Понятия и термины электротехнических величин, процессов, закономерностей, явлений

Лекция № 1

ВВЕДЕНИЕ

Электротехническими называют материалы, характеризуемые определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике с учетом этих свойств.

На практике различные материалы подвергаются воздействиям как отдельно электрических и магнитных полей, так и их совокупности. Электротехнические материалы в магнитном поле подразделяются на сильномагнитные (магнетики), и слабомагнитные, а в электрическом поле - на проводниковые, диэлектрические и полупроводниковые.

Электрорадиоматериалы необходимы для изготовления проводов, антенн, изоляторов, конденсаторов, резисторов, катушек индуктивности, трансформаторов, электродвигателей и генераторов, магнитов, диодов и транзисторов, электронных ламп, электро-преобразователей, лазеров, приемников света, запоминающих устройств ЭВМ и т.д. От их свойств зависит работа электрической схемы прибора и системы в целом.

Быстрый рост промышленности во всех ее отраслях сопровождается непрерывным увеличением номенклатуры применяемых материалов, совершенствованием технологии их изготовления и все более широким использованием новых, ранее не применявшихся в технике видов сырья.

В настоящее время новые электротехнические материалы появляются в результате предварительного глубокого изучения физических, механических и химических характеристик таких веществ, которые могли бы быть использованы в качестве технических материалов.

Для понимания электрических, магнитных и механических свойств материалов и других их особенностей необходимо исследовать структуру и химический состав материалов. Обеспечение высокого качества материалов потребовало включения в программу подготовки специалистов-электриков настоящего курса в котором рассматриваются:

1) теоретические положения, на основе которых изучаются и испытываются материалы, применяемые в электротехнике и энергетике;

2) классификация электрических материалов по их назначению, составу и свойствам;

3) основные характеристики, по которым оценивается пригодность материалов для их использования в электротехнике и энергетике;

4) основные особенности технологии электротехнических материалов;

5) наиболее характерные, технически и экономически обоснованные применения электрических материалов в практике.

ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН, ПРОЦЕССОВ, ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ, ЯВЛЕНИЙ

Основным свойством вещества по отношению к электрическому полю является электропроводность, т.е. способность проводить электрический ток под воздействием постоянного электрического напряжения. Если вещество находится в электрическом поле с напряженностью Е, то имеющиеся в веществе свободные заряженные частицы - носители заряда -под действием силы F=qE (где q - заряд частицы) приобретают ускорение в направлении вектора E(для носителей, имеющих положительный заряд q) или в противоположном направлении (для -q). Возникающее таким образом упорядоченное в пространстве (в отличии от хаотического теплового) движение электрических зарядов и есть электрический токв веществе.

Для случая, когда в веществе существуют свободные носители заряда только одного вида, плотность тока I, т.е. электрический заряд, переносимый за единицу времени через единицу площади, перпендикулярно к Е,

, (1.1)

где N - число находящихся в единице объема вещества свободных носителей заряда (концентрация носителей), м^-3; V_Э - средняя скорость упорядоченного движения носителей, возникшего под действием электрического поля. Обычно скорость V_Э пропорциональна напряженности поля Е.

, (1.2)

где - коэффициент пропорциональности, , называемый подвижностью носителя.

С учетом (2) уравнение (1) можно представить в виде

, (1.3)

где - удельная электрическая проводимость, См/м; - удельное электрическое сопротивление, .

В более общем случае, когда в веществе присутствуют носители заряда различных видов q_i удельная проводимость

, (1.4)

причем суммирование распространяется на все виды носителей.

Уравнение (4) представляет собой дифференциальную форму закона Ома. Удельная проводимость и удельное сопротивление определяют плотность тока в веществе при заданно напряженности электрического поля, т.е. количественно характеризуют явление электропроводности.

Параметры и определяют также рассеяние электрической энергии в веществе. В соответствии с дифференциальной формой закона Джоуля-Ленца энергия электрического поля (в Вт/м³) с напряженностью Е превращается в тепло за единицу времени в единице объема вещества:

. (1.5)

Отсюда легко перейти к формулам для проводимости G, сопротивления R и рассеиваемой мощности P для тела любых размеров и формы, изготовленного для данного материала.

Если к телу из однородного и изотронного материала приложено

постоянное напряжение V, то:

; ;

. (1.6)

Здесь - геометрический параметр тела, м, называемый приведенной длинной. Параметр для тела с постоянным по всей длине поперечным сечением S и длинной h (например, жила провода или кабеля, диэлектрик плоского конденсатора)

. (1.7)

Значения и разных электроматериалов резко различны. У веществ в сверхпроводящем состоянии удельное сопротивление практически равно нулю, а у разряженных газов стремится к бесконечности.

Обычно к проводникам относят вещества с удельным сопротивлением менее 10-5 ; удельное сопротивление полупроводников составляет 10 10 . Однако при классификации веществ по электрическим свойствам кроме значения необходимо учитывать и физическую природу электропроводности, в частности и вид свободных носителей заряда и характер зависимости от температуры. В зависимости от структуры и внешних условий порядок значений вещества может различаться весьма существенно. Так углерод в аллотропической модификации графита - проводник, а в модификации алмаза - диэлектрик; твердые и жидкие металлы - проводники, но пары металлов диэлектрики.

Проводниковые материалыслужат для проведения электрического тока. Обладают малым или заданным удельным сопротивлением. К ним относятся сверхпроводниковые, криопроводниковые материалы и материалы высокого сопротивления.

Полупроводниковые материалы используют в технике в тех случаях, когда необходима управляемая напряжением, температурой, освещенностью и др. факторами проводимость.

Диэлектрики как вещества с высоким удельным сопротивлением используют в частности, в качестве электроизоляционных материалов. В конденсаторах диэлектрики служат для создания заданной емкости.

Активные диэлектрики отличаются тем, что принимают активное участие в работе электрической схемы: в соответствующих схемах служат для генерации, усиления, модуляции, преобразования электрических сигналов. Это материалы для лазеров и мазеров, сегнето-, пьезо- и пироэлектрики электрооптические и нелинейнооптические материалы, электреты и др.

Магнитные материалыв отличие от немагнитных обладают способностью намагничиваться, а некоторые из них сохраняют свою намагниченность и после прекращения воздействия магнитного поля.

По агрегатному состоянию электроматериалы подразделяют на твердые, жидкие и газообразные. Применяют и четвертое состояние - плазму, возникающую в частности после пробоя диэлектриков.

Твердые материалы по структуре могут быть монокристаллическими, поликристаллическими, аморфными и смешанными.

Монокристаллы- это однородные анизотропные тела, которые характеризуются правильным порядком в расположении атомов во всем объеме и состоят из периодически повторяющихся одинаковых кристаллических ячеек.

Поликристаллические материалы состоят из большого числа сросшихся друг с другом кристаллических зерен, хаотически ориентированных в разных направлениях: металлы, многие керамические материалы. Они обычно изотропны, если не создать упорядоченность (например, механической обработкой металла, поляризацией сегнетокерамики).

В аморфных материалах отсутствует строго упорядоченное расположение атомов. Аморфные тела - это затвердевшие жидкости, которые образуются с понижением температуры при сравнительно быстром повышении вязкости, затрудняющем перемещение молекул, необходимо для формирования и роста кристаллов (стекла и смолы).

Смешанные (аморфно-кристаллические) материалы- частично закристаллизованные аморфные. Эту структуру имеют многие полимеры. Стекло определенных составов при выдержке при повышенных температурах начинает кристаллизоваться - превращается в ситалл.

Химические связи между атомами вещества делят на ионные, атомные (или ковалентные), металлические и молекулярные.

Ионные связи обусловлены кулоновским притяжением противоположно заряженных ионов. Такие связи наиболее характерны для неорганических диэлектриков: , .

Атомные(ковалентные) связи возникают между атомами путем образования общих пар валентных электронов - по одному от каждого атома. В отличие от ионной атомная связь имеет направленный характер - она образуется в том направлении, в котором расположена наибольшая плотность объединенных электронов. Поэтому вещества с атомными связями обычно твердые и хрупкие (германий, кремний, алмаз, соединения SiC, BN, газы Н2, О2, N2 органические соединения - полиэтилен (С2Н4)n, политетрафторэтилен (С2F4)n и др. Связи между отдельными молекулами этих соединений - молекулярные.

Металлические связи - это связи положительно заряженных ионов металла, образуемые оторвавшимися от атомов коллективизированными валентными электронами. Неправильный характер связи обуславливает высокую пластичность металлов.

Молекулярные связи существуют между отдельными молекулами за счет электростатического притяжения имеющимися в них зарядами противоположных знаков (силы Ван-дер-Ваальса). Эти связи удерживают вместе молекулы в твердом водороде Н2, азоте N2, углекислом газе СО2 и др. Соединениях - полиэтилене, политетрафторэтилене. Ввиду слабости молекулярных связей эти вещества легко разрушаются при тепловом движении молекул и имеют низкие температуры плавления и кипения.

Контрольные вопросы

1. В чем состоят основные представления о строении вещества?

2. Классификация материалов с помощью зонной теории твердого тела и по магнитным свойствам.