20) Разряд в воздухе по поверхности твердого диэлектрика

Разрядные напряжения в воздухе вдоль поверхности твердого диэлектрика значительно меньше, чем по тому же пути в чисто воздушных промежутках, и зависят от степени неоднородности электрического поля, расположения поверхности относительно силовых линий поля и состояния поверхности твердого диэлектрика. В однородном поле, когда силовые линии направлены вдоль чистой сухой поверхности твердого диэлектрика (простейшая модель опорного изолятора), средняя напряженность зависит от гигроскопичности диэлектрика и главным образом от влажности воздуха (рис. 6-5). При нормальных условиях и s>0,1 м для фарфора У обычных опорных изоляторов с неоднородным полем при малой нормальной составляющей напряженности разрядное напряжение в сухом состоянии зависит от конструкции арматуры и разрядного расстояния h (рис. 6-6). Относительные значения разрядных напряжений для опорных изоляторов сложной конструкции в сухом состоянии представлены на рис. 6-7.

Рис. 6-5. Зависимость средней напряженности Епер перекрытия фарфоровых цилиндров в однородном поле от относительной влажности воздуха.

Рис. 6-7. Относительные разрядные напряжения в сухом состоянии для сложных опорных изоляторов (D= h).

Рис. 6-6. Разрядные напряжения в сухом состоянии для опорных изоляторов внутренней установки. а - с внешней арматурой; б - с внутренней арматурой.

Разрядное напряжение под дождем опорного изолятора с развитой поверхностью приблизительно соответствует разрядному напряжению воздушного промежутка стержень — плоскость с таким же разрядным расстоянием, поэтому оно может быть оценено по кривым на рис. 6-1. Для приближенных расчетов можно принимать среднюю напряженность под дождем, равной Зависимости разрядных напряжений в сухом состоянии и под дождем для гладкого фарфорового стержня (без ребер) показаны на рис. 6-8. В случае резко неоднородного поля с преобладающей нормальной составляющей напряженности (схема изоляции, соответствующая плоскому конденсатору, показана на рис. 6-9) различают следующие стадии разряда: 1) корона — разрядный процесс в узкой области у края электрода; возникает при напряжении Uк;2) скользящий разряд - нитевидные разряды вдоль поверхности твердого диэлектрика, охватывающие значительную часть разрядного расстояния; возникает при напряжении Uск,3) полное перекрытие - соответствует развитию скользящих разрядов на всю длину разрядного промежутка вдоль поверхности твердого диэлектрика.Напряжения Uк и Uск могут быть определены по эмпирическим формулам где d - толщина твердого диэлектрика, м;  - относительная диэлектрическая проницаемость.Длина канала скользящего разряда lск где U - амплитудное значение приложенного напряжения, кВ; - удельная поверхностная емкость, Ф/м2; dU/dt - максимальная скорость изменения приложенного напряжения, кВ/мкс; - при положительной полярности и - при отрицательной полярности напряжения.Напряжение Unep полного перекрытия определяется из условия равенства длины lск скользящего разряда расстоянию между электродами по поверхности твердого диэлектрика.При расчете изоляции с электродами в виде соосных цилиндров (проходной изолятор) пользуются формулами для плоского конденсатора, но вместо толщины диэлектрика d подставляют величину где Rн - радиус наружного электрода; Rв - радиус внутреннего электрода.Для фарфоровых проходных изоляторов с изоляционным расстоянием по фарфору менее 0,3 м средняя напряженность полного перекрытия в сухом состоянии составляет 0,4-0,45 МВдейств/м.

Рис. 6-8. Зависимость разрядного в сухом состоянии Uсух и разрядного под дождем Uд напряжений гладкого без ребер фарфорового стержня от его длины h.

Рис. 6-9. Схема изоляции с резко неоднородным полем и преобладающей нормальной составляющей напряженности поля.

21) Проводниками называются вещества, внутри которых в случае электростатического равновесия электрическое поле равно нулю, т.е. некомпенсированные заряды проводников локализуются в бесконечно тонком поверхностном слое, а если электрическое поле отлично от нуля, то в проводнике возникает электрический ток.

Проводниковые свойства проявляют как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы.

В электротехнике из твердых проводников наиболее широко используются металлы и их сплавы, различные модификации проводящего углерода и композиции на их основе.

Металлические проводниковые материалы подразделяются на материалы высокой проводимости и сплавы высокого сопротивления. Металлы высокой проводимости используются в тех случаях, когда необходимо обеспечить минимальные потери передаваемой по ним электрической энергии, а сплавы высокого сопротивления, наоборот, в тех случаях, когда необходима трансформация электрической энергии в тепловую.

К жидким проводникам относятся расплавы и электролиты. Если при прохождении тока через жидкие проводники на электродах не происходит выделение продуктов электролиза, то они относятся к проводникам первого рода. Расплавы ионных кристаллов и электролиты относятся к проводникам второго рода, так как при прохождении через них тока происходит перенос вещества, а на электродах выделяются продукты электролиза.

Газы и парообразные вещества становятся проводниками лишь в определенных диапазонах значений давления, температуры и напряженности электрического поля. Близка к газам по своему агрегатному состоянию особая проводящая среда — плазма.

К особой группе проводящих материалов относятся сверхпроводники.

Современная теория проводников основывается на постулатах квантовой механики. В рамках этой теории предполагается, что при отсутствии внешних воздействий (электрические и магнитные поля, градиент температуры) система подвижных электрических зарядов в проводниках описывается равновесной функцией распределения. Реакция на любое внешнее воздействие, нарушающее равновесное состояние подвижных зарядов, может быть описана с помощью неравновесной функции распределения, конкретный вид которой зависит от типа воздействия и определяется на основе решения кинетического уравнения Больцмана. Количественная связь между внешним воздействием и реакцией на него подвижных носителей заряда описывается с помощью кинетических коэффициентов, из которых наиболее важную практическую роль играют коэффициент электрической проводимости (выражает связь между напряженностью электрического поля в проводнике и плотностью тока) и коэффициент тепловой проводимости (выражает связь между разностью температур на единичной длине проводника и тепловым потоком). Математически эти явления описываются законами Ома и Фурье: , где Е — напряженность электрического поля, В/м; J — плотность тока, А/м;ω — плотность теплового потока, Вт/м; ΔT — разница температур на единичном участке длины проводника, К/м; γ — коэффициент электрической проводимости (удельная электрическая проводимость), См/м; χ — коэффициент теплопроводности, Вт/(м · К).

При наличии градиентов температуры и потенциала в одном или нескольких соединенных проводниках возникает ряд термоэлектрических эффектов. Самые важные из них — эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона. Если градиент температуры вдоль проводника не равен нулю, то на его концах появляется разность потенциалов, называемая термоэлектрической разностью потенциалов, или термоэлектродвижущей силой. При разности температур в 1 К эта разность потенциалов называется удельной (дифференциальной) термоэлектродвижущей силой. В разомкнутой цепи из нескольких разнородных проводников, находащихся при одинаковой температуре, появляется контактная разность потенциалов, равная алгебраической сумме разностей работ выхода электронов из проводников. При замыкании такой цепи ток не возникает, так как контактные разности потенциалов компенсируют друг друга. Если же поддерживать контакты при разных температурах, возникает отличная от нуля термоэлектродвижущая сила, называемая (при разности температур в 1 К) относительной удельной термоэлектродвижущей силой. По имени физика, изучавшего это явление, оно получило название эффекта Зеебека. Этот эффект, положенный в основу работы промышленных термопар, наиболее изучен. Эффект Пельтье состоит в выделении обратимого тепла на контакте двух различных проводников, когда через контакт проходит ток. Эффект Томсона состоит в выделении обратимой теплоты, когда в проводнике протекает ток при наличии градиента температуры.

При одновременном воздействии на проводник электрического и магнитного полей возникают гальваномагнитные эффекты

Наиболее полно к настоящему времени развита теория металлических проводников. Еще на рубеже XIX—XX вв теоретически и экспериментально было показано, что если металл находится в твердом или жидком состоянии, то часть электронов делокализуется, а возникающие в результате этого положительно заряженные ионы образуют (если металл находится в твердом состоянии) кристаллическую решетку. Взаимодействие положительно заряженного остова кристаллической решетки с делокализованными электронами обеспечивает стабильность и устойчивость структуры металлов, а наличие электронов, принадлежащих не отдельным атомам, а всей их совокупности, обеспечивает высокую электрическую проводимость металлов. Однако наиболее точные расчеты кинетических коэффициентов получены на основе современной теории металлов, в которой совокупность делокализованных электронов рассматривается как «Ферми-жидкость», подчиняющаяся статистике Ферми. Наибольшую практическую ценность представляют результаты теоретического исследования электрической проводимости металлов.

В современной теории электропроводности показано, что в идеальной кристаллической решетке электрический или тепловой поток, однажды возникнув, поддерживался бы бесконечно долго, т.е. делокализованные электроны создавали бы бесконечную проводимость, а время релаксации (среднее время свободного пробега электронов) оказалось бы бесконечным. Тот факт, что удельная электрическая проводимость конечна, обусловлен нерегулярностями решетки. Эти нерегулярности делятся на две основные категории. Одни связаны с тепловыми колебаниями, другие являются статистическими. Тепловые колебания решетки нарушают идеальную периодичность кристаллов. Искажения решетки рассеивают электроны, ограничивая длину свободного пробега конечным значением. С уменьшением температуры интенсивность рассеивания уменьшается, и так как ограничения, налагаемые статистикой Ферми, препятствуют рассеянию на нулевых колебаниях, то в области температур, близких к абсолютному нулю, проводимость ограничивается статическими дефектами. Обычно существует целый ряд статических дефектов. Вакансии, междуузельные атомы и примеси замещения составляют группу точечных дефектов. Дислокации являются линейными дефектами. Существуют и двумерные нерегулярности, такие как дефекты упаковки и границы двойников и кристаллитов.

В итоге теория предсказывает, а эксперимент подтверждает, что в области низких температур (меньших температуры Дебая Θ) удельная электропроводность γ пропорциональна T^-5, а при T>Θ γ ~ T^-1, где T — температура перехода.

В практике проведения электротехнических расчетов часто используется не удельная проводимость, а величина, ей обратная, ρ(Ом·м). Учитывая это, ρ~Т при T>Θ. Для большинства металлов температура Дебая лежит в области от 100 до 400 К.

В технических расчетах влияние температуры на сопротивление характеризуют температурным коэффициентом удельного сопротивления .

В настоящем справочнике приводится средняя величина α, которая позволяет приближенно определить ρпри произвольной температуре . гдеρ₁ — удельное сопротивление при температуре T₁.

22) К проводниковым материалам с высокой проводимостью относятся медь, алюминий и некоторые сплавы (латунь, фосфористая бронза и др.). Они широко используются для изготовления катушек электрических машин, аппаратов и приборов. К таким материалам предъявляются требования возможно меньшего удельного сопротивления и возможно большей механической прочности. Для различных случаев применения эти требования в той или иной степени уточняются. Например, для катушек машин и аппаратов выгоднее иметь меньшее удельное сопротивление даже за счет некоторого снижения механической прочности. Для воздушных же проводов контактной сети и линий электропередачи важно иметь определенную механическую прочность на разрыв.

Наименьшим удельным сопротивлением обладает чистый металл. Любые примеси повышают удельное сопротивление. Примесь другого металла, имеющего меньшее удельное сопротивление, чем основной, повышает его сопротивление. Это объясняется искажением кристаллической решетки основного металла даже небольшим количеством примеси. Кристаллическая решетка металлов искажается не только введением примесей, но и в результате механических деформаций. В связи с этим обработка металла, приводящая к пластической деформации, вызывает увеличение его удельного сопротивления. В частности, это имеет место в процессе изготовления проводов при прокатке и волочении.

Медь и латунь применяют для изготовления проводов и различных токопроводящих деталей электрических машин и аппаратов. Медные провода и шины получают прокаткой и протяжкой, при этом медь приобретает высокую механическую прочность и твердость (медь марки МП). Такую твердотянутую медь используют для изготовления коллекторных пластин, неизолированных проводов, распределительных шин и пр. При термической обработке твердотянутой меди (отжиге при температуре 330—350 °С) получают мягкую медь марки ММ, обладающую большой гибкостью и способностью сильно вытягиваться; электропроводность ее также увеличивается. Мягкую медь используют для изготовления изолированных проводов, кабелей и пр.

В качестве проводниковых материалов применяют также различные бронзы, представляющие собой сплавы меди с другими металлами. Все бронзы имеют не только более высокую механическую прочность, чем медь, но и большее удельное сопротивление. Для изготовления контактных проводов и коллекторных пластин применяют преимущественно кадмиевые бронзы, для пружин, щеткодержателей, скользящих контактов, ножей рубильников — бериллиевые бронзы. Латунь (сплав меди с цинком) имеет также по сравнению с медью высокую механическую прочность, прочность против истирания, но вместе с тем и значительно более высокое удельное сопротивление. Латунь хорошо штампуется, вытягивается, паяется и сваривается.

Вторым по значению в электротехнике проводниковым материалом является алюминий. Из него изготовляют провода, некоторые детали электрических машин и аппаратов. Так же, как и медь, он при протяжке и других видах холодной обработки получается довольно твердым, а после отжига становится мягким. Плотность алюминия около 2,6 г/см3, примерно в 3,5 раза меньше меди (ее плотность 8,9 г/см ). Для увеличения прочности, и,.улучшения механических свойств к алюминию иногда прибавляют медь, магний, марганец и кремний. Таким путем получают различные алюминиевые сплавы — силумин, дюралюминий и пр.

По твердости различают две марки алюминия: AT — алюминий твердый неотожженный и AM — алюминий мягкий отожженный. Соединение алюминиевых проводов и других деталей производят обычно сваркой или заклепками, так как из-за высокой температуры плавления окиси алюминия, покрывающей поверхность алюминиевых деталей (примерно 2000 °С), и быстрого окисления зачищенной поверхности пайка алюминия обычным способом затруднена.

сверхпроводники́

вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах ниже критической (Т_к). По магнитным свойствам различают сверхпроводники 1-го и 2-го рода. К сверхпроводникам относятся около половины металлов (например, Al, Т_к = 1,2 К; Pb, T_к = 7,2 К), несколько сотен сплавов (например, Ni—Ti, Т_к ≈ 9,8 К), в том числе интерметаллические соединения (например, Nb₃Ge, Т_к ≈ 23 К), многие полупроводники (например, GeTe, Т_к = 0,17 К). В 1980—87 открыты высокотемпературные оксидные сверхпроводники (VBa₂Cu₃О₇ и др.) с Т_ксверхпроводники́100 К.

СВЕРХПРОВОДНИКИ

СВЕРХПРОВОДНИКИ́, вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах ниже критической (Т_к) (см. Сверхпроводимость ). Явление сверхпроводимости при криогенных температурах достаточно широко распространено в природе. Сверхпроводимостью обладают 26 металлов, в сверхпроводящее состояние могут переходить также несколько сот металлических сплавов и соединений и некоторые сильно легированные полупроводники. Существуют сверхпроводящие сплавы, в которых отдельные компоненты или даже все компоненты сплава сами по себе не являются сверхпроводниками. В основе теоретического объяснения явления сверхпроводимости заложено представление об образовании электронных куперовских пар (см. Купера эффект ). В сверхпроводнике взаимодействие электронов друг с другом происходит в результате обменного фононного взаимодействия через кристаллическую рещетку. Это означает, что сверхпроводимость должна наблюдаться у веществ, характеризующихся сильным взаимодействием электронов проводимости с ионами решетки кристалла и поэтому являющимися относительно плохими проводниками в обычных условиях Если взаимодействие электронов с решеткой слабое, (вещество — хороший проводник), то перехода в сверхпроводящее состояние зарегистрировать не удается. (медь, серебро, золото). Малое сопротивление этих материалов указывает на слабое взаимодействие электронов с решеткой. Такое слабое взаимодействие не создает вблизи абсолютного нуля достаточного межэлектронного притяжения, способного преодолеть кулоновское отталкивание. Поэтому и не происходит их переход в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводимость никогда не наблюдается в системах, в которых существует ферромагнетизм ) или антиферромагнетизм . Образованию сверхпроводящего состояния в полупроводниках и диэлектриках препятствует малая концентрация свободных электронов. Однако в материалах с большой диэлектрической проницаемостью силы кулоновского отталкивания между электронами в значительной мере ослаблены. Поэтому некоторые из них также проявляют свойства сверхпроводников при низких температурах. Примером может служить титанат стронция SrTiO₃, относящийся к группе сегнетоэлектриков . Ряд полупроводников можно перевести в сверхпроводящее состояние добавкой большой концентрации легирующих примесей. В зависимости от поведения сверхпроводников в магнитном поле различают сверхпроводники I и II рода. Сверхпроводники I рода Для сверхпроводников I рода характерны скачкообразный переход в сверхпроводящее состояние и наличие одной критической напряженности магнитного поля, при которой наблюдается этот переход. Значения критической температуры Т_к и критической напряженности магнитного поля Н_к у них малы (максимальное значение Т_к и Н_к в этой группе материалов имеет свинец: Т_к=7,2 К, Н_к=65кА/м, а минимальное — вольфрам, у которого величина Т_к = 0,01 К, а Н_к =0,1 кА/м), что затрудняет их практическое применение. Для сверхпроводников I рода характерным является проявление эффекта Мейснера. Сверхпроводникам I рода являются все чистые металлы, кроме переходных. Низкие значения Н_к у сверхпроводников I рода существенно ограничивают плотность тока, что препятствует их практическому использованию. Большинство металлов — сверхпроводники I рода с критическими температурами перехода ниже 4,2 К. Поэтому большинство сверхпроводящих металлов для электротехнических целей применить не удается. Еще 13 элементов проявляют сверхпроводящие свойства при высоких давлениях. Среди них такие полупроводники как кремний, германий, селен, теллур, сурьма и др. Сверхпроводники II рода Сверхпроводники II рода переходят в сверхпроводящее состояние не скачкообразно, как сверхпроводники I рода, а в некотором интервале температур. Значения Т_к и Н_к у них больше, чем у сверхпроводников I рода. Соответственно для сверхпроводников II рода различают нижнее критическое поле Н_к1, верхнее критическое значение поля Н_к2. При достижении магнитным полем величины Н_к1начинается проникновение магнитного поля в сверхпроводник, и электроны, скорость которых перпендикулярна Н, под влиянием силы Лоренца начинают двигаться по окружности. Возникают вихревые нити. Ствол нити остается нормальным, несверхпроводящим металлом, вокруг которого движутся электроны, обеспечивая сверхпроводимость. В результате материал обладает как сверхпроводящей составляющей, так и нормальной проводимостью. Т. е. в таких сверхпроводниках токи не вытесняются на поверхность образца, а образуют цилиндрические каналы, пронизывающие весь объем. В центре канала куперовских пар нет, и сверхпроводимость отсутствует. При возрастании магнитного поля и достижении более высоких значений Н_к2 нити, расширяясь, сближаются и сверхпроводящее состояние разрушается. При достижении критического значения поля Н_к2 магнитное поле полностью проникает в объём сверхпроводника. Значения Н_к2 для таких сверхпроводников, как Nb₃Sn и PbMo₆S составляют величину порядка10⁵Э. Достаточно сильные магнитные поля, которые способны выдерживать эти сверхпроводники, позволяют использовать их в различного типа устройствах для создания сильного магнитного поля — системах магнитной подвески транспортных средств, устройствах удержания плазмы в термоядерных реакторах и т. д. Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам II рода. Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является абсолютным. Любой сверхпроводник I рода можно превратить в сверхпроводник II рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки. Например, у чистого олова Т_к = 3,7 К, но если вызвать в олове резко неоднородную механическую деформацию, то критическая температура возрастет до 9 К, а критическая напряженность магнитного поля увеличится в 70 раз. Жесткие сверхпроводники Сверхпроводники II рода, имеющие структурные неоднородности (дефекты решетки, примеси), называют «жесткими» сверхпроводниками. Часто «жесткие» сверхпроводники II рода выделяют в самостоятельный класс — сверхпроводники III рода. Для этих материалов характерно большое количество дефектов структуры (неоднородности состава, вакансии, дислокации и др.), которые возникают благодаря специальной технологии изготовления, например при пластическом деформировании, протяжке и т. д. К «жестким» сверхпроводникам относится большая группа сплавов на основе ниобия и ванадия. Например, такие сплавы, как Nb-Ti, V-Ga, Nb-Ge.Тонкие пленки из сверхпроводниковых металлов Al, Bi, Nb также являются «жесткими» сверхпроводниками. В жестких сверхпроводниках движение магнитного потока сильно затруднено дефектами и кривые намагничивания обнаруживают сильный гистерезис. По тем же причинам в этих материалах сильные постоянные электрические токи могут протекать без потерь, т. е. без сопротивления, вплоть до близких к Н_к2 полей при любой ориентации тока и магнитного поля. Следует отметить, что в идеальном сверхпроводнике, полностью лишенном дефектов (к этому состоянию можно приблизиться в результате длительного отжига сплава), при любой ориентации поля и тока, за исключением продольной, сколь угодно малый ток будет сопровождаться потерями на движение магнитного потока уже при Н > Н_к1. Нижнее критическое поле Н_к1 обычно во много раз меньше Н_к2. Поэтому именно жесткие сверхпроводники, у которых электрическое сопротивление практически равно нулю вплоть до очень сильных полей, представляют интерес с точки зрения технических приложений. Их применяют для изготовления обмоток магнитов сверхпроводящих и других целей. Существенным недостатком жёстких сверхпроводников является их хрупкость, сильно затрудняющая изготовление из них проволоки или ленты для обмоток сверхпроводящих магнитов. Особенно это относится к соединениям типа V₂Ga, Nb₃Sn и др. Высокотемпературные сверхпроводники В настоящее время все вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние условно разделяют на две большие группы: низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники. К низкотемпературным сверхпроводникам относят сверхпроводники, у которых Т_к 25 К. К таким сверхпроводникам относятся некоторые металлы и сплавы, ряд полупроводников и интерметаллических соединений типа NbN, TaC. В 1986 были открыты высокотемпературные сверхпроводники, у которых Т_квыше температуры жидкого азота, равной 77 К. К ним относятся сложные соединения — керамика на основе оксида меди (например, Tl₂Ca₂Ba₂Cu₃O₁₀ с Т_к=127 К) и другие оксидные сверхпроводники. Оксидные высокотемпературные сверхпроводники являются соединениями с ионно-ковалентной связью и дефектной по кислороду перовскитно-подобной кристаллической структурой с упорядоченным расположением кислородных вакансий. Все известные в настоящее время высокотемпературные сверхпроводники являются оксидами, большинство из которых содержат медь, но имеются также и соединения без меди. Все соединения кристаллизуются в идеальном или нарушенном структурном типе перовскита. Особое значение в оксидных высокотемпературных сверхпроводниках имеет состояние кислородной подрешетки, т.е. концентрация, структурное положение и подвижности атомов кислорода в кристаллической структуре. Это вызвано тем, что с кислородом в оксидных сверхпроводниках связывают как понимание природы высокотемпературной сверхпроводимости, так и объяснение нестабильности свойств высокотемпературных сверхпроводящих материалов.

23) Полупроводниковые материалыПолупроводниковые материалы, вещества с четко выраженными свойствами полупроводников в широком интервале температур, включая комнатную (~ 300 К), являющиеся основой для создания полупроводниковых приборов. Удельная электрическая проводимость а при 300 К составляет 104 ~ 1010 Ом-1·см-1 и увеличивается с ростом температуры. Для полупроводниковых материалов характерна высокая чувствительность электрофизических свойств к внешним воздействиям (нагрев, облучение, деформации и т.п.), а также к содержанию структурных дефектов и примесей.Полупроводниковые материалы по структуре делятся на кристаллические, твердые аморфные и жидкие. Наибольшее практическое применение находят неорганические кристаллические полупроводниковые материалы, которые по химическому составу разделяются на следующие основные группы. Элементарные полупроводники: Ge, Si, углерод (алмаз и графит), В, a-Sn (серое олово), Те, Se. Важнейшие представители этой группы - Ge и Si имеют кристаллическую решетку типа алмаза (алмазоподобны). Являются непрямозонными полупроводниками; образуют между собой непрерывный ряд твердых растворов, также обладающих полупроводниковыми свойствами.Соединения типа AIIIBV элементов III и V групп периодической системы. Имеют в основном кристаллическую структуру типа сфалерита. Связь атомов в кристаллической решетке носит преимущественно ковалентный характер с некоторой долей (до 15%) ионной составляющей. Плавятся конгруэнтно (без изменения состава). Обладают достаточно узкой областью гомогенности, т.е. интервалом составов, в котором в зависимости от параметров состояния (температуры, давления и др.) преимущественный тип дефектов может меняться, а это приводит к изменению типа проводимости (n, р) и зависимости удельной электрической проводимости от состава. Важнейшие представители этой группы: GaAs, InP, InAs, InSb, являющиеся прямозонными полупроводниками, и GaP - непрямозонный полупроводник. Многие полупроводниковые материалы типа АIIIВV образуют между собой непрерывный ряд твердых растворов - тройных и более сложных (GaxAl1-xAs, GaAsxP1-x, GaxIn1_xP, GaxIn1-xAsyP1-y и т.п.), также являющихся важными.^ Классификация полупроводниковых материаловПолупроводники представляют собой очень многочисленный класс материалов. Самым существенным признаком полупроводника является электропроводность, меньшая, чем у проводников, и большая, чем у диэлектриков. Удельное электросопротивление полупроводников изменяется а пределах 10-2 -109 Ω*cм.Полупроводниковыми свойствами могут обладать как неорганические, так и органические вещества. Основу электроники составляют неорганические полупроводники. Неорганические полупроводники делятся на твердые и жидкие. Твердые - на кристаллические, поликристаллические и аморфные. Кристаллические в свою очередь делятся на элементарные, химические соединения и твердые растворы. К элементарным относятся Si и Gе. К химическим соединениям - соединения типа A3B5, A2B6, A4B4, A4B6Полупроводники являются основой активных приборов, способных усиливать мощность или преобразовывать один в другой различные виды энергии в малом объеме твердого тела без существенных потерь. Это обусловило широкое применение полупроводников в микроэлектронике и оптоэлектронике.

24-25-26) магни́тные материа́лы

вещества, обладающие магнитными свойствами и изменяющие магнитное поле, в которое они помещены. Ими могут быть металлы и сплавы (гл. обр. ферромагнетики, такие, как Fe, Co, Ni, Cu, редкоземельные элементы), диэлектрики и полупроводники (ферри – и антиферромагнетики, напр. ферриты-шпинели МFe₂O₄, где М – Fe, Ni, Cо, Mn, Мg, Zn, Cu, интерметаллиды и др.). Различают магнитомягкие, магнитотвёрдые, термомагнитные, магнитооптические и магнитострикционные материалы.

Магнитомягкие материалы – ферромагнитные сплавы, которые намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в относительно слабых магнитных полях напряжённостью до 4 кА/м; характеризуются высокими значениями относительной магнитной проницаемости (до 106), небольшой коэрцитивной силой. Применяются для изготовления магнитопроводов, трансформаторов, магнитных усилителей, реле, магнитных головок для аудио – и видеозаписи, сердечников катушек индуктивности и т. п. Основные из них: электротехническое железо; сплавы на основе Fe-Ni – пермаллои, супермаллои (с добавкой Мо), изопермы (Cr, Ti, Nb, Cu, Al), муметалл (Mn); сплавы на основе Fe-Со с добавками V (пермендюры), Fe-Со-Ni с добавками Мn и Сг (перминвары); на основе Fe-А1 и Fe-А1-Si (алферы, алсиферы, сендасты); ферриты-шпинели; композиты карбонильного железа или пермаллоя с диэлектрическим связующим (полистирол, жидкое стекло).

Магнитотвёрдые материалы намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в магнитных полях ≥ 4 кА/м. Применяются как постоянные магниты, в гистерезисных двигателях, узлах радиоаппаратуры и механических удерживающих устройств, в качестве носителей памяти и накопителей информации. Основные из них: углеродистые и легированные Cr, Со и Ni-стали с мартенситной структурой; сплавы на основе Fe-Ni-Al (ални), Сu-Ni-Со (кунико), Fe-Со-V (викаллой) и др.; сплавы благородных металлов (Pt, Ir, Pd) с переходными, применяемые для изготовления сверхминиатюрных магнитов; интерметаллические соединения металлов группы Fe с редкоземельными элементами (напр., Nd₂Fe₄B); материалы для магнитной записи с нанесёнными порошками из оксидов переходных металлов, сплавов Со с Ni, Pt, W, Cr или редкоземельными элементами Cо-Cd-Tb, Fe-Cо-Gd-Tb; композиты на основе порошкообразных ферритов, интерметаллидов и органического связующего (пластмасса, каучуки).

27)

Трансформаторное масло, - очищенная фракция нефти, получаемая при перегонке, кипящая при температуре от 300 °С до 400 °С. В зависимости от происхождения нефти обладают различными свойствами и эти отличительные свойства исходного сырья отражаются на свойствах масла. Оно имеет сложный углеводородный состав со средним весом молекул 220-340 а.е., и содержит следующие основные компоненты.

1. Парафины 10-15% 2. Нафтены или циклопарафины 60-70% 3. Ароматические углеводороды 15-20% 4. Асфальто-смолистые вещества 1-2 % 5. Сернистые соединения < 1% 6. Азотистые соединения < 0.8% 7. Нафтеновые кислоты <0.02% 8. Антиокислительная присадка (ионол) 0.2-0.5%

Общие требования и свойства

Электроизоляционные свойства масел определяются в основном тангенсом угла диэлектрических потерь. Диэлектрическая прочность трансформаторных масел в основном определяется наличием волокон и воды, поэтому механические примеси и вода в маслах должны полностью отсутствовать. Низкая температура застывания масел (-45 °С и ниже) необходима для сохранения их подвижности в условиях низких температур. Для обеспечения эффективного отвода тепла трансформаторные масла должны обладать наименьшей вязкостью при температуре вспышки не ниже 95, 125, 135 и 150 °С для разных марок.

Наиболее важное свойство трансформаторных масел - стабильность против окисления, т. е. способность масла сохранять параметры при длительной работе. В России все сорта применяемых трансформаторных масел ингибированы антиокислительной присадкой - 2,6-дитретичным бутилпаракрезолом (известным также под названиями ионол, агидол-1 и др.). Эффективность присадки основана на ее способности взаимодействовать с активными пероксидными радикалами, которые образуются при цепной реакции окисления углеводородов и являются основными ее носителями. Трансформаторные масла, ингибированные ионолом, окисляются, как правило, с ярко выраженным индукционным периодом.    В первый период масла, восприимчивые к присадкам, окисляются крайне медленно, так как все зарождающиеся в объеме масла цепи окисления обрываются ингибитором окисления. После истощения присадки масло окисляется со скоростью, близкой к скорости окисления базового масла. Действие присадки тем эффективнее, чем длительнее индукционный период окисления масла, и эта эффективность зависит от углеводородного состава масла и наличия примесей неуглеводородных соединений, промотирующих окисление масла (азотистых оснований, нафтеновых кислот, кислородсодержащих продуктов окисления масла).Происходящее при очистке нефтяных дистиллятов снижение содержания ароматических углеводородов, как и удаление неуглеводородных включений, повышает стабильность ингибированного ионолом трансформаторного масла.    Международная электротехническая комиссия разработала стандарт (Публикация 296) «Спецификация на свежие нефтяные изоляционные масла для трансформаторов и выключателей»

Основные физико-химические свойства масла.

Из основных характеристик масла отметим, что оно горючее, биоразлагаемое, практически не токсичное, не нарушающее озоновый слой. Плотность масла обычно находится в диапазоне (0.84-0.89)×103 кг/м3. Вязкость является одним из важнейших свойств масла. С позиций высокой электрической прочности желательно иметь масло более высокой вязкости. Для того, чтобы хорошо выполнять свои дополнительные функции в трансформаторах (как охлаждающая среда) и выключателях (как среда, где движутся элементы привода), масло должно обладать невысокой вязкостью, в противном случае трансформаторы не будут надлежащим образом охлаждаться, а выключатели- разрывать электрическую дугу в установленное для них время.

Поэтому выбирают компромиссное значение вязкости для различных масел. Кинематическая вязкость для большинства масел при температуре 20 °С составляет 28-30×10-6 м2/с.

Характеристики трансформаторных масел

Показатели ТКп Маслоселек-тивной очистки Т-1500У ГК ВГ АГК МВТ Кинематическая вязкость, мм2/с, при температуре 50°С 9 9 - 9 9 5 - 40°С - - 11 - - - 3,5 20°С - 28 - - - - - -30°С 1500 1300 1300 1200 1200 - - -40°С - - - - - 800 150 Кислотное число, мг КОН/г, не более 0,02 0,02 0,01 0,01 0,01 0,01 0,02 Температура, °С вспышки в закрытом тигле, не ниже 135 150 135 135 135 125 95 застывания, не выше -45 -45 -45 -45 -45 -60 -65 Содержание водорастворимых кислот и щелочей Отсутствие - - - - - маханических примесей Отсутствие - Отсутствие - Отсутствие фенола - Отсутствие - - - - - серы, % (маc. доля) - 0,6 0,3 - - - - сульфирующихся веществ, % (об.),не более - - - - - - 10 Стабильность, показатели после окисления, не более осадок, % (маc. доля) 0,01 Отсутствие 0,015 0,015 Отсутствие легучие низкомолекулярные кислоты мг КОН/г 0,005 0,005 0,05 0,04 0,04 0,04 0,04 Кислотное число, мг КОН/г 0,1 0,1 0,2 0,1 0,1 0,1 0,1 Стабильность по методу МЭК, индукционный период,ч, не менее - - - 150 120 150 150 Прозрачность - Прозрачно при 5°С Прозрачно при 20°С - - - - Тангенс угла диэлектрических потерь при 90°С, %, не более 2,2 1,7 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 Цвет, ед. ЦНТ, не более 1 1 1,5 1 1 1 - Коррозия на медной пластинке Выдерживает - Выдерживает Показатель преломления, не более 1,505 - - - - - - Плотность при 20 °С, кг/м3, не более 895 - 885 895 895 895 - Перед заполнением электроаппаратов масло подвергают глубокой термовакуумной обработке. Согласно действующему РД 34.45-51.300-97 "Объем и нормы испытаний электрооборудования" концентрация воздуха в масле, заливаемом в трансформаторы с пленочной или азотной защитой, герметичные вводы и герметичные измерительные трансформаторы не должна превышать 0,5% (при определении методом газовой хроматографии), а содержание воды 0,001% (маc. доля). В силовые трансформаторы без пленочной защиты и негерметичные вводы допускается заливать трансформаторное масло с содержанием воды 0,0025% (маc. доля). Содержание механических примесей, определяемое как класс чистоты, не должно быть хуже 11-го для оборудования напряжением до 220кВ и хуже 9-го для оборудования напряжением выше 220 кВ. При этом показатели пробивного напряжения в зависимости от рабочего напряжения оборудования должны быть равны (кВ).

Рабочее напряжение оборудования Пробивное напряжение масла До 15 (вкл.) 30 Св. 15 до 35 (вкл.) 35 От 60 до 150 (вкл.) 55 От 220 до 500 (вкл.) 60 750 65

Непосредственно после заливки трансформаторного масла в оборудование допустимые значения пробивного напряжения масла на 5кВ ниже, чем у масла до заливки. Допускается ухудшение класса чистоты трансформаторного масла на единицу и увеличение содержания воздуха на 0,5%.

Примечание. Условия окисления при определении стабильности по методу ГОСТ 981-7

Масло Температура, °С Длительность, ч Расход кислорода, мл/мин ТКп и масло селективной очистки 120 14 200 Т-1500У 135 30 50 ГК и АГК 155 14 50 ВГ 155 12 50

Температурой застывания называется температура, при которой масло загустевает настолько, что при наклонении пробирки с охлажденным маслом под углом 45° его уровень останется неизменным в течение 1 мин. В масляных выключателях температура застывания имеет решающее значение. Свежее масло не должно застывать при температуре -45°С; в южных районах страны разрешается применять масло с температурой застывания -35°С. Для эксплуатационных масел допускается ряд отступлений от нормированной температуры застывания в зависимости от  того, находится ли масло в трансформаторе или выключателе, работает в закрытом помещении или же на открытом воздухе. Для специальных арктических сортов масла температура застывания уменьшается до -(60-65) °С, однако при этом понижается и температура вспышки до 90-100°С.

Температурой вспышки называется температура нагреваемого в тигле масла, при котором его пары образуют с воздухом смесь, воспламеняющуюся при поднесении к ней пламени. Вспышка происходит настолько быстро, что масло не успевает прогреться и загореться. Температура вспышки трансформаторного масла не должна быть ниже 135°С. Если нагреть масло выше температуры вспышки, то наступает такой момент, когда при поднесении пламени к маслу оно загорается.

Температура, при которой масло загорается и горит не менее 5 сек., называется температурой воспламенения масла.

Температура, при которой происходит возгорание в закрытом тигле, в присутствии воздуха, без поднесения пламени, называется температурой самовоспламенения. Для трансформаторного масла она составляет 350-400 °С.

Из других теплофизических характеристик отметим сравнительно небольшую теплопроводность l от 0.09 до 0.14 Вт/(м×К), уменьшающуюся в зависимости от температуры. Теплоемкость, наоборот, увеличивается с ростом температуры от 1.5 кДж/(кГ×К) до 2.5 кДж/(кГ×К). Коэффициент теплового расширения масла определяет требования к размерам расширительного бака трансформатора и составляет примерно 6.5×10-4 1/К.

Удельное сопротивление масла нормируется при температуре 90°С и напряженности поля 0.5 МВ/м, и оно не должно превышать 5×1010 Ом×м для любых сортов масел. Отметим, что удельное сопротивление, как и вязкость, сильно падают с ростом температуры (более чем на порядок при уменьшении температуры на 50 °С). Диэлектрическая проницаемость масла невелика и  колеблется в пределах 2.1-2.4. Тангенс угла диэлектрических потерь определяется наличием примесей в масле. В чистом масле он не должен превышать 2×10-2 при температуре 90°С и рабочей частоте 50 Гц. В окисленном загрязненном и увлажненном масле tgdвозрастает и может достигать более чем 0.2. Электрическая прочность масла определяется в стандартном разряднике с полусферическими электродами диаметром 25.4 мм и межэлектродным расстоянием 2.5 мм. Пробивное напряжение должно составлять не менее 70 кВ, при этом в разряднике электрическая прочность масла будет не менее 280 кВ/см.

Поглощение и выделение газов маслом. Масло способно поглощать и растворять  весьма  значительные количества воздуха и других газов. По имеющимся данным в 1 см3 масла при комнатной температуре растворяется: азота 0.086 см3; кислорода 0.16 см3; углекислоты 1.2 см3. При этом кислород, не только растворяется, но и химически соединяется с маслом, образуя продукты окисления. Выделение газов из масла очень часто является признаком зарождающегося дефекта в обмотке трансформатора. В настоящее время разработан и используется способ определения дефектов в трансформаторе по наличию растворенных в масле газов, т.н. хроматографический анализ.

Существует большой разрыв между сроком службы трансформатора и сроком службы масла. Трансформатор может работать без ремонта 10-15 лет, а масло уже через год требует очистки, а через 4-5 лет - регенерации. Мерами, позволяющими продлить срок эксплуатации масла, являются:

1) защита масла от соприкосновения с наружным воздухом путем установки расширителей с фильтрами, поглощающими кислород и воду, а также вытеснение из масла воздуха;

2) снижение перегрева масла в условиях эксплуатации;

3) регулярные очистки от воды и шлама;

4) применение для снижения кислотности непрерывной фильтрации масла;

5) повышение стабильности масла путем введения  антиокислителей.

Антиокислительная присадка специально вводится в масло для предотвращения его окисления под действием локальных высоких температур и реакций с проводниковыми и диэлектрическими материалами. Обычно в качестве присадки используют ионол, реже применяются и другие добавки.

Очистка, сушка и регенерация масла. Очисткой масла называется такая операция, с помощью которой загрязненное или окисленное масло приводится  в  пригодное для эксплуатации состояние. После хорошей очистки масло должно полностью восстановить свои начальные свойства, т.е. должно быть совершенно прозрачно, не должно содержать кислот, осадков, воды, угля и других загрязнений. Причины изъятия масла из эксплуатации могут быть двух родов. Если масло во время эксплуатации оказалось лишь загрязненным различными постоянными веществами и не претерпело глубоких изменений, то для его восстановления достаточно прибегнуть к одному из описываемых ниже методов механической очистки.

Для восстановления отработанных трансформаторных масел применяются разнообразные технологические операции, основанные на физических, физико-химических и химических процессах и заключаются в обработке масла с целью удаления из него продуктов старения и загрязнения. В качестве технологических процессов обычно соблюдается следующая последовательность методов:

механический - для удаления из масла свободной воды и твердых загрязнений;

теплофизический (выпаривание, вакуумная перегонка);

физико-химический (коагуляция, адсорбция).

Очистка масла непосредственно в трансформаторах и выключателях может производиться периодически или после аварии при резком снижении пробивного напряжения, появления угля и прочих ненормальных явлениях или в результате данных хроматографического анализа. Как правило, трансформаторы и выключатели в этих случаях выводятся из работы и отключаются от сети.

В зависимости от процесса регенерации (очистки) трансформаторного масла получают 2-3 фракции базовых масел, из которых компаундированием и введением присадок могут быть приготовлены товарные масла (моторные, трансмиссионные, гидравлические, СОЖ, пластичные смазки). Средний выход регенерированного масла из отработанного, содержащего около 2-4% твердых загрязняющих примесей и воду, до 10% топлива, составляет 70-85% в зависимости от применяемого способа регенерации (очистки) масла.

Если их недостаточно, используются химические способы регенерации (очистки) масел, связанные с применением более сложного оборудования и большими затратами.

Для регенерации (очистки) отработанных трансформаторных масел применяются разнообразные аппараты и установки, действие которых основано, как правило, на использовании сочетания методов (физических, физико-химических и химических), что дает возможность регенерировать (очищать) отработанные масла разных марок и с различной степенью снижения показателей качества.

Необходимо отметить, что при регенерации (очистке) масел, возможно, получать базовые масла, по качеству идентичные «свежим», причем выход масла в зависимости от качества сырья составляет 80-90%, таким образом, базовые масла можно регенерировать (очищать) еще по крайней мере два раза, но это возможно реализовать при условии применения современных технологических процессов.

В последнее время получили известное развитие передвижные трансформаторы, сухие трансформаторы сравнительно большой мощности, трансформаторы с негорючим маслом, с намотанным сердечником и т.

шие размеры сердечников и обмоток, вес сухих трансформаторов из-за отсутствия бака и масла получается значительно меньше веса таких же трансформаторов масляных.

Обычное трансформаторное масло горюче, а его пары в смеси с воздухом могут образовать взрывчатые смеси.

Одним из них является заполнение бака негорючим и невзрывающимся маслом.

Третье возможное решение вопроса о пожаро- и взрывобезопас-ном трансформаторе — трансформаторы с заполнением бака поверх масла инертным газом при обычном давлении.

Исследования показали, что для предохранения масла и изоляции трансформатора от окисления под действием кислорода, содержащегося в масле в растворенном виде, достаточно применять азот.

После соответствующей обработки содержание кислорода в масле падает до нескольких долей процента, а в эксплуатационных условиях, при наличии достаточно надежных уплотнений и влаго- и кислородпоглощающих фильтров, не превышает 1%.

Масло трансформаторное 61, 376

Трансформатор с намотанным сердечником 532 — •— плавным регулированием напряжения 517 — с принудительной циркуляцией масла 375 — сварочный 530 — силовой 354 — стержневой 366 — сухой 354 — трехобмоточный 353, 507 — трехфазный 356, 405

Светлые лаки на льняном и тунго- вом маслах: а) пропиточные.

Для изоляции обмоток трансформаторов и для лучшего их охлаждения применяется так называемое трансформаторное масло.

Основное требование к этому маслу — высокая диэлектрическая прочность.

Температура вспышки масла 140° С, вязкость по Энглеру при 50° С 1,8, минимальный пробивной градиент 22 кв/мм.

Основным недостатком масла является его горючесть, приводящая иногда к тяжелым повреждениям при авариях.

Поэтому за последние годы появились полноценные негорючие заменители трансформаторного масла, обладающие даже несколько лучшей теплопроводностью.

Частицы грязи или угольной пыли, пропитанные маслом, забивают изоляцию между пластинами.

Для смазки подшипника применяется масло.

В состоянии покоя масло между трущимися частями выдавливается, и металл цапфы вступает в непосредственное соприкосновение с металлом вкладыша.

При вращении вала масло увлекается цапфой и создает в клиновидном пространстве между поверхностью вала и вкладыша повышенное давление, которое и поддерживает вал во взвешенном состоянии, так что между трущимися поверхностями появляется тонкая пленка масла.

Аварии, которые происходили сначала из-за неумения изолировать масло от окисляющего действия воздуха, были практически устранены посредством маслорасширителей, вошедших ^всеобщее употребление примерно с середины 10-х годов текущее ^чмгетия.

Чтобы предотвратить вредное влияние воздуха на изоляцию обмоток и улучшить условия охлаждения трансформатора, его сердечник с находящимися на нем обмотками помещают в бак, заполненный трансформаторным маслом.

Трансформаторы, не погружаемые в масло, называются сухими.

Трансформатор состоит из следующих главных частей: а) сердечника, б) обмотки, в) бака с маслом, если трансформатор масляный и г) выводных изоляторов.

Если в стержне имеются каналы, то с этими каналами должны совпадать каналы в ярме, чтобы обеспечить свободную циркуляцию масла.

/ — шихтованный магнитопровод; 2 — швеллер, прессующий ярмо; 3 — обмотка низшего напряжения (НН); 4 — пбмотка высшего напряжения (ВН); 5 — отводы ВН; 6 — отводы НН; 7 — строенный переключатель регулировочных ответвлений обгиотки ВН; S — привод переключателя; 9 — г,вод (изолятор) ВН; 10 — ввод (изолятор) НН; )/ — трубчатый бак; Г2 — кран дли заливки масла; 13 — кольцо для подъема выемной части; 14 — патрубок для присоединения вакуумного насоса; 15 — выхлопная труба; /6" — газовое реле; 17 — расширитель; IS — упорный угольник на дне бака; 19 — вертикальная шпилька, стягивающая швеллеры, прессующие ярма; 20 — транспортный ролик; 21 — кран для спуска масла.

сердечник с расположенными на нем обмотками, помещается в бак с маслом.

Нагреваясь, масло начинает циркулировать внутри бака и этим обеспечивает естественное охлаждение трансформатора.

В этом случае осуществляют принудительную циркуляцию масла с помощью специального насосного агрегата.

Уровень масла в расширителе должен быть таким, чтобы при всех обстоятельствах бак был целиком заполнен маслом.

Так как поверхность масла в расширителе гораздо меньше, чем в баке, а температура масла в расширителе значительно ниже, чем в верхней части бака, то процесс окисления масла при соприкосновении с воздухом идет медленнее; этим достигается достаточно надежная защита масла и изоляции трансформатора.

Она представляет собой стальной, обычно наклонный цилиндр, сообщающийся с баком и закрытый сверху стеклянным диском; при определенном давлении диск выдавливается, и газы вместе с маслом выбрасываются из бака наружу.

Трансформаторное масло.

В целях лучшей изоляции и лучшего охлаждения активной части трансформатора последнюю помещают в бак, заполняемый минеральным трансформаторным маслом.

Применяемое в СССР нефтяное масло имеет следующие основные характеристики (предполагается эксплуатационное масло): удельный вес (при +20°С по отношению к воде при +4° С) не более 0,895; электрическая прочность 20—35 кв/мм; теплоемкость 1790—1870 вт/кг • град; температура вспышки не ниже 135°С; температура застывания —35° С; объемный коэффициент расширения 0,069% на 1°С.

Наряду с указанными выше ценными свойствами, трансформаторное масло имеет два основных недостатка: 1) оно горюче и 2) его пары при некоторых условиях образуют с воздухом взрывчатые смеси.

Из числа последних в США получил широкое распространение пиранол, а в СССР была разработана жидкость, названная совтолом, по своим изоляционным свойствам и охлаждающей способности близкая к минеральному трансформаторному маслу, но не окисляющаяся и химически устойчивая.

Но все же основным типом силового трансформатора продолжает оставаться масляный трансформатор, заполненный обычным минеральным трансформаторным маслом.

Все трансформаторы имеют охлаждение с принудительной циркуляцией масла.

Так как потоки рассеяния распределяются, главным образом, в немагнитной среде, имеющей постоянную магнитную проницаемость (масло, воздух, медь и т.

Эти трансформаторы показали, что масло является не только агентом, охлаждающим обмотки, но также и изолирующим материалом.