Физическая природа электропроводности проводников. Свойства благородных металлов. Проводниковые конструкции из биметалла. Технологии получения электротехнических материалов. Виды электрического пробоя диэлектриков. Классификация магнитных материалов.
4.8 Развитие разряда в однородном поле 4.9 Развитие разряда в неоднородном поле 4.10 Разряд в газе вдоль поверхности твердого диэлектрика 4.11 Коронный разряд на проводах линий электропередачи Магнитные материалыМатериалы, используемые в электроэнергетических системах судовых и береговых сооружений, подразделяются на конструкционные, электротехнические и специального назначения. По поведению в магнитном поле материалы подразделяют на сильномагнитные (магнетики), слабомагнитные и делятся на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики (рисунок 1.1) Полупроводниковыми называют материалы, являющиеся по удельной проводимости промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами, отличительным свойством которых является сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида примесей или различных дефектов. Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. При правильном выборе материала необходимо знать требования, предъявляемые к материалам условиями эксплуатации, например судов, способами их обработки при постройке и проведении ремонтных работ, условиями производства самих материалов, безопасной работы с ними, условиями хранения.Упрощая физику явлений, будем считать, что основными элементарными частицами, из которых построены атомы, являются протоны, нейтроны и электроны. Если в атоме водорода, удаляясь от ядра, проследить вероятность нахождения электрона, то окажется, что у самого ядра она равна нулю, потом возрастает, достигая максимального значения на расстоянии 0,53•10-8 см от ядра, а затем постепенно убывает. Находясь на какой-либо орбите, электрон обладает энергией, складывающейся из кинетической энергии движения электрона по орбите Ek и потенциальной энергии притяжения электрона к ядру Еп. В любом атоме электроны стремятся занять наиболее низкие энергетические уровни, поэтому спустя некоторое время электрон вернется на первоначальную орбиту, выделив при этом квант энергии, равный разности соответствующих энергетических уровней. В многоэлектронных атомах потенциальная энергия электрона зависит не только от его расстояния до ядра, но и от расстояний до каждого из остальных электронов, вследствие чего численные значения радиусов орбит и, соответственно, величины энергии не совпадают с численными значениями радиусов и энергии для атома водорода.В изолированном атоме электроны способны занимать лишь дискретные энергетические уровни, определяемые силами притяжения к ядру и силами отталкивания от других электронов. В твердом теле атомы расположены настолько близко друг к другу, что между ними возникают новые силы взаимодействия - это силы отталкивания между ядрами и между электронами соседних атомов и силы притяжения между всеми ядрами и всеми электронами. Под действием этих сил энергетические состояния в атомах изменяются: энергия одних электронов увеличивается, других - уменьшается. Самую верхнюю из зон, частично или полностью заполненную электронами, называют валентной зоной, а ближайшую к ней незаполненную электронами - зоной проводимости. Из всего вышеизложенного следует, что с точки зрения зонной теории все твердые тела можно подразделить на две основные группы: материалы, у которых валентная зона перекрывается зоной проводимости, и материалы, у которых валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной зоной.Проводниковые материалы в основном служат для передачи электрической энергии и ее непосредственного преобразования в тепловую, механическую и другие виды энергии. Проводниками могут служить твердые тела, жидкости и газы. Все газы и пары металлов становятся проводниками при высокой напряженности приложенного электрического поля.Широкое применение в различных областях техники получили металлы, выполняющие функции электропроводных и несущих конструкций. Применение чистых металлов в промышленности ограничено, и часто используют сплавы, получаемые сплавлением двух или более веществ. Металлический сплав получают сплавлением металлов или преимущественно металлов с неметаллами. Вещества, которые образуют сплав, называются компонентами. Компонент, количественно преобладающий в сплаве, называется основным.При построении диаграммы критические точки переносятся с кривых охлаждения на диаграмму и соединяются линией. Линия диаграммы состояния, на которой при охлаждении начинается кристаллизация сплава, называется линией ликвидус, а линия, на которой кристаллизация завершается, линией солидус. Твердый раствор углерода в ?-железе, существующий при температуре 1392-1539 ?С, также называют ферритом или высокотемпературным ферритом (?-ферритом). Содержит 0,8% углерода, образуется из аустенита при температуре 727 °С. При температуре 727 °С аустенит, входящий в состав ледебурита, превращается в перлит, и ниже этой температуры ледебурит представляет собой механическую смесь перлита с цементитом.Поэтому процесс получения ста
3.2.4 Легирование материалов радиационным способом
3.2.5 Основные свойства некоторых элементарных полупроводников и полупроводниковых соединений
3.3 Применение полупроводниковых материалов
4. Диэлектрические материалы
4.1 Общие сведения о диэлектриках
4.2 Виды поляризации диэлектриков
4.3 Диэлектрическая проницаемость диэлектрика
4.4 Электропроводность диэлектриков
4.5 Виды электрического пробоя диэлектриков
4.6 Механические, тепловые и физико-химические свойства диэлектриков
Список литературы
От авторов
Посвящается 65-летию (1951-2016 г.г.) Сибирского государственного университета водного транспорта.
Начало XXI в. отмечено резким сокращением выпуска учебников и специальной технической литературы. Поэтому перед авторами была поставлена задача написать книгу, отвечающую программам политехнических вузов, и, одновременно, которая не устарела бы сразу по выходу из печати, т.к. учитывала бы постоянное развитие науки о технических материалах. Этим определены особенности курса для студентов как электротехнических, так и неэлектротехнических специальностей речных, морских, транспортных и других учебных заведений. Учтены изменения в использовании материалов для изготовления судовых, плавучих и береговых сооружений. Приводятся развернутые сведения о конструкционных материалах, применяемых как для изготовления судов, их изоляции и обстройки, так и для проводниковых и электроизоляционных изделий судовых электроэнергетических систем.
В написании учебного пособия принимали участие ученые в области материаловедения и изучения поведения электротехнических конструкций в слабых и сильных электрических полях, одной из главных целей которых являлось информирование о технических материалах читателей, проживающих в регионах Сибири и Дальнего Востока, недостаточно обеспеченных научно-технической литературой. Поэтому информация приведена в объеме, достаточном для понимания сложных вопросов по электротехническим, конструкционным и другим материалам.
Порядок чередования разделов книги старались сохранить согласно перечню тем программы по курсу «Материаловедение. Технология конструкционных материалов».
Авторы использовали выдержки из материалов, как своих научных трудов, так и печатных работ других авторов. Значительная часть пособия содержит материалы лекций по дисциплинам «Электротехнические материалы», «Техника высоких напряжений» и «Перенапряжения и молниезащита», «Основы электротехники и электроники», читаемых авторами с 1973 г. студентам электротехнических специальностей Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, Павлодарского государственного университета им. С.Торайгырова и ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта», а также информацию из книг: «Технология конструкционных электротехнических материалов: учеб. пособие: в 2 кн. / С.В.Горелов [и др.]; под ред. В.П.Горелова. - 2-е изд. дополн. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2005. Кн. 1 - 387 с.; Кн. 2 - 239 с.» [5].
В разделах раскрывается физическая сущность процессов и явлений в материалах при воздействии электромагнитных полей, механических нагрузок и др., изменения характеристик материалов и изделий в процессе эксплуатации, наиболее важные области их применения. Курс является базой для дисциплин конструкторско-технологического профиля и предназначен для формирования у будущих специалистов инженерного подхода к анализу возможностей применения материалов в конкретных электротехнических изделиях. Особое внимание уделено классификации материалов и изделий из них, а также современному состоянию теории и практики гомогенных и гетерогенных систем. Содержание учебного пособия несколько выходит за рамки действующей программы, что позволяет использовать его и при дальнейших изменениях в науке и практике по материалам электротехнического профиля.
В заключении следует отметить особое значение материаловедения при формировании у обучаемых диалектико-материалистического мировоззрения. Особенно явным становится сознание того, что развитие науки и замена привычных понятий невозможны без диалектико-материалистического метода познания для понимания научных факторов. Это помогает выработать правильный взгляд в еще мало исследованной области знаний.
Авторы приносят глубокую благодарность рецензентам: доктору технических наук, профессору Владимиру Юрьевичу Нейману, доктору технических наук, профессору Александру Георгиевичу Овсянникову, доктору технических наук, профессору Николаю Николаевичу Лизалеку.
«Люди, постепенно изучая вещество, им овладевают, точнее и точнее делают в отношении к нему предсказания, оправдываемые действительностью, шире и чаще пользуются им для своих потребностей, и нет повода видеть где-либо грань познанию и обладанию веществом.»
Д.И. Менделеев (ок. 1890 г.)
Введение
Использование одной из главных производительных сил - электрической энергии - находит все большее применение в промышленности и аграрном секторе хозяйства. Это стало возможным благодаря основополагающим открытиям российских и зарубежных ученых.
Во второй половине XVIII века академиками Петербургской академии наук М.В. Ломоносовым и Г.В. Рихманом был впервые построен прибор для количественной оценки электрического заряда. Разработка новых материалов позволила итальянскому физику А. Вольта в 1800 году создать химический источник тока. Академик Петербургской академии наук В.В. Петров в 1802 г. открыл электрическую дугу и указал возможные области ее применения. В1820 г. французский ученый А. Ампер открыл закон взаимодействия проводников, по которым течет ток, а немецкий физик Т.Н. Зеебек описал явление непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую, т.е. термоэлектричество. Немецкий ученый Г.С. Ом нашел важное соотношение между силой тока I, падением напряжения U и сопротивлением проводника R. В 1831 г. английским физиком М. Фарадеем был открыт закон об электромагнитной индукции, и академиком Петербургской академии наук Э.Х. Ленцем в 1833 г. установлено правило, по которому определяется направление индукционных токов. В 1838 г. российский физик Б.С. Якоби впервые построил электродвигатель и указал некоторые области его применения. В 1847 г. немецкий физик Г.Р. Кирхгоф сформулировал правила для разветвленных электрических цепей.
Необходимо подчеркнуть, что значительный прогресс науки и техники происходит благодаря развитию электроники - науки о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов. До открытия электронов атом считали основой структуры материального мира. Электрический ток рассматривали как “жидкую субстанцию, текущую по проводам”. Так, американский ученый Б. Франклин к 1853 г. разработал общую “унитарную теорию электрических явлений”, происходившую из предположения о существовании единой электрической субстанции, недостаток или избыток которой обуславливает знак заряда тела. Он же предложил эффективный метод защиты от грозового разряда - молниеотвод. О дискретном строении электричества впервые в 1856 г. немецкий физик В.А. Вебер указывал, что “с каждым весовым атомом связан электрический атом”. Позднее в 1891 г. Г. Стоней предложил называть атом электричества с элементарным зарядом 1,6•10-19Кл. - электроном. Только к 1897 г. английский физик Д.Д. Томсон измерил отношение заряда электрона к его массе (9,106•10-28г.) и пришел к выводу о существовании частиц гораздо меньших, чем атомы. Открытие электрона опровергло гипотезу о неделимости атома и привело к развитию науки - электроники.
Особенно важным событием явилось открытие российским ученым Д.И. Менделеевым в 1871 г. Периодической системы элементов - П.с.э., важной вехой на пути развития которой явилась предложенная английским физиком Э. Резерфордом в 1911 г. планетарная модель атома. В основе теории П.с.э. лежит представление о специфических закономерностях построения электронных оболочек (слоев, уровней) и подоболочек (оболочек, подуровней) в атомах по мере роста их атомного веса. Это представление было развито датским физиком Н.Х. Бором в 1923 г. С учетом характера изменения свойств химических элементов П.с.э. явилась фундаментом, в первую очередь, неорганической химии. Она помогает решению задач синтеза веществ с заранее заданными свойствами. Это способствовало разработке новых материалов, в частности полупроводниковых, подбору специальных катализаторов для различных химических процессов.
В конце XIX и начале ХХ века большой вклад в развитие электротехники внесли американский ученый Т.А.Эдисон и югославский физик и электротехник Н.Тесла.
Изобретение в 1895 г. российским физиком и электротехником А.С. Поповым радио открыло новую эру в развитии науки и техники. Хорошо понимая потребность военного флота в средствах беспроводной сигнализации его прибор в реальных корабельных условиях к 1901 г. получил дальность связи 150 км. Итальянский радиотехник и предприниматель Г. Маркони, используя большие материальные возможности, получил в 1897 г. английский патент на принцип действия и конструкцию приборов, по способу действия и схеме радиоприемника тождественных приборам Н.Тесла и А.С. Попова. В дальнейшем к концу 1901 г. на усовершенствованных приборах Г. Маркони осуществил радиосвязь через Атлантический океан.
Разработка электронных приборов началась с изобретением в 1904 г. Д. Флемингом двухэлектродной лампы с накаленным катодом-диода. Под руководством Н.А. Папалекси и М.А. Бонч-Бруевича до 1935 г. был создан целый ряд многосеточных электронных ламп. Дальнейший прогресс связан с работами американских ученых Д. Бардина, У. Браттайна и У. Шокли, приведшими к изобретению германиевого точечного транзистора. В 60-х годах XX века были созданы интегральные системы (ИС), в которых элементы получают в нераздельном технологическом процессе. В течение следующего десятилетия перешли к производству больших интегральных микросхем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС), содержащих до 106 элементов размером до 3 мкм на полупроводниковом кристалле.
В настоящее время и в перспективе отмечается бурное развитие функциональной электроники, которая основывается на физических явлениях в твердом теле без применения базовых элементов (резисторов, транзисторов и т.п.).
При этом используются оптические явления (оптоэлектроника), взаимодействие акустических волн в твердом теле с потоком электронов (акустоэлектроника) и др. Дальнейшее бурное развитие получает новое направление - наноэлектроника, позволяющая управлять атомами, размещая их в точно определенном месте атомной структуры различных материалов.
Особо отмечают в XX веке развитие квантовой электроники, занимающейся исследованием устройств, действие которой основано на вынужденом излучении фотонов атомами, ионами и молекулами. Еще в 1900 г. немецкий физик М.Л. Планк показал, что свет излучается не непрерывно, а отдельными порциями - квантами, которые впоследствии получили название фотонов. В 1964 г. советские ученые Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и американский физик Ч.Х. Таунс получили Нобелевскую премию за разработку мазеров, позволяющих усиливать электромагнитные волны сантиметрового диапазона вынужденного (когерентного) излучения. В 1960 г. американский физик Т.Г. Мейман создал лазер, который являлся источником электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов. Употребляется также термин “оптический квантовый генератор” - ОКГ. В качестве активной среды ОКГ применяют твердые, жидкие и газообразные вещества с внешним воздействием (накачкой) от непрерывного или импульсного источника. Одним из перспективных направлений явилась разработка полупроводниковых лазеров с двойной гетероструктурой (ДГС-лазеров) советским физиком Ж.И. Алферовым, удостоенным Нобелевской премии в 2001 г. Их отличительными особенностями являются высокий КПД, удобство возбуждения и малые габариты.
С каждым годом открываются новые области применения различных типов лазеров в военной технике, на флоте, в связи, в медицине и в быту.
Необходимо отметить большой прогресс в теории сверхпроводящих сплавов и свойств сверхпроводников в сильных магнитных полях (1957 - 1970 г.), а также в физике сверхпроводников, начиная с 1977 г. За основополагающий вклад в теорию сверхпроводимости российские физики А.А. Абрикосов и В.Л. Гинзбург в 2003 г. были удостоены Нобелевской премии.
При проектировании, монтаже и эксплуатации электрооборудования судового и другого назначения требуется комплекс знаний в области конструкционных и электротехнических материалов. Это связано с особыми условиями эксплуатации судового электрооборудования с высокой степенью влажности, широким диапазоном изменения температуры, давления, вибрации. Предъявляются жесткие требования в отношении надежности действия, пожарной безопасности, к снижению стоимости. Выбор электротехнических материалов для электрооборудования и приборов возможен только после глубокого анализа основных требований к материалам в реальных эксплуатационных условиях в строгом соответствии с Речным Регистром, который является органом, осуществляющим технический надзор за всеми морскими и речными судами независимо от их ведомственной принадлежности [9]. Он издает Правила, касающиеся постройки и оборудования судов, использования материалов в судостроении.
Развитие морского и речного флота связано с комплексной автоматизацией электрифицированных судов. Для этого применяют новые электротехнические материалы, в основном из органических полимеров, монокристаллов различных веществ.
В последние годы открыты новые виды магнитных, диэлектрических, проводниковых и полупроводниковых материалов, обладающих малоизученными свойствами. На основе этих материалов могут быть изготовлены: принципиально новые электротехнические устройства; многочисленные полупроводниковые приборы; разнообразные нелинейные конденсаторы и резисторы с параметрами, регулируемыми бесконтактными способами; различные сегнетоэлектрические, пьезоэлектрические и пироэлектрические устройства; выпрямители, усилители, стабилизаторы напряжения, преобразователи энергии, запоминающие ячейки; электретные и фотоэлектретные устройства; жидкие кристаллы; термоэлектрические генераторы с высоким КПД; аппаратура голографии и многие другие аппараты и приборы новой техники.
Для изготовления электротехнических материалов используются разнообразные приемы химического синтеза, различные виды обработки, включая искусственное выращивание монокристаллов, нанесение тонких пленок на различные подложки, а также ионно-плазменная обработка, воздействие на материалы электромагнитного поля и ионизирующих излучений.
Все вышеуказанное подчеркивает важность повышения надежности электрооборудования электроэнергетических систем мобильных и стационарных объектов на основе новых материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
