Электромагнитные свойства вещества определяются строением электронных оболочек атомов, из которых оно состоит
Ответы к вопросам по дисциплине «Конструкционные и электротехнические материалы» Вопрос 1. Классификация электротехнических материалов. Энергетические уровни и зоны. Конструкционные и эксплуатационные свойства...................................................................................... 2 Вопрос 2. Основные свойства проводников. Классификация проводниковых материалов................. 4 Вопрос 3 Материалы высокой проводимости. Медь. Получение меди. Марки меди. Специальные сорта меди. Применение........................................................................................................................................... 6 Вопрос 4 Материалы высокой проводимости. Алюминий. Получение . Марки алюминия. Поверхность алюминия. Применение.................................................................................................................................. 7 Вопрос 5 Материалы высокой проводимости. Бронзы. Латуни. Благородные металлы. Применение. 8 Вопрос 6 Материалы высокого удельного сопротивления. Манганин. Константан. Нихром. Фехраль. Применение...................................................................................................................................................... 9 Вопрос 7 Тугоплавкие материалы. Сплавы для термопар. Применение............................................... 11 Вопрос 8 Явление сверхпроводимости. Сверхпроводящие материалы. Применение......................... 13 Вопрос 9 Неметаллические проводящие материалы. Проводящие модификации углерода. Контактолы. Керметы. Оксидные проводящие материалы............................................................................................. 14 Вопрос 10Материалы для подвижных контактов. Материалы для скользящих контактов. Материалы для разрывных контактов.................................................................................................................................... 16 Вопрос 11Классификация и основные свойства полупроводниковых материалов............................. 19 Вопрос 12Германий. Получение. Очистка и выращивание монокристаллов. Применение............... 22 Вопрос 13Кремний. Получение. Очистка и выращивание монокристаллов. Применение. Эпитаксия кремния........................................................................................................................................................... 23 Вопрос 14. Полупроводниковые соединения АIIIBV. Нитриды. Фосфиды. Арсениды. Антимониды. Применение.................................................................................................................................................... 25 Вопрос 15. Полупроводниковые соединения АIIBVI. Сульфиды, селениды и теллуриды цинка. Применение.......................................................................................................................................................................... 25 Вопрос 16. Полупроводниковые соединения АIVBIV. Карбид кремния. Получение. Применение..... 27 Вопрос 17 Классификация и основные характеристики диэлектриков....................................... 28 Вопрос 18 Электропроводность диэлектриков.......................................................................................... 30 Вопрос 19 Поляризация диэлектриков и диэлектрические потери......................................................... 31 Вопрос 20 Диэлектрическая проницаемость материала и угол потерь................................................. 33 Вопрос 21Пробой изоляции и электрическая прочность диэлектрика.................................................. 34 Вопрос 22 Изоляционные газы и жидкости.............................................................................................. 37 Вопрос 23 Особенности пробоя твёрдой изоляции................................................................................... 38 Вопрос 24 Волокнистые изоляционные материалы,лаки и компаунды............................................... 39 Вопрос 25 Композиционные пластмассы и слоистые пластики. Эластомеры................................... 41 Вопрос 26 Электроизоляционные стёкла................................................................................................... 42 Вопрос 27 Керамические диэлектрики...................................................................................................... 44 Вопрос 28 Слюда и слюдяные материалы. Асбест и асбестовые материалы....................................... 46 Вопрос 29 Органические диэлектрические материалы (полимеры)..................................................... 46 Вопрос 30 Активные диэлектрики. Сегнетоэлектрики, их свойства, применение........................... 49 Вопрос 31 Пьезоэлектрики. Основные свойства, применение................................................................ 51 Вопрос 32 Пироэлектрики. Электреты. Основные свойства, применение........................................... 52 Вопрос 33 Электрооптические кристаллы. Жидкие кристаллы. Материалы для твердотельных лазеров.......................................................................................................................................................................... 53 Вопрос 34 Классификация веществ по магнитным свойствам............................................................. 55 Вопрос 35 Петли гистерезиса и магнитные характеристики материала.............................................. 56 Вопрос 36 Материалы для постоянныхи низкочастотных магнитных полей...................................... 58 Вопрос 37 Высокочастотные магнитомягкие материалы....................................................................... 60 Вопрос 38 Магнитные материалы с прямоугольной петлёй гистерезиса и магнито-стрикционные 61 Вопрос 39 Материалы для постоянных магнитов................................................................................ 62 Вопрос 40 Магнитные плёнки для записи информации........................................................................ 64 Вопрос 1. Классификация электротехнических материалов. Энергетические уровни и зоны. Конструкционные и эксплуатационные свойства. Материалы играют определяющую роль в энергетике. Например, изоляторы высоковольтных линий. Исторически первыми придумали изоляторы из фарфора. Технология их изготовления достаточно сложна, капризна. Изоляторы получаются довольно громоздкими и тяжелыми. Научились работать со стеклом - появились стеклянные изоляторы. Они легче, дешевле, их диагностика несколько проще. И, наконец, последние изобретения - это изоляторы из кремнийорганической резины. Первые изоляторы из резины были не очень удачны. На их поверхности с течением времени образовывались микротрещины, в которых набивалась грязь, образовывались проводящие треки, затем изоляторы пробивались. Подробное изучение поведения изоляторов в электрическом поле проводов высоковольтных линий (ВЛ) в условиях внешних атмосферных воздействий позволило подобрать ряд добавок, улучшивших атмосферостойкость, стойкость по отношению к загрязнениям и действию электрических разрядов. В результате сейчас создан целый класс легких, прочных изоляторов на различные уровни воздействующего напряжения. Для сравнения, вес подвесных изоляторов для ВЛ 1150 кВ сопоставим с весом проводов в пролете между опорами и составляет несколько тонн. Это вынуждает ставить дополнительные параллельные гирлянды изоляторов, что увеличивает нагрузку на опору. Требуется использовать более прочные, а значит более массивные опоры. Это увеличивает материалоемкость, большой вес опор значительно поднимает расходы на монтаж. Для справки, стоимость монтажа составляет до 70% стоимости строительства линии электропередач. На примере видно, как один элемент конструкции влияет на конструкцию в целом. Таким образом, электротехнические материалы (ЭТМ) являются одним из определяющих факторов технико-экономических показателей любой системы электроснабжения. Электротехническими называют материалы, применяемые в технике с учетом их свойств по отношению к воздействию на них электрических, магнитных и переменных электромагнитных полей. Основные материалы, которые используются в энергетике, по поведению в электрическом поле подразделяют на проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводникаминазывают материалы, обеспечивающие прохождение электрического тока – электропроводность. Основным электрическим параметром проводников является удельное объёмное электрическое сопротивление ρv – это сопротивление куба с ребром 1 м при протекании тока от одной грани к противоположной, единица измерения Ом·м. Часто используют обратную величину – удельную объёмную электропроводность, γv = 1/ρV, единица измерения См/м (сименс на метр). Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρv < 10–5 Ом·м. Это металлы и сплавы, углеродные материалы, растворы (электролиты), расплавы, ионизированный газ (плазма), некоторые оксиды и другие химические соединения, а также композиционные материалы. Полупроводниками называют материалы, электропроводностью которых можно управлять путём воздействия электрических и магнитных полей, света, температуры и других энергетических факторов. Удельное сопротивление полупроводников ρv находится в пределах от 10–5 до 108 Ом·м. Полупроводниковые свойства проявляют двенадцать элементов из средней части таблицы Менделеева – B (бор), C (углерод), Si (кремний), P (фосфор), S (сера), Ge (германий), As (мышьяк), Se (селен), α-Sn (альфа-олово), Sb (сурьма), Te (теллур), I (йод), а также множество химических соединений, в том числе и органических. Диэлектрическиминазывают материалы с ρv > 108 Ом·м, которые практически не проводят электрический ток. Под действием электрического поля в них происходит поляризация – смещение связанных электрических зарядов. Способность вещества к поляризации характеризуется значением относительной диэлектрической проницаемости ε, которая показывает, во сколько раз вещество, поляризуясь, ослабляет внешнее электрическое поле по сравнению с вакуумом; во столько же раз возрастает ёмкость конденсатора, если пространство между его обкладками заполнить веществом. Диэлектрики, применяемые для целей электрической изоляции материалов, называют пассивными. Качество изоляции характеризуется пробивным напряжением, а также электрической прочностью, которая представляет собой отношение пробивного напряжения к толщине материала. Потери при работе изоляции в переменных полях характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь tg δ, который показывает, какая часть от энергии, запасаемой при поляризации диэлектрика, выделяется в виде тепла. Активныминазывают диэлектрики, свойствами которых можно управлять, и таким образом использовать их для электрических, электромеханических, электрооптических и других преобразований энергии, а также для запоминания и визуального представления информации. Границы, устанавливаемые между классами материалов по значениям удельного электрического сопротивления, несколько условны; многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам, а некоторые проявляют свойство сверхпроводимости; у некоторых диэлектриков при сильном нагревании появляется значительная электропроводность. По поведению в магнитном поле материалы подразделяют на сильномагнитные (магнитные) и слабомагнитные (немагнитные). Более подробная классификация рассматривает 5 групп веществ: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Основным магнитным параметром является относительная магнитная проницаемость μ, которая показывает, во сколько раз вещество изменяет магнитное поле по сравнению с вакуумом (если μ > 1, то усиливает, если μ < 1, то ослабляет). Металлические магнитные материалы проводят электрический ток, поэтому частотный диапазон их использования ограничен устройствами постоянного тока, а также тока промышленной и звуковой частоты. Для использования в высокочастотных и сверхвысокочастотных (СВЧ) устройствах обработки и передачи информации применяют полупроводниковые и диэлектрические магнитныематериалы, которые отличаются малой электропроводностью и малыми потерями энергии на перемагничивание и переполяризацию.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Электромагнитные свойства вещества определяются строением электронных оболочек атомов, из которых оно состоит.
Композиционные материалы объединяют компоненты различной структуры, используя их достоинства и компенсируя недостатки. В них сочетаются механическая прочность, эластичность, тепловая или химическая стойкость одних составляющих с высокими электрическими и/или магнитными характеристиками других. Примером удачной композиции является конденсаторная керамика, представляющая собой смесь мелких кристаллов, соединённых аморфным стекловидным связующим. Ещё пример – пропитанная волокнистая изоляция, которая сочетает прочность волокон и высокие диэлектрические характеристики пропитки; это справедливо и для текстолита (стеклотекстолита), в котором связующий материал полимеризован, т. е. переведен в твёрдое состояние. В медно-графитных щётках сочетаются нагревостойкость и неприхватываемость графита с электропроводностью меди. В магнитодиэлектриках сочетаются магнитные свойства металлических порошков и изоляционные свойства связующей смолы. Соединением мелких кристаллов полупроводника карбида кремния с помощью связующего стекла получают вилит – материал, способный под действием импульса напряжения переходить в проводящее состояние, а после окончания импульса – восстанавливать свои изоляционные свойства.
Различие между проводниками, полупроводниками и диэлектриками наиболее наглядно можно показать с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердых тел.
Исследование спектров излучения различных веществ в газообразном состоянии, когда атомы расположены относительно друг 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.
Рис. 3. Энергетические диаграммы диэлектрика: ЗП – зона проводимости; ЗЗ - запрещенная зона; ВЗ – валентная зона
Энергетические диаграммы диэлектриков, полупроводников и проводников имеют разную ширину запрещенной зоны (рис. 3).
Зоны энергии в кристаллах подразделяются на валентные зоны и зоны проводимости.
Валентные зоны – это полностью занятые электронами зоны, образованные из энергетических уровней электронов внутренних оболочек свободных атомов.
Зоны проводимости – это частично или целиком незаполненные зоны, уровни энергии в которых соответствуют энергиям внешних электронов изолированных атомов или ионов.
Переход электрона из одной зоны в другую осуществляется путем поглощения или отдачи энергии, достаточной для перехода электрона через запрещенную зону.
В металлах даже слабое электрическое поле способно сообщить электронам достаточный импульс, чтобы вызвать их переход в зону проводимости. По этой причине металлы являются хорошими проводниками электрического тока.
У диэлектриков запрещенная зона настолько велика, что электронная электропроводность не играет в них определяющей роли. Поэтому диэлектрики обладают очень высоким электрическим сопротивлением.
Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 401; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!