Раздел 1) Классификация диэлектрических материалов. Органические и не органические диэлектрики.
Электроизоляционными материалами или диэлектриками называются вещества, с помощью которых осуществляется изоляция элементов или частей электрооборудования, находящихся под разными электрическими потенциалами. По сравнению с проводниковыми материалами (проводниками) диэлектрики обладают значительно большим электрическим сопротивлением. Характерным свойством диэлектриков является возможность создания в них сильных электрических полей и накопления электрической энергии. Это свойство диэлектриков используется в электрических конденсаторах и других устройствах. Согласно агрегатному состоянию диэлектрики делятся на газообразные, жидкие и твердые. Особенно большой является группа твердых диэлектриков (высокополимеры, пластмассы, керамика и др.). Согласно химическому составу диэлектрики делятся на органические и неорганические. Основным элементом в молекулах всех органических диэлектриков является углерод. В неорганических диэлектриках углерода не содержится. Наибольшей нагревостойкостью обладают неорганические диэлектрики (слюда, керамика и др.). По способу получения диэлектрики делятся на естественные (природные) и синтетические. Наиболее многочисленной является группа синтетических электроизоляционных материалов. В результате органического синтеза могут быть созданы диэлектрики с заданным комплексом необходимых электрических и физико-химических свойств. Поэтому группа синтетических электроизоляционных материалов имеет очень широкую область применения в электротехнике.
С точки зрения строения молекул диэлектрики обычно делят на нейтральные и полярные.
2 раздел 2) Классификация проводниковых материалов.
Проводниковые материалы в зависимости от величины удельного сопротивления и применения подразделяют на следующие группы: 1) металлы и сплавы высокой проводимости; 2) сплавы с повышенным и высоким удельным сопротивлением; 3) жаростойкие проводящие материалы; 4) криопроводники; 5) сверхпроводники; 6) материалы для контактов; 7) припои. Проводниковые материалы кроме высокой удельной проводимости (малого удельного сопротивления) должны иметь достаточную прочность, хорошие технологические свойства, коррозионную стойкость, хорошо свариваться и подвергаться пайке. Практическое применение в приборостроении находят химические чистые металлы Cu, Al, Ag, Au, Sn, Re, Bi и другие, используемые в качестве проводниковых материалов, материалов покрытий. К сплавам с повышенным и высоким удельным сопротивлением относятся медно-никелевые сплавы: манганин, мельхиор, нейзильбер, константан; сплавы с особыми свойствами – никелевые, никель-хромовые, идущие для изготовления различных резисторов (их называют еще резистивные материалы). К материалам с высоким удельным сопротивлением можно отнести и материалы для термопар. Жаростойкие проводящие материалы кроме высокого удельного сопротивления имеют высокую рабочую температуру. Это сплавы на основе Cr-Ni (нихромы) и Fe-Cr-Al (фехром, хромали), обладающие повышенной стойкостью к окислению при высоких температурах за счет легирования Al. Их применяют для изготовления нагревательных элементов, пусковых реостатов, работающих в тяжелых условиях. Сверхпроводниками являются ниобий, сплавы на его основе. Применяются сверхпроводники для изготовления обмоток мощных генераторов, электромагнитов, туннельных диодов, устройств памяти, при создании магнитных полей большой напряженности, в криогенных гироскопах с магнитным подвесом. В настоящее время получены керамические высокотемпературные сверхпроводники, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах минус 160…168оС, которая может быть получена с помощью жидкого азота. Материалы для контактов. Электрические контакты подразделяют на -разрывные – периодически замыкают и размыкают электрическую цепь; -скользящие – осуществляют передачу тока с подвижной части прибора, электрической машины на неподвижную;
-неподвижные – обеспечивают электрическое соединение неподвижных проводников, К криопроводникам относятся материалы, которые при охлаждении до температур ниже минус 170оС приобретают высокую электрическую проводимость, но не переходят в сверхпроводящее состояние.
2 раздел 3) Природа электропроводности металлов
Основными носителями заряда в металлических материалах являются свободные электроны, появляющиеся при образовании металлической связи. Как известно металлическая связь образуется между атомами элементов с валентной электронной оболочкой заполненной менее чем на половину. В этом случае валентные электроны отрываются от атомов и обнажается полностью заполненная электронная оболочка. При этом валентные электроны становятся свободными, образуя «электронный газ». Чем выше плотность электронного газа, тем плотнее упакована кристаллическая решетка металлов. В этой связи следует ожидать что электропроводность металлов с ГЦК решеткой будет выше, чем электропроводность металлов с ОЦК решеткой.
Помимо концентрации электронов на электропроводность оказывает влияние и их подвижность. На подвижность электронов в основном оказывают влияние два фактора: наличие дефектов кристаллической решетки и строение внутренних электронных оболочек атомов. При любом искажении кристаллической решетки распространение электронных волн затрудняется, что аналогично снижению подвижности электронов. Резко снижает подвижность электронов наличие незаполненных внутренних электронных оболочек. В этом случае свободные электроны могут временно захватываться незаполненными внутренними оболочками атомов. Поэтому электропроводность переходных металлов существенно ниже электропроводности обычных металлов.
Очевидно, что высокой электропроводностью будут обладать чистые непереходные металлы с ГЦК решеткой (Ag, Cu, Al, Au).
Высокой механической прочностью будут обладать металлы с низкой энергией дефекта упаковки или сплавы металлов. Однако в случае образования твердого раствора помимо роста прочности увеличивается и удельное электросопротивление. Поэтому для материалов высокой электропроводности используют лишь такое легирование, когда компоненты не растворяются друг в друге. 2. Электротепловой пробой диэлектриков.
При нахождении диэлектрика в электрическом поле, часть энергии электрического поля рассеи-вается в диэлектрике из-за диэлектрических потерь, и диэлектрик нагревается. Повышение температуры диэлектрика по сравнению с окружающей средой ведет к отводу тепла. Дальнейшее развитие процессов зависит от соотношения скорости отвода тепла и скорости тепловыделения. На рисунке 43 показаны зависи-мости мощности тепловыделения (Ртв) и мощности отвода тепла (Рто) от температуры для неполярного диэлектрика. Как видно из приведенного рисунка в области температур от точки a до точки b мощности отвода тепла превышает мощность тепловыделения, поэтому повышения температуры не происходит. Вне этой области мощность выделения тепла превы-шает мощность отвода тепла и диэлектрик нагре-вается. Нагрев материала диэлектрика может привес-ти к его растрескиванию, оплавлению, обугливанию, что снижает электропрочность диэлектрика и ведет к его разрушению.
Очевидно, что стойкость к электротепловому пробою зависит как от свойств самого материала (у полярных диэлектриков диэлектрические потери выше и стойкость к электротепловому пробою ниже), так и от конструкции изолятора. Чем выше поверхность изолятора, тем больше тепла рассеи-вается в окружающую среду и меньше вероятность электротеплового пробоя.
Следует также отметить, что в случае, когда рабочая температура изолятора приближается к точке b любое повышение температуры приведет к выходу изоляции из строя. В то же время в случае, когда рабочая температура находится ниже точки, а колебания температуры не столь опасны. Нагрев диэлектрика (при нахождении его при температуре ниже точки а) приведет к увеличению мощности отвода тепла. Поэтому мощности выделения и отвода тепла сравняются.