Потери в диэлектриках в переменных электрических полях. Тангенс угла потерь. Высоко- и низкочастотные диэлектрики.
В идеальном диэлектрике сдвиг фаз между напряжением и реактивной составляющей тока равен 90 градусам. В реальном диэлектрике появляется активная составляющая тока. Зная величину напряжения, круговую частоту и емкость, можно определить реактивную составляющую тока: Iр=U´w´C . Тогда активная составляющая тока – Iа=Iр´ tgd. Рассеиваемая мощность - Р=U´Iа= U´w´C´tgd.
Тангенс угла потерь можно использовать в качестве меры потерь энергии поля в диэлектрике.
Под действием электрического поля в диэлектрике развиваются два основных процесса: поляризация и сквозная электропроводность. Развитие этих процессов может привести к рассеянию энергии электрического поля в диэлектрике. Так, под действием электрического поля свободные носители заряда набирают кинетическую энергию и, сталкиваясь с молекулами вещества, передают им эту энергию. Таким образом, энергия электрического поля трансформируется в тепловую энергию материала. Кроме того, в случае, когда молекулы полярны, внешнее электрическое поле совершает работу по повороту диполей по полю и энергия поля вновь рассеивается в материале.
С увеличением температуры концентрация носителей заряда в диэлектрике повышается, поскольку увеличивается вероятность выхода иона из потенциальной ямы.
Вероятность столкновения носителя заряда со структурной единицей вещества растет. Следовательно, при увеличении температуры потери на сквозную электропроводность возрастают. В неполярных диэлектриках реализуется упругая электронная или упругая ионная поляризация. При развитии упругих процессов потерь энергии нет, поэтому в неполярных диэлектриках основной вид потерь - потери за счет сквозной электропроводности.
|
|
|
В полярных диэлектриках, помимо потерь на сквозную электропроводность, появляются потери на поляризацию, то есть внешнее электрическое поле совершает работу по повороту диполей. Эту работу можно оценить как произведение момента сил (М) на угол поворота (f). При увеличении температуры подвижность диполей растет и момент сил, необходимый для поворота на один и тот же угол, снижается. Рост подвижности диполей при повышении температуры ведет к увеличению угла поворота под действием постоянного момента сил. Таким образом, работа, совершаемая электрическим полем на поворот диполей, при росте температуры вначале увеличивается, а затем уменьшается.
По применению Диэлектрики подразделяют на высокочастотные и низкочастотные.
Высокочастотные - неполярные высокомолекулярные соединения с электронной поляризацией, малой величиной диэлектрической проницаемости ( = 2.2 2.5) и тангенса угла диэлект. потерь (tg = (25)10-4), высоким ро ( = 10181020 Ом*м), высокой электрической прочностью (Епр = 4060 кВ/мм). Вследствие высокой электрической симметрии молекул электрические свойства этих полимеров практически не зависят от температуры и частоты. К высокочастотным полимерам относятся: полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, политетрафторэтилен (фторо-пласт-4), полистирол. Высокочастотные пластмассы, как правило, состоят из чистых смол, так как наполнители ухудшают их диэлектрические свойства. Они применяются для изготовления изоляции высокочастотных кабелей, изоляции обмоточных и монтажных проводов, каркасов катушек индуктивности, в качестве конструкционных материалов.
|
|
|
29. Природа ферромагнетизма, Обменное взаимодействие. Домены.
Согласно гипотезе Ампера внутри атомов и молекул текут молекулярные токи, следовательно, имеются магнитные диполи. Движение электронов вокруг ядер атомов является элементарными токами, создающими магнитные моменты. У атома имеются магнитные моменты ядер, орбитальные магнитные моменты электронов и спиновые магнитные моменты электронов. Но магнитные свойства материалов в основном определяются спиновыми магнитными моментами электронов.
|
|
|
Согласно правилу Хунда заполнение электронных орбиталей производится таким образом, чтобы магнитный и механический моменты электронов были максимальны. У переходных металлов внутренние электронные орбитали (3d или 5f) заполнены не полностью. Поэтому у атомов таких элементом имеется значительный магнитный момент.
Когда внутренние орбитали атомов заполнены, не полностью происходит обмен электронами незаполненных орбиталей соседних атомов. При этом энергия атомов понижается на величину обменной энергии. Ее зависит от квантовомеханической функции - обменного интеграла и взаимной ориентации суммарных спиновых моментов соседних атомов.Обменное взаимодействие может привести к взаимной ориентации магнитных моментов соседних атомов.
Обменный интеграл зависит от расстояния между соседними атомами и от радиуса незаполненных орбиталей. 
Ферромагнетики - а/r>3, параллельная ориентация спиновых магнитных моментов соседних атомов. Антиферромагнетики - а/r<3, магнитные моменты соседних атомов антипараллельны. Парамагнетики - а/r=3, взаимная ориентация магнитных моментов произвольна.
Магнитные моменты соседних атомов ферромагнетиков ориентированны параллельно, однако в кристалле достаточно большой величины все магнитные моменты не могут быть ориентированны параллельно. В противном случае вокруг кристалла появится магнитное поле и энергия системы возрастет. Для снижения энергии системы кристалл разбивается на домены - области спонтанной намагниченности, причем разбиение производится таким образом, чтобы внешнее магнитное поле отсутствовало. 
|
|
|
На границе доменов магнитные моменты атомов не могут быть антипараллельными. В противном случае энергия атомов повысится на величину обменной энергии. Таким образом, на границе доменов происходит постепенный поворот магнитных моментов атомов из одного положения в другое. Тем не менее, энергия атомов на границах доменов оказывается повышенной. Для того, чтобы энергия материала была минимальной необходимо, чтобы протяженность границ доменов была минимальной, или размер доменов был как можно большим.
Росту доменов препятствует магнитострикция - деформация кристаллической решетки под воздействием магнитного поля. Обменное взаимодействие между атомами приводит к появлению дополнительных сил взаимодействия и кристаллическая решетка деформируется. Рост домена ведет к увеличению напряженности локального поля внутри домена и возрастанию деформации решетки. При этом энергия системы увеличивается. Таким образом, противоборство магнитной анизотропии и магнитострикции приводит к установлению оптимального размера магнитных доменов.
31. Намагничивание и размагничивание ферромагнетиков. Петля гистерезиса. Основные магнитные характеристики материалов.
Если после намагничивания ферромагнетика до насыщения отключить внешнее магнитное поле намагниченность ферромагнетика полностью не снимается и сохраняется остаточная индукция. Это вызвано тем, что дефекты структуры, препятствующие перемещению границ доменов при намагничивании, препятствуют обратному смещению границ доменов при размагничивании. Для того чтобы снять остаточную индукцию необходимо приложить поле обратной полярности. При некотором значении напряженности поля (коэрцитивная сила), индукция исчезнет. Дальнейшее увеличение напряженности поля в обратном направлении приведет к намагничиванию ферромагнетика. Отключение внешнего магнитного поля вновь приведет к появлению остаточной индукции, для снятия которой необходимо приложить коэрцитивную силу. Таким образом, при нахождении ферромагнетика в переменном магнитном поле появляется петля гистерезиса. Чем больше в материале дефектов структуры, затрудняющих смещение границ зерен, тем выше значение коэрцитивной силы и шире петля гистерезиса.
Площадь петли гистерезиса характеризует затраты энергии на перемагничивание материала за один цикл. При нахождении магнитных материалов в переменном магнитном поле в них возникают вихревые токи. Повышение электрического сопротивления материала ведет к снижению потерь на вихревые токи.
Все магнитные материалы принято условно разделять на магнитомягкие и магнитотвердые.
Магнитомягкие – материалы, легко перемагничивающиеся под действием внешнего магнитного поля. Для таких материалов характерны низкие значения коэрцитивной силы и высокие значения магнитной проницаемости. Магнитотвердые - материалы с высокой коэрцитивной силой и большой остаточной индукцией.
33. Магнитотвердые ферриты и их применение.
Магнитотвердыми называют материалы с высокой коэрцитивной силой и большой остаточной индукцией. Их применяют для изготовления постоянных магнитов - источников постоянного магнитного поля. Для того чтобы увеличить коэрцитивную силу нужно затруднить смещение границ доменов. Для этого необходимо чтобы магнитная анизотропия была максимальной, размер зерен был минимальным и материал должен содержать частицы, препятствующие движению границ доменов.
Виды:
1)Промышленные магнитотвердые материалы.
2)Дисперсионно твердеющие сплавы (К таким сплавам относятся сплавы системы Fe-Ni-Al).
3) Деформируемые магнитотвердые материалы
4) Магнитотвердые ферриты (бариевый феррит BaO*6Fe2O3)
5) Высококоэрцитивные магниты. К этой группе материалов относят сплавы редкоземельных элементов с кобальтом типа RСo5 или RСо17, а также сплавы железа или кобальта с платиной. Эти материалы обладают рекордной запасенной магнитной энергией, однако, их широкому применению мешает высокая стоимость
35. Потери в магнитомягких материалах в переменных магнитных полях. Методы снижения потерь.
При нахождении магнитных материалов в переменном магнитном поле в них возникают вихревые токи. Это связано с тем, что переменное магнитное поле вызывает появление переменного электрического поля. Вихревые токи вызывают нагрев материала и обусловливают появление магнитного поля, ослабляющего внешнее поле. В связи с этим появляются потери энергии внешнего магнитного поля на вихревые токи. Повышение электрического сопротивления материала ведет к снижению потерь на вихревые токи.
Магнитомягкими называют материалы легко перемагничивающиеся под действием внешнего магнитного поля. Для таких материалов характерны низкие значения коэрцитивной силы и высокие значения магнитной проницаемости. Их используют для концентрации магнитного поля. В большинстве случаев магнитомягкие материалы работают в переменных магнитных полях, поэтому для них важно высокое удельное электрическое сопротивление.
В высокочастотных полях резко возрастают потери на вихревые токи. Поэтому в высокочастотных полях используют материалы с высоким удельным электрическим сопротивлением – магнитодиэлектрики, ферромагнетики с аморфной структурой и ферриты.
Магнитодиэлектрики получают, смешивая порошкообразные ферромагнетики и органическую или неорганическую связку.
Ферромагнетики с аморфной структурой получают сверхбыстрым охлаждением расплава, при этом скорости охлаждения достигают 106 – 108 градуса за секунду. При столь быстром охлаждении кристаллическая решетка не успевает формироваться, и материал представляет собой переохлажденную жидкость.
Ферритами называют ионные соединения типа MeOFe2O3, которые по химической природе являются солями железноватистой кислоты MeFe2O4, где Ме - катион любого двухвалентного металла, либо два катиона одновалентного металла.
Для материалов, работающих в слабых полях, значение имеет высокое значение начальной магнитной проницаемости. Важна большая подвижность границ доменов в условиях малой напряженности внешнего магнитного поля. Следовательно, такие материалы должны быть однофазными и иметь малую магнитную анизотропию и магнитострикцию.
Увеличение межатомных расстояний между атомами переходных металлов вследствие легирования, приводит к снижению магнитной анизотропии. Поэтому для достижения максимальной магнитной проницаемости используют сильно легированные сплавы. Примером могут служить альсифер и пермаллои.
37. Влияние добавления кремния на электрические, магнитные и механические свойства железа.
Низкое электрическое сопротивление железа приводит к тому, что в переменных полях в железе возникают большие потери на вихревые токи и снижается магнитная проницаемость. При легировании железа кремнием удельное электрическое сопротивление существенно возрастает. Так у сплава, содержащего 5% кремния, удельное электрическое сопротивление достигает 0,7 мкОм м, то есть увеличивается более чем в 7 раз по сравнению с чистым железом.
Кроме того, присутствие кремния в железе снижает магнитную анизотропию и магнитострикцию. У сплава содержащего 6,8% Si магнитная анизотропия в 3 раза меньше чем у чистого железа, а магнитострикция практически равна нулю. При добавке к железу кремния нейтрализуется вредное влияние примесей кислорода и углерода, так как кремний раскисляет сталь и способствует переходу углерода из карбида железа в графит.
Взаимодействие кремния с дислокациями приводит к снижении их подвижности, поэтому снижается пластичность сплавов. Поэтому промышленные сплавы железа с кремнием (электротехнические стали) содержат не более 5% Si.
Поскольку у электротехнических сталей сохраняется магнитная анизотропия, то для улучшения магнитных свойств применяют текстурованную сталь, то есть сталь, у которой некоторые кристаллографические направления в соседних зернах совпадают.
Для эффективного использования текстурованной электротехнической стали магнитный поток должен проходить вдоль направления легкого намагничивания.
Электротехническая кремнистая сталь классифицируется по следующим параметрам: структурному состоянию, содержанию кремния, основной нормирующей единице.
.
38 Конструкционные материалы. Стали
Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, строительных сооружений, опор , перекрытий, мостов, которые подвергающиеся механическим нагрузкам. Эти детали и конструкции характеризуются большим разнообразием форм, размеров, условий эксплуатации. Они работают при статических, циклических и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых эксплуатационные, технологические и экономические.
Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода до 2.14% - стали.
Стали классифицируют: по назначению, химическому составу, качеству и т.д.. Рассмотрим маркировку и общие характеристики некоторых сталей.
По назначению: строительные, машиностроительные, инструментальные. По содержанию углерода: мало-, средне- и высокоуглеродистые. По легированию: низко-, средне- и высоколегированные. По качеству: обыкновенного кач-ва, качест-ные, высококачест-е. по степени раскисления: спокойные, полуспокойные, кипящие. и т.д.
Углеродистая сталь
Сплав железа с легирующим элементом углеродом, называется углеродистая сталь. 80% всех выпускаемых сталей – это углеродистые стали (самые дешевые). Обладают удовл. механическими свойствами, хорошо обрабатываются давлением, резанием, пластичны.
углеродистые стали обыкновенного качества маркируются буквами Ст и цифрой от 1 до 6, в зависимости от содержания углерода. изготавливают балки, швеллеры, уголки, прутки для строительства, листовой прокат, проволоку и др.
углеродистых качественных сталях содержится меньше сопутствующих примесей. По ГОСТу такую сталь обозначают цифрами 45, 85 и т.д., которые указывают процентное содержание углерода в сотых долях процента. Для болтов, гаек, пальцев, валов, осей
Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 498; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!