируются наибольшие допустимые рабочие температуры при использовании этих материалов в электрооборудовании общего применения, длительно работающего в нормальных для данного вида электрооборудования эксплуатационных условиях..

При этих температурах обеспечиваются целесообразные сроки службы электрооборудования.

К классу Y относятся волокнистые материалы на основе целлюлозы и шёлка (пряжа, ткани, ленты, бумаги, картоны, древесина и т.п.), если они не пропитаны и не погружены в жидкий электроизоляционный слой.

К классу А относятся те же органические волокнистые материалы, если они работают пропитанными лаками либо компаундами или погружены в жидкий электроизоляционный материал, то есть защищены от непосредственного соприкосновения с кислородом воздуха, который ускоряет тепловое старение материалов. К классу А относятся также полиамидные плёнки, литые полиамидные смолы, изоляция эмаль-проводов на масляно-смоляных и поливинилацеталевых лаках и т.п.

К классу Е принадлежат пластические массы с органическим наполнителем и термореактивным связующим типа фенолоформальдегидных и подобных им смол (гетинакс, текстолит, пресс-порошки с наполнением древесной мукой и т.п.), полиэтилентерефталатные плёнки, эпоксидные, полиэфирные и полиуретановые смолы и компаунды, изоляция эмалированных проводов на полиуретановых и эпоксидных лаках и т.д.

Таким образом к классам Y, А, Е относятся в основном чисто органические электроизоляционные материалы.

В класс В входят материалы, для которых характерно большое содержание неорганических компонентов, например щепаная слюда, асбестовые и стекловолокнистые материалы в сочетании с органическими связующими и пропитывающими материалами; таковы большинство миканитов (в том числе с бумажной или тканевой органической подложкой), стеклолакоткани, стеклотекстолиты, на фенолформальдегидных термореактивных смолах, эпоксидные компаунды с неорганическими наполнителями и т.п.

К классу F принадлежат миканиты, изделия на основе стекловолокна без подложки или с неорганической подложкой, с применением органических связующих и пропитывающих материалов повышенной нагревостойкости; эпоксидных, термореактивных полиэфирных, кремнийорганических.

Материалы класса Н получаются при использовании кремнийорганических смол особо высокой нагревостойкости.

К классу С относятся чисто неорганические материалы, совершенно без склеивающих или пропитывающих органических составов. Это слюда, стекло и стекловолокнистые материалы, кварц, асбест, микалекс, непропитанный асбоцемент, шифер, нагревостойкие (на неорганических связующих) миканиты и т.п. Из всех органических электроизоляционных материалов к классу нагревостойкости С относятся только политетрафторэтилен (фторопласт 4) и материалы на основе полиимидов (плёнки, волокна, изоляция эмалированных проводов и т.п.).

Для ряда диэлектриков, в особенности хрупких (стёкла, керамические материалы и пр.), важна стойкость по отношению к резким сменам температуры (термоударам), в результате которых в материале могут образоваться трещины.

1. Объясните механизм пробоя жидких диэлектриков.

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряжённость поля превысит некоторое критическое значение. Это явление называется пробоем диэлектрика, то есть нарушением его электрической прочности. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а соответствующее значение напряжённости поля – электрической прочностью диэлектрика.

Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесённым к току диэлектрика в месте пробоя:

Е_пр =

U_пр

h

где U_пр – пробивное напряжение, а h – толщина диэлектрика.

Пробой жидких диэлектриков происходит в результате ионизационных тепловых процессов. Одним из главных факторов, способствующих пробою, является наличие в них посторонних примесей.

Предельно чистые жидкости получить крайне трудно. Постоянными примесями в жидкостях являются вода, газы и твёрдые частицы.

Наличие примесей вызывает большие затруднения для создания точной теории пробоя этих веществ. Поэтому представления теории электрического пробоя применяют к жидкостям, максимально очищенным от примесей.

При высоких значениях напряжённости электрического поля может происходить вырывание электронов из металла электродов и разрушение молекул самой жидкости за счёт ударов заряженными частицами. При этом большая электрическая прочность жидких диэлектриков по сравнению с газообразными, объясняется значительно меньшей длиной свободного пробега электронов.

Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняется местным перегревом жидкости (за счёт энергии, выделяющейся в сравнительно легко ионизирующихся пузырьках газа), который приводит к образованию газового канала между электродами.

Наличие воды в жидком диэлектрике, даже в очень небольших количествах, сильно снижает его электрическую прочность. Вода при нормальной температуре не смешивается с жидким диэлектриком, а содержится в нём в виде мельчайших капелек. Под влиянием электрического поля эти капельки воды (сильно полярной жидкости) поляризуются и создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой.

Наблюдается своеобразная зависимость электрической прочности жидкого диэлектрика, содержащего воду от температуры. При повышении температуры выше комнатной, вода переходит из состояния эмульсии в состояние молекулярного раствора, в котором она более слабо влияет на величину электрической прочности. Вследствие этого электрическая прочность жидкого диэлектрика, в частности трансформаторного масла, возрастает до некоторого максимума. А дальнейшее снижение электрической прочности объясняется явлениями кипения жидкости. При снижении температуры при условии, когда вода не успевает испариться из масла, электрическая прочность изменяется по той же кривой. В сухом масле, не содержащем воды, электрическая прочность не зависит от температуры в пределах до 80 ^оС, когда начинается кипение лёгких масляных фракций и образование большого количества пузырьков пара внутри жидкости.

Увеличение электрической прочности трансформаторного масла при низких температурах связывают с увеличением вязкости масла и меньшими значениями диэлектрической проницаемости льда по сравнению с водой.

Твёрдые вкрапления (сажа, волокна и т. п.) искажают электрическое поле внутри жидкости и также приводят к снижению электрической прочности диэлектрических жидкостей.

Очистка жидких диэлектриков, в частности масел, от примесей заметно повышает электрическую прочность. Так, например, неочищенное трансформаторное масло имеет электрическую прочность примерно 4 МВ/м; после тщательной очистки она повышается до 20 – 25 МВ/м.

На пробой жидких диэлектриков, как и газов, оказывает влияние форма электродов: с увеличением степени неоднородности электрического поля пробивное напряжение при одинаковых расстояниях снижается. В неоднородных электрических полях, так же как и в газах, может быть неполный пробой – корона. Сколь либо длительная корона в жидких диэлектриках недопустима, так как она вызывает разложение жидкости.

Так же к факторам, влияющим на электрическую прочность, следует отнести частоту тока. С увеличением частоты электрическая прочность жидких диэлектриков уменьшается.

1. Что происходит при контакте двух полупроводников с разным типом проводимости. Начертите вольт-амперную характеристику полупроводникового диода с кратким объяснением этой характеристики.

В электротехнике особое значение получила односторонняя электропроводность пластинки, состоящей из половинок с разными типами электропроводности (p и n). На этом принципе основано действие полупроводниковых диодов.

Электроды, на которые может быть подана определённая разность потенциалов, наложены на торцы пластинки.

Без создания электрического поля за счёт поданных на электроды потенциалов на границе между половинками с разными типами проводимости в так называемом электронно-дырочном переходе (или p – n-переходе) образуется тонкий запорный слой, порядка 10^-5 см, через который не проходят ни электроны, ни «дырки». Механизм образования этого запорного слоя сводится к следующему физическому процессу.

В половинке с p-проводимостью концентрация «дырок» больше, чем в зоне с n-проводимостью; в последней же имеется повышенная концентрация электронов. Благодаря этому происходит диффузия «дырок» и электронов из одной половины в другую, приводящая к появлению отрицательного заряда у p – n-перехода в области с p-проводимостью и положительного заряда в области с n-проводимостью. Эти заряды создают внутреннее диффузное поле, прекращающее диффузию «дырок» и электронов через зону действия этого поля – через запорный слой. При приложении к электродам разности потенциалов, когда на электрод, присоединённый к половинке с p-проводимостью подсоединён отрицательный, а к электроду половинки с n-проводимостью – положительный полюс, создаваемое ими поле совпадает с диффузным полем, p – n-переход остаётся запертым – ток проходить не будет.

При приложении разности потенциалов противоположных знаков внешнее поле будет направлено против диффузного, в результате чего через p – n-переход будут свободно проходить электроны и «дырки», полупроводник повышает электропроводность – через пластинку пройдёт ток, p – n-переход будет открыт.