Классификация электротехнических материалов по свойствам и областям применения. Роль ЭТМ в развитии энергетики

Фоминых Антон Анатольевич
Зав. кафедрой, к.т.н., доцент
Кафедра электрических машин и аппаратов (8-302)
Тел.: 49-29-49
[email protected]

ЭТМ - это раздел материаловедения, который занимается материалами для электротехники и энергетики, т.е. материалами, обладающими специф. свойствами, необходимыми для:
конструирования;
производства;
эксплуатации ЭО.
Материаловедение - наука, занимающаяся изучением состава, структуры, свойств материалов, поведением материалов при различных воздействиях: тепловых, электрических, магнитных и т.д.

Цель дисциплины:
Изучение основ строения материалов, физики явлений в проводниковых, полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалах;
Получение знаний о технологии производства важнейших ЭТМ и их применение.

Литература по курсу ЭТМ:
Колесов С.Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник для вузов / С.Н. Колесов, И.С. Колесов. – 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2007. - 535 с.
Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. Высшая школа, 2003;
Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.Б. Электротехнические материалы. – Л.: Энергоатомиздат, 1985;

Лекция №1
Введение. Предмет и содержание курса. Классификация ЭТМ по свойствам и областям применения. Роль ЭТМ в развитии энергетики

При конструировании изделий необходимо учитывать разноплановые характеристики материала:
Механические характеристики
(плотность и вес материала, прочность на сжатие, разрыв или изгиб);
Теплофизические характеристики
(теплопроводность, теплоемкость, нагревостойкость, теплостойкость и горючесть)
Электрофизические характеристики
(диэлектрическая проницаемость, электропроводность, электрическая прочность, трекингостойкость)
Физико-химические характеристики
химическая стойкость, влагопроницаемость

Электросистема самолета Boeing 787
Длина проводки примерно 70 миль (112 км)

Электросистема самолета Boeing 787

Материал - это объект обладающий определенным составом, структурой и свойствами, є для выполнения определенных функций.
Функции материалов:
обеспечение протекания тока - проводн. мат.;
сохранение определенной формы при мех. нагрузках – конструкц. мат.;
обеспечение непротекания тока, изоляция - в диэлектрических мат.;
превращение электрической энергии в тепловую - в резистивных материалах.

Диэлектрики - основные материалы для изоляции токоведущих частей электрооборудования. Они включают в себя такие типы электрической изоляции, как:
Воздух в ЛЭП
Твердые диэлектрики в изоляторах воздушных линий
Масла в трансформаторах

Кремнийорганическая
резина
Стекло
Фарфор

По статистике доля отказов турбогенераторов по причине неисправности узлов токосъема составляет 26% (1 место)
Основная причина - неравномерное распределение тока по параллельно работающим щеткам
Турбогенератор мощностью 320 МВт

Щеткодержатель для подачи твердой смазки
Разработка регулируемого узла подачи твердой смазки в зону контакта, который позволит повысить надежность, ресурс работы и долговечность турбогенераторов за счет устранения неравномерности распределения тока.
Вариант узла для турбогенератора ТВВ - 320
Комплектность для оборудования 1 турбогенератора – 56 шт.
Стоимость комплекта – 100 000 руб.
Себестоимость комплекта – 56 000 руб.

Классификация ЭТМ в соответствии с
зонной теорией электропроводности:

Классификация ЭТМ:
Сильно магнитные
Слабо магнитные (немагнитные)
Проводниковые
Полупроводниковые
Диэлектрические

Основные электрические характеристики ЭТМ:

Классификация ЭТМ по магнитным свойствам:

Общие сведения о строении вещества
Основные элементарные частицами являются:
Протоны
Нейтроны
Электроны
Из них состоит атомное ядро
Заполняют оболочку атома, компенсируя положительный заряд

Атом кислорода
Одноатомные газы:
He, Ne, Ar
Двухатомные газы:
O2, N2, H2, Cl2
Трехатомные газы:
СO2
NH3
Четырехатомные газы:

Виды химических связей:
Ковалентная связь – связь, объединяющая несколько атомов в молекулу, что достигается за счет электронов, которые являются общими для атомов.
Образование связи
Ex.

Ковалентная связь
Неполярная
Полярная
Молекулы, в которых центры одинаковых по величине положительных и отрицательных зарядов совпадают
имеют простые веществаимеют простые вещества, например: О2, N2, Cl2.
центры противоположных по знаку зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга
Образуется между двумя различными неметаллами

Полярная молекула характеризируется
дипольным моментом

Ионная связь -
прочная химическая связь, образующаяся между атомами с большой разностью электроотрицательностей, при которой общая электронная пара полностью переходит к атому с большей электроотрицательностью.
Характеризуется:
повышенной механической прочностью;
относительно высокой температурой плавления.

Пример ионной связи

Металлическая связь -
Химическая связь, обусловленная наличием относи-тельно свободных электронов.
Важнейшие свойства:
высокая электро-высокая электро- и теплопроводность.
сочетание прочности с плаcтичностью, так как при смещении атомов друг относительно друга не происходит разрыв связей.
Характерна как для чистых металловХарактерна как для чистых металлов, так и их сплавовХарактерна как для чистых металлов, так и их сплавов и интерметаллических соединений.

Пример Me связи

Молекулярная связь -
Такая связь существует в некоторых веществах между молекулами с ковалентными внутримолекулярными связями. Наблюдается между молекулами некоторых веществ, например, у парафина, имеющих низкую температуру плавления, свидетельствующую о непрочности их кристаллической решетки.

Поляризация диэлектриков

Поляризация – ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.
центры противоположных по знаку зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга
Поляризация характеризуется:
значением диэлектрической проницаемости;
углом диэлектрических потерь.
если она сопровождается рассеянием энергии, т.е. нагревом

Под влиянием электрического поля связанные электрические заряды диэлектрика смещаются в направ-лении действующих на них сил и тем больше, чем выше напря-женность поля
При снятии электрического поля заряды возвращаются в исходное состояние.

Сегнетоэлектрик
Линейные диэлектрики
где Р- поляризованность;
;
- электрическая постоянная
- относительная диэлектрическая проницаемость

Электрическое поле внутри конденсатора

Основные виды поляризации диэлектриков
Частицы диэлектрика, вызывающие поляризацию
Упруго связанные частицы
имеют одно положение равновесия, около которого они совершают тепловые колебания, и под действием приложенного поля они смещаются на небольшие расстояния: электроны смещаются в пределах атома (иона), атомы – в пределах молекулы, ионы – в пределах элементарной ячейки и т.д.
Слабо связанные частицы
имеют несколько положений равновесия, в которых они в отсутствии электрического поля могут находиться равновероятно. Переход слабосвязанных частиц из одного равновесного положения в другое осуществляется под действием флуктуаций теплового движения.
упругие (деформационные) виды поляризации
Релаксационные виды поляризации

Электронная поляризация
Время установления ничтожно мало (около 10-15 с).
Диэлектрическая проницаемость вещества с чисто электронной поляризацией численно равна показателю преломления света n.
Смещение и деформация электронных орбит атомов и ионов не зависит от температуры, однако ЭП вещества уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единицу объема.
представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов относительно ядра и имеет место во всех диэлектриках.
Особенности электронной поляризации:

Ионная поляризация
наблюдается в кристаллических и аморфных телах ионного строения (кварц, слюда, асбест, стекло и т.п.)
Заключается в смещении упруго связанных ионов под действием приложенного поля на расстояния, меньшие постоянной решетки, т.е. в упругой деформации решетки.
Характер ионной поляризации:
В этом виде поляризации принимают участия также слабо связанные и свободные ионы.
С повышением температуры она усиливается в результате ослабления упругих сил, действующих между ионами, из-за увеличения расстояния между ними при тепловом расширении.
Время установления около 10-13 с.

Ионно-релаксационная поляризация
имеет место в диэлектриках ионного строения (неорганические стекла и кристаллических с неплотной упаковкой ионов ( электротехническая керамика, асбесте, мраморе и т.п.).
Этот вид поляризации заключается в некотором упорядочении, вносимом электрическим полем в хаотический тепловой переброс слабо связанных ионов.
Слабо связанными ионами являются собственные ионы диэлектрика, находящиеся в узлах решетки вблизи вакансии.

Дипольно-релаксационная поляризация
Наблюдается только в полярных диэлектриках (полихлоридфенил, канифоль).
Заключается в том, что дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием поля, что и является причиной поляризации.

Характер дипольно-релаксационной поляризации:
Зависимость от частоты приложенного напряжения;
Зависимость от температуры.

Электронно-релаксационная поляризация
возникает вследствие возбуждения тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или дырок.
Характерна для диэлектриков:
с высоким показателем преломления;
большим внутренним полем и электронной электропро-водностью;
имеет высокое значение диэлектрической прони-цаемости.

Миграционная поляризация
наблюдается в твердых диэлектриках с макроскопически неоднородной структурой (например, в слоистых материалах), а также в диэлектриках, содержащих проводящие и полупроводящие включения (поры, заполненные влагой).
При внесении в электрическое поле диэлектрика, имеющего слоистое строение (гетинакс, текстолит), в результате разной электропроводности различных слоев, на границе их раздела и в приэлектродных объемах, начнут накапливаться заряды медленно движущихся ионов, и возникнет межслойная поляризация, которая и обуславливает миграционную поляризацию.
Особенности миграционной поляризации:
Протекает очень медленно;
Проявляется при постоянном напряжении и на низких частотах (до 0,5 кГц);
С увеличением частоты напряжения поляризуемость снижается;
Вызывает заметное увеличение ОДП материала и особенно ДП.

Спонтанная поляризация
существует у сегнетоэлектриков. В таких веществах имеются отдельные области (домены), обладающие электрическим моментом в отсутствии внешнего поля. Однако при этом ориентация электрических моментов в разных доменах различна. Наложение внешнего поля способствует преимущественно ориентации электрических моментов доменов в направлении поля, что дает эффект очень сильной поляризации. В отличие от других видов поляризации при некотором значении напряженности внешнего поля наступает насыщение, и дальнейшее усиление поля уже не вызывает возрастания интенсивности поляризации.

Классификация диэлектриков по виду поляризации

Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков
В твердых диэлектриках возможны все виды поляризации

Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков