ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Все электротехнические материалы делят на три группы по их главному свойству — электропроводности, т. е. по способности материалов проводить электрический ток.
Материалы, из которых изготовляют токоведущие части электрических машин и аппаратов, должны хорошо проводить электрический ток, т. е. обладать малым электрическим сопротивлением. Эту группу электротехнических материалов составляют проводниковые материалы, к которым относятся чистые металлы и сплавы металлов.
Другую группу составляют электроизоляционные материалы (диэлектрики). Они обладают большим электрическим сопротивлением, поэтому с помощью диэлектриков изолируют токоведущие части друг от друга и от заземленных частей электрооборудования. В конденсаторах электроизоляционные материалы используют для создания электрической емкости.
И третью группу входят полупроводниковые материалы (полупроводники). Эта группа материалов по своей способности проводин, электрический ток занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Полупроводники применяют для изготовления выпрямителей, усилителей, фотоэлементов и других полупроводниковых приборов, широко используемых в различных областях электротехники.
Приведенное разделение электротехнических материалов на три группы было произведено, как уже было сказано, по их способности проводить электрический ток, однако это свойство электротехнических материалов не является единственным.
|
|
|
Среди электротехнических материалов есть группа материалов, которые обладают способностью намагничиваться. Это магнитные материалы, применяемые для создания среды с малым магнитным сопротивлением (магнитопроводы, сердечники), т. е. для концентрации магнитной энергии. Из магнитных материалов изготовляют магнитопроводы (сердечники) для электрических машин, аппаратов и приборов.
По отношению к электрическому току большинство магнитных материалов является проводниками (чистое железо и сплавы на основе железа), но некоторые из магнитных материалов — ферриты— относятся к полупроводникам. По сравнению с металлическими магнитными материалами ферриты обладают большим электрическим сопротивлением. Это обеспечивает им малые потерн (па вихревые токи) при работе в переменном магнитном поле.
Приведенное деление электротехнических материалов не исчерпывает всех различий между ними. Внутри каждой из этих основных групп можно провести еще более подробную классификацию. Так, группу проводниковых материалов обычно делят па материалы с малым удельным сопротивлением и материалы с большим удельным сопротивлением. Электроизоляционные материалы делят на газообразные, жидкие и твердые. Кроме того, различают электроизоляционные материалы органические (смолы, лаки, пластмассы и др.) и неорганические (слюда, керамика и др.).
|
|
|
Среди магнитных материалов различают магнитно-мягкие, т. е. легко намагничивающиеся материалы, и магнитно-твердые, которые намагничиваются с трудом, но способны длительное время сохранять сообщенную им магнитную энергию.
Из приведенной классификации видно большое разнообразие электротехнических материалов и различие их свойств. Последние определяют области применения материалов в электротехнике. Так, проводниковые материалы с малым удельным сопротивлением идут для изготовления обмоточных, монтажных и установочных проводов и кабелей. Проводниковые материалы с большим удельным сопротивлением используют в производстве добавочных сопротивлений, реостатов и нагревательных приборов.
Магнитно-мягкие материалы применяют для изготовления магнитопроводов (сердечников) в электрических машинах, аппаратах и приборах.
Из магнитно-твердых материалов изготовляют различного рода постоянные магниты. Ферриты используют преимущественно на высоких частотах.
Для создания стойких к атмосферным воздействиям изоляционных конструкций — изоляторов используют электрокерамические материалы — электрофарфор и стеатит.
|
|
|
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Из металлических проводниковых материалов изготовляют обмоточные и монтажные провода и кабели. Поэтому такие материалы должны обладать большой проводимостью, чтобы не допускать больших потерь электрической энергии. В некоторых устройствах проводниковые материалы выполняют роль нагревателей. В этом случае такие материалы должны обладать малой проводимостью, т. е. более высоким электрическим сопротивлением. Отсюда ясно, что электропроводность металлов, предназначенных для проводников, является основным их свойством. Значительная электропроводность металлических проводников обусловливается наличием в них большого количества свободных электронов.
До воздействия на проводник электрического напряжения свободные электроны находятся в беспорядочном тепловом движении. Они передвигаются в разных направлениях, распределяясь равномерно по всему объему металла. Сами же атомы, потерявшие электроны, превращаются в положительные ионы, которые расположены в узлах кристаллической решетки. Таким образом, металлический проводник состоит из положительных ионов, колеблющихся около своих узлов, и их хаотично движущихся свободных электронов.
|
|
|
Если к концам металлического проводника приложить электрическое напряжение, то электроны будут двигаться (дрейфовать) от конца проводника, подключенного к минусу источника тока, к концу проводника, подключенного к плюсу источника тока *. Это направленное движение электронов и есть электрический ток в металлах. Так как количество свободных электронов в металлическом проводнике очень велико, то электрический ток в нем будет увеличиваться во столько раз, во сколько повысится напряжение, приложенное к проводнику. Это означает, что величина проводимости G или величина электрического сопротивления R металлов при изменении напряжения остается постоянной, что и является характерным свойством всех металлических проводников.
Это свойство выражается линейной зависимостью тока от напряжения (законом Ома)
(7)
где U — величина приложенного напряжения,
В, R — сопротивление проводника, ом,
G — проводимость проводника:
* Условно принято считать перемещение зарядов от положительного полюса источника тока к отрицательному полюсу.
На величину электрического сопротивления любого металлического проводника оказывает влияние температура. С повышением температуры сопротивление проводника увеличивается, а с понижением температуры — уменьшается.
Если довести температуру до абсолютного нуля, то проводник может превратиться в сверхпроводник, для которого характерным является весьма малое сопротивление, а у некоторых сверхпроводников (Pb, Al, Zn и др.) оно становится равным нулю.
Нагрев проводника повышает энергию ионов, составляющих его кристаллическую решетку, в результате чего их колебания в узлах кристаллической решетки усиливаются. Это усиление колебаний ионов в металле затрудняет движение электронов, которые чаще сталкиваются с ионами и в меньшем количестве участвуют в создании электрического тока. Поэтому при увеличении температуры проводника ток в нем уменьшается, хотя напряжение остается неизменным. Это свидетельствует об увеличении сопротивления проводника. Если через R0 обозначить величину электрического сопротивления проводника при некоторой начальной температуре to, а через Rt— сопротивление при температуре t, то это сопротивление можно подсчитать по формуле
(8)
где Rt — сопротивление проводника при температуре t,R0 — сопротивление проводника при начальной температуре (0°, 20° С или др.); а — температурный коэффициент электрического сопротивления при начальной температуре t0 проводника, а показывает, на сколько изменяется сопротивление проводника в 1 ом из данного материала при изменении его температуры на ГС**.
Величины R и G относятся к проводнику любых заданных размеров, поэтому они не могут характеризовать материал как таковой.
Величина, с помощью которой количественно оценивается электрическое сопротивление материала, называется удельным электрическим сопротивлением.
Оно обозначается греческой буквой р. Эта величина определяется из формулы: 
(9)
где R — общее сопротивление проводника.
Общее электрическое сопротивление проводника R находят непосредственным измерением, а по формуле (9) вычисляют величину удельного сопротивления проводника:
(10)
Если выразить R в омах, длину образца I в метрах, а площадь поперечного сечения S в квадратных миллиметрах, то удельное сопротивление проводникового материала будет выражаться в ом*мм2/м.
Отрезок металлического проводника для измерения удельного сопротивления
Удельное электрическое сопротивление р есть основная электрическая характеристика, так как она позволяет оценить сопротивление, оказываемое материалом при протекании через него электрического тока.
Чем меньше р, тем лучше проводниковый материал, так как он в большей мере способен проводить электрический ток. Так, у проводниковой меди р=0,0175-0,0182 ом*мм2/м, у проводникового алюминия р=0,0279-0,0283 ом*мм2/м*. Эти значения удельного электрического сопротивления показывают, что медь лучше проводит ток по сравнению с алюминием. Величины удельного сопротивления относятся к проводникам, имеющим длину 1 м и площадь поперечного сечения 1 мм2.
Свойство различных металлов, в том числе и проводниковых, проводить электрический ток часто оценивается еще величиной удельной проводимости γ. Эта характеристика есть величина, обратная удельному электрическому сопротивлению, т. е.
Удельная проводимость измеряется в ом-1*см-1
Она непосредственно указывает, в какой мере тот или иной материал проводит ток. Так, у серебра удельная проводимость у = 65,8 м/ом-мм2, а у меди у=57 м/ом-мм2, т. е. серебро лучше проводит электрический ток, так как его удельная проводимость больше, чем у меди.
Дата добавления: 2022-06-11; просмотров: 60; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!