151221 (Электротехнические материалы)

Электротехнические материалы

1. Классификация электротехнических материалов.

Все тела, в зависимости от их электрических свойств, могут быть отнесены к группе диэлектриков, проводников или полупроводни­ков. Различие между проводниками, полупроводниками и диэлект­риками наиболее наглядно можно показать с помощью энергетиче­ских диаграмм зонной теории твердых тел [3].

Энер­гетические уровни.

Схема расположения.

Рис. 1. 1 — нормальный энергетический уро­вень атома; 2— заполненная электро­нами зона; 3— уровни возбужденного состояния атома; 4— свободная зона; 5 — запрещенная зона.

Исследование спектров излучения различных веществ в газо­образном состоянии, когда атомы отстоят друг от друга на больших расстояниях, показывает, что для атомов каждого вещества харак­терны вполне определенные спектральные линии. Это говорит о на­личии определенных энерге­тических состояний (уровней) для разных атомов. Часть этих уровней заполнена электронами в нормальном, невоз­бужденном состоянии атома, на других электроны могут находиться только тогда, когда атом подверг­нется внешнему энергетическому воздействию; при этом он возбуж­ден. Стремясь прийти к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии в момент перехода электронов с возбужденных уровней на уровни, при которых его энергия минимальна. Сказанное можно характери­зовать энергетической диаграммой атома, приведенной на рис. 3.1.

При конденсации газообразного вещества в жидкость, а затем образовании кристаллической решетки твердого тела все имеющиеся у данного типа атомов электронные уровни (как заполненные элект­ронами, так и незаполненные) несколько смещаются вследствие действия соседних атомов друг на друга. Таким образом, из отдель­ных энергетических уровней уединенных атомов в твердом теле образуется целая полоса — зона энергетических уровней.

Рис. 3.2. показывает различие в энергетических диаграммах (при температуре 0° К) металлических проводников, полупроводников и диэлектриков. Диэлектриком будет такое тело, у которого запрещенная зона настолько велика, что электронной электропроводности в обыч­ных условиях не наблюдается. Полупроводниками будут вещества с более узкой запрещенной зоной, которая может быть преодолена за счет внеш­них энергетических воздействий. У металлических проводников заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывается ею. Вследствие этого электроны в металле свободны, так как они могут переходить с уровней заполненной зоны на не занятые уровни свободной зоны под влиянием слабых напряженностей приложенного к проводнику электрического поля.

При отсутствии в полупроводнике свободных электронов (Т = 0° К) приложенная к нему разность электрических потенциалов не вызовет тока. Если извне будет подведена энергия, достаточная для переброса электронов через запрещенную зону, то, став свобод­ными, электроны смогут перемещаться и под действием электриче­ского поля, создавая электронную электропроводность полупровод­ника.

Энергетическое отличие металлических проводников от полупроводников и диэлектриков

Рис. 3.2.

В заполненной зоне, откуда ушел электрон, образовалась «элект­ронная дырка», а потому в полупроводнике начнется другое «эста­фетное» движение электронов, заполняющих образовавшуюся дыр­ку, причем под воздействием электрического поля дырка будет дви­гаться в направлении поля как эквивалентный положительный за­ряд.

Процесс перехода электронов в свободное состояние сопрово­ждается и обратным явлением, т. е. возвратом электронов в нор­мальное состояние. В результате в веществе наступает равновесие, т. е. количество электронов, переходящих в свободную зону, ста­новится равным количеству электронов, возвращающихся обратно в нормальное состояние.

С повышением температуры число свободных электронов в по­лупроводнике возрастает, а с понижением температуры до абсолют­ного нуля — убывает вплоть до нуля.

Таким образом, вещество, представляющее собой диэлектрик при одних температурах, при других, более высоких, может при­обрести проводимость; при этом происходит качественное изменение вещества.

Энергию, необходимую для перевода электрона в свободное состояние или для образования дырки, могут доставить не только тепловое движение, но и другие источники энергии, например, пог­лощенная материалом энергия света, энергия потока электронов и ядерных частиц, энергия электрических и магнитных полей, меха­ническая энергия и т. д.

Увеличение числа свободных электронов или дырок в веществе под воздействием какого-либо вида энергии способствует повышению электропроводности, увеличению тока, появлению электродвижу­щих сил.

Электрические свойства определяются условиями взаимодей­ствия атомов вещества и не являются непременной особенностью данного атома. Например, углерод в виде алмаза является диэлект­риком, а в виде графита он обладает большой проводимостью.

Примеси и связанные с ними дефекты кристаллической решетки также играют большую роль в электрических свойствах твердых тел.

2. Проводники.

В качестве проводников электрического тока могут быть ис­пользованы твердые тела, жидкости, а при соответствующих усло­виях и газы.

Твердыми проводниками являются металлы. Металлические проводниковые материалы могут быть разделены на материалы высокой проводимости и материалы высокого сопротивления. Металлы с высокой про­водимостью используются для проводов, кабелей, обмоток транс­форматоров, электрических машин и т. д. Металлы и сплавы высо­кого сопротивления применяются в электронагревательных прибо­рах, лампах накаливания, реостатах, образцовых сопротивлениях и т. п. [3].

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Как правило, температура плавления металлов высока, за исключением ртути, у которой она составляет около —39° С. Поэтому при нормальной температуре в качестве жидкого металлического проводника может быть использована толь­ко ртуть. Другие металлы являются жидкими проводниками при более высоких температурах (например, при плавке металлов то­ками высокой частоты).

Механизм протекания тока по металлам в твердом и жидком состояниях обусловлен движением свободных электронов, вследствие чего их называют проводниками с электронной проводимостью, или проводниками первого рода. Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы (в основном водные) кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти проводники связано с переносом вместе с электрическими зарядами частей молекулы (ионов), вследствие чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза.

Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются проводниками второго рода. Примером могут служить соляные закалочные ванны с электронагревом. Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превзошла некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с наличием электронной и ионной проводимостей. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электро­нов и положительных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.

Металлические проводники являются основным типом провод­никовых материалов, применяемых в электротехнике.

Классическая электронная теория металлов представляет твер­дый проводник в виде системы, состоящей из узлов кристалличе­ской ионной решетки, внутри которой находится электронный газ из коллективизированных (свободных) электронов. В коллективизи­рованное состояние от каждого атома металла отделяется от одного до двух электронов. При столкновениях электронов с узлами кристаллической ре­шетки энергия, накопленная при ускорении электронов в электри­ческом поле, передается металлической основе проводника, вслед­ствие чего он нагревается. В качестве опытного факта было установлено, что теплопровод­ность металлов пропорциональна их электропроводности.

При обмене электронами между нагретыми и холодными частями металла в отсутствие электриче­ского поля имеет место переход кинетической энергии от нагретых частей проводника к более холодным, т. е. явление, называемое теплопроводностью. Так как механизмы электропровод­ности и теплопроводности обусловливаются плотностью и движе­нием электронного газа, то материалы с высокой проводимостью будут также хорошими проводниками тепла.

Ряд опытов подтвердил гипотезу об электронном газе в метал­лах. К ним относятся следующие:

1. При длительном пропускании электрического тока через цепь, состоящую из одних металлических проводников, не наблю­дается проникновения атомов одного металла в другой.

2. При нагреве металлов до высоких температур скорость теплового движения свободных электронов увеличивается, и наи­более быстрые из них могут вылетать из металла, преодолевая силы поверхностного потенциального барьера.

3. В момент неожиданной остановки быстро двигавшегося про­водника происходит смещение электронного газа по закону инерции в направлении движения. Смещение электронов приводит к появле­нию разности потенциалов на концах заторможенного проводника, и подключенный к ним измерительный прибор дает отброс по шкале.

4. Исследуя поведение металлических проводников в магнитном поле, установили, что вследствие искривления траектории электронов в металлической пла­стинке, помещенной в поперечное магнитное поле, появляется поперечная э. д. с. и изменяет­ся электрическое сопротивление проводника.

К основным характеристикам проводниковых материалов отно­сятся:

1) удельная проводимость или обратная величина — удельное электрическое сопротивление;

2) температурный коэффициент удельного сопротивления;

3) удельная теплопроводность;

4) контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила

(термо - э. д. с);

5) предел прочности при растяжении и относительное удлине­ние при разрыве.

К наиболее широко распространенным материалам высокой проводимости следует отнести медь и алюминий.

Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:

1) малое удельное сопротивление (из всех металлов только се­ребро имеет несколько мень­шее удельное сопротивление, чем медь);

2) достаточно высокая ме­ханическая прочность;

3) удовлетворительная в большинстве случаев приме­нения стойкость по отноше­нию к коррозии (медь окис­ляется на воздухе, даже в ус­ловиях высокой влажности, значительно медленнее, чем, например, железо); интенсивное окисление меди происхо­дит только при повышенных температурах;

4) хорошая обрабатывае­мость — медь прокатывается в листы, ленты и протягивает­ся в проволоку, толщина ко­торой может быть доведена до тысячных долей миллиметра;

5) относительная легкость пайки и сварки.

Вторым по значению, после меди, проводниковым материалом является алюминий. Это металл серебристо-белого цвета, важнейший представитель так называемых легких металлов, алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди. Температурный коэффициент линейного расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем у меди.

Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления, для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата тепла, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.

Алюминий обладает по сравнению с медью пониженными свой­ствами - как механическими, так и электрическими. При одинако­вых сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода больше, чем медного, в 0,028 : 0,0172 = 1,63 раза. Следовательно, чтобы получить алюминиевый провод такого же электрического сопротивления, как и медный, нужно взять его сечение в 1,63 раза большего диаметра медного провода. Алюминиевый провод, хотя и толще медного, легче его приблизительно в два раза.

Отсюда вытекает простое экономическое правило: для изготовления проводов одной и той же проводимости при данной длине (т. е. при прочих равных условиях, при одних и тех же потерях переда­ваемой электрической энергии) алюминий выгоднее меди в том случае, если тонна алюминия дороже тонны меди не более, чем в два раза.

В настоящее время в нашей стране, исходя из экономических соображе­ний, алюминий не только, как правило, заменил медь для воздуш­ных линий передач, но начинает внедряться и в производство изоли­рованных кабельных изделий.

3.Диэлектрические материалы.

Основным, характерным для любого диэлектрика процессом, возникающим при воздействии на него электрического напряжения, является поляризация — ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.

О явлениях, обусловленных поляризацией диэлектрика, можно судить по значению диэлектрической проницае­мости, а также по величине угла диэлектрических потерь, если поляризация диэлектрика сопровождается рассея­нием энергии, вызывающим нагрев диэлектрика [3].

Благодаря наличию в техническом диэлектрике свободных за­рядов, под воздействием электрического напряжения в нем всегда возникает ток сквозной проводимости, малый по величине, проходящий через толщу диэлектрика и по его поверх­ности. В связи с этим явлением диэлектрик характеризуется удель­ной объемной проводимостью и удельной поверхностной проводи­мостью, являющимися обратными величинами соответствующих значений удельного объемного и поверхностного сопротивлений. Особенности поляризации дают возможность подразделить все диэлектрики на несколько групп. Любой диэлектрик может быть использован только при напряже­ниях, не превышающих предельных значений, характерных для него в определенных условиях. При напряжениях выше этих предельных значений наступает явление пробоя диэлектрика — полная потеря им изоля­ционных свойств.