книги / Электротехническое и конструкционное материаловедение
..pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
В.В. Черняев, А.Г. Щербинин
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ И КОНСТРУКЦИОННОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2018
1
УДК 621.315:621.39 Ч-49
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор Н.М. Труфанова (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);
канд. техн. наук, доцент А.В. Ромодин (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Черняев, В.В.
Ч-49 Электротехническое и конструкционное материаловедение : учеб. пособие / В.В. Черняев, А.Г. Щербинин. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2018. – 98 с.
ISBN 978-5-398-02094-6
Рассмотрены основные электротехнические и конструкционные материалы, применяемые в электротехнике, а также процессы, протекающие в них.
Предназначено для студентов всех форм обучения по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника».
УДК 621.315:621.39
ISBN 978-5-398-02094-6 |
ПНИПУ, 2018 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
1. Общие сведения об электротехнических |
|
и конструкционных материалах.................................................... |
5 |
1.1. Основы строения вещества..................................................... |
5 |
1.2. Классификация электротехнических |
|
и конструкционных материалов............................................. |
6 |
1.3. Зонная теория твердых тел. .................................................... |
6 |
2. Диэлектрики.................................................................................. |
9 |
2.1. Поляризация диэлектриков..................................................... |
9 |
2.1.1. Основные виды поляризации диэлектриков. ............... |
10 |
2.1.2. Эквивалентная схема замещения технического |
|
диэлектрика ..................................................................... |
18 |
2.1.3. Классификация диэлектриков по виду |
|
поляризации..................................................................... |
20 |
2.1.4. Диэлектрическая проницаемость композиционных |
|
диэлектриков. .................................................................. |
20 |
2.2. Электропроводность диэлектриков ..................................... |
23 |
2.2.1. Ток утечки в диэлектриках............................................. |
23 |
2.2.2. Электропроводность газов. ............................................ |
26 |
2.2.3. Электропроводность жидкостей.................................... |
27 |
2.2.4. Электропроводность твердых тел. ................................ |
28 |
2.3. Диэлектрические потери....................................................... |
30 |
2.4. Пробой диэлектриков............................................................ |
33 |
2.4.1. Пробой газов.................................................................... |
34 |
2.4.2. Пробой жидких диэлектриков. ...................................... |
42 |
2.4.3. Пробой твердых диэлектриков. ..................................... |
43 |
2.5. Тепловые свойства диэлектриков ........................................ |
49 |
3. Проводники ................................................................................. |
53 |
3.1. Токопроводящие материалы. ............................................... |
53 |
3.2. Классическая электронная теория металлов....................... |
54 |
3.3. Удельное сопротивление проводников ............................... |
56 |
3
3.3.1. Зависимость удельного сопротивления металлов |
|
от температуры................................................................ |
56 |
3.3.2. Удельное сопротивление сплавов ................................. |
58 |
3.4. Термоэлектродвижущая сила ............................................... |
59 |
3.5. Материалы высокой проводимости..................................... |
60 |
3.5.1. Медь ................................................................................. |
61 |
3.5.2. Алюминий........................................................................ |
63 |
3.5.3. Железо.............................................................................. |
66 |
3.6. Сплавы высокого сопротивления ........................................ |
67 |
3.7. Сверхпроводники .................................................................. |
70 |
4. Полупроводниковые материалы............................................. |
78 |
4.1. Основные свойства и классификация |
|
полупроводников................................................................... |
78 |
4.2. Электропроводность полупроводников. ............................. |
79 |
4.2.1. Собственные полупроводники ...................................... |
79 |
4.2.2. Примесные полупроводники ......................................... |
81 |
4.3. Температурная зависимость концентрации свободных |
|
носителей зарядов в примесном полупроводнике.............. |
85 |
5. Магнитные материалы ............................................................. |
87 |
5.1. Классификация веществ в зависимости |
|
от их магнитных свойств ...................................................... |
87 |
5.2. Намагничивание ферромагнитных материалов.................. |
89 |
5.3. Магнитный гистерезис.......................................................... |
91 |
5.4. Виды материалов в зависимости |
|
от коэрцитивной силы........................................................... |
92 |
5.4.1. Магнитомягкие материалы ............................................ |
92 |
5.4.2. Магнитотвердые материалы .......................................... |
95 |
Список рекомендуемой литературы........................................... |
97 |
4
1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ
ИКОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ
1.1. Основы строения вещества
Основными элементарными частицами, из которых строятся все известные нам вещества, являются протоны, нейтроны и электроны. Согласно упрощенной модели Бора, из протонов и нейтронов состоит атомное ядро, а электроны заполняют оболочки атома (рис. 1.1). Протоны являются носителями положительного заряда, электроны имеют точно такой же заряд, что и протоны, только отрицательный. Нейтроны – частицы с массой, близкой к массе протона, но без заряда.
Поскольку число протонов атома равно количеству электронов, суммарный заряд атома равен нулю. Нейтральный атом, получив некоторое количество энергии извне, может лишиться части электронов. При этом число протонов превысит количество оставшихся в атоме электронов. Такой атом с избытком протонов приобретет положительный заряд и будет называться положитель-
ным ионом, а сам процесс образования |
Рис. 1.1. Модель атома |
|
Н. Бора |
||
ионов – ионизацией. |
||
|
Атом имеет размеры порядка нанометра (1 нм = 10–9 м). Молекулы различных веществ содержат различное число атомов (например, гелий и аргон – одноатомные газы, водород и кислород – двухатомные и т.д.). Молекулы, в которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают, называются нейтральными. Если же в отдельных молекулах центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга, то такие молекулы называ-
ются полярными или дипольными.
5
1.2.Классификация электротехнических
иконструкционных материалов
Материалы, используемые в электротехнике, можно условно разделить на конструкционные и электротехнические.
Конструкционные материалы используются для изготов-
ления вспомогательных деталей и элементов электротехнических изделий, воспринимающих, как правило, механические нагрузки.
Электротехнические материалы характеризуются опреде-
ленными свойствами по отношению к электромагнитным полям и применяются в технике с учетом этих свойств. По способности проводить электрический ток все электротехнические материалы можно подразделить на проводники, полупроводники и диэлектрики.
Проводник – вещество (среда, материал), хорошо проводящее электрический ток. В проводнике имеется большое число свободных носителей зарядов, которые могут свободно перемещаться внутри проводника и под действием приложенного к проводнику электрического напряжения создавать ток проводимости.
Диэлектрик – вещество, относительно плохо проводящее электрический ток.
Полупроводники – вещества, по своей удельной проводимости занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками и отличающиеся от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения.
Возникает естественный вопрос: чем же различаются между собой эти материалы? Почему одни достаточно хорошо проводят электрический ток, а другие его практически не пропускают?
Ответ на этот вопрос дает зонная теория твердых тел.
1.3. Зонная теория твердых тел
Исследование спектров излучения различных веществ показывает, что для атомов каждого вещества характерны вполне определенные спектральные линии. Это говорит о наличии опреде-
ленных энергетических состояний (уровней) для разных атомов.
6
Часть этих уровней заполнена электронами в нормальном, невозбужденном состоянии атома, на других уровнях электроны могут находиться только после того, как атом испытает внешнее энергетическое воздействие, при котором он возбуждается. Стремясь прийти к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии в момент возвращения электронов на уровни, при которых энергия атома минимальна.
Когда из отдельных атомов образуются молекулы, а из молекул образуется вещество, все имеющиеся у данного типа атомов электронные уровни (как заполненные электронами, так и незаполненные) несколько смещаются вследствие воздействия соседних атомов друг на друга. Таким образом, из отдельных энергетических уровней уединенных атомов в твердом теле образуются целые полосы – зоны энергетических уровней (рис. 1.2).
3
Энергия
1
5
W 4
2
Атом |
Твердое тело |
а |
б |
Рис. 1.2. Схема расположения энергетических уровней уединенного атома (а) и твердого тела (б)
Нормальные энергетические уровни 1 образуют заполненную электронами зону 2 (валентную зону). Уровни возбужденного состояния атома 3 образуют свободную зону 5 (зону проводимости).
7
Между валентной зоной и зоной проводимости располагается запрещенная зона 4. Ширина запрещенной зоны W измеряется в электронвольтах.
На рис. 1.3 показаны энергетические диаграммы диэлектрика, полупроводника и проводника (обозначения те же, что и на рис. 1.2).
а |
б |
в |
Рис. 1.3. Энергетические диаграммы твердых тел:
а– диэлектрика; б – полупроводника; в – проводника
Удиэлектриков запрещенная зона (а следовательно, и необходимая для ее преодоления энергия) настолько велика
( W = 3…7 эВ), что в обычных условиях электроны не могут переходить в свободную зону и электронная электропроводность не наблюдается. Однако при воздействии высоких температур и/или сильных электрических полей связанные электроны могут переходить в свободную зону. При этом диэлектрик теряет свои изоляционные свойства.
Полупроводники имеют более узкую запрещенную зону ( W = 0,5…2,5 эВ). Она может быть преодолена за счет небольших внешних энергетических воздействий, например, температуры, света или других источников энергии.
У проводников валентная зона вплотную примыкает к зоне проводимости или даже перекрывается ею.
8
2.ДИЭЛЕКТРИКИ
2.1.Поляризация диэлектриков
Основным характерным для любого диэлектрика процессом, возникающим при воздействии на него электрического поля, является поляризация – ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.
Для того чтобы понять природу поляризации, представим себе конденсатор, образованный двумя обкладками, между которыми находится вакуум (рис. 2.1, а).
а б
Рис. 2.1. Электрическое поле в конденсаторе: а – без диэлектрика; б – с диэлектриком
Если к такому конденсатору подвести напряжение U, на обкладках конденсатора образуются заряды противоположных знаков +Q0 и –Q0. Величина этих зарядов связана с емкостью конденсатора следующим соотношением:
Q C U 0 S U , |
(2.1) |
||
0 |
0 |
h |
|
|
|
|
|
где С0 – емкость конденсатора, между обкладками которого находится вакуум; 0 – электрическая постоянная, 0 8,85 10 12 Ф/м;
9
S – площадь обкладки конденсатора; h – расстояние между обкладками конденсатора.
Если теперь между обкладками конденсатора поместить диэлектрик (рис. 2.1, б), то имеющиеся в диэлектрике связанные заряды смещаются в направлении действующих на них сил электрического поля. Связанные заряды диэлектрика смещаются таким образом, что на поверхности, обращенной к положительной обкладке, образуется отрицательный заряд, а на поверхности, обращенной к отрицательной обкладке, положительный.
Наличие связанных (не способных покинуть диэлектрик) зарядов на поверхности диэлектрика приводит к тому, что на обкладках появляется дополнительный заряд Qд, равный заряду на поверхности диэлектрика. Таким образом, суммарный заряд на
обкладках конденсатора |
|
Q = Q0 + Qд. |
(2.2) |
Отношение зарядов Q/Q0 является одной из важнейших электрических характеристик диэлектрика и называется
относительной диэлектрической проницаемостью ε или просто диэлектрической проницаемостью:
|
Q |
|
Q0 Qд |
1 |
Qд |
. |
(2.3) |
|
Q0 |
Q0 |
Q0 |
||||||
|
|
|
|
|
Из выражения (2.3) следует, что диэлектрическая проницаемость любого вещества больше единицы, а вакуума равна единице (при Qд = 0).
2.1.1. Основные виды поляризации диэлектриков
Различают быстрые и медленные виды поляризации. К быстрым видам относятся виды поляризации, совершающейся практически мгновенно, вполне упруго, без рассеяния энергии, т.е. без выделения тепла. Это электронная и ионная поляризации.
К медленным (релаксационным) видам относятся виды поля-
ризации, совершающейся не мгновенно. Она нарастает и убывает
10