Электротехническое материаловедение презентация

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Состояния вещества ГАЗООБРАЗНОЕ ЖИДКОЕ ТВЁРДОЕ:

Виды связей в веществе ХИМИЧЕСКИЕ энергия ~102кДж/моль: Ионная Ковалентная полярная Ковалентная неполярная Металлическая

γ = qn См/м, 1См=Ом 1 γ = qn См/м, 1См=Ом 1 удельная электрическая проводимость  =1/ [Омм] удельное электрическое сопротивление  и γ характеризуют электрические свойства материала

Система единиц СИ Основные Длина L [м] Масса М [кг] Время t [с] Сила эл.тока I [А] Температура Т [ºК] Сила света [св] Вспомогательные Плоский угол [рад] Телесный угол [стер]

является векторной суммой орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов, является векторной суммой орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов, а также магнитного момента ядра, который составляет 10−3 магнитного момента электрона.

Векторная сумма магнитных моментов атомов в единице объёма называется Векторная сумма магнитных моментов атомов в единице объёма называется намагниченностью М [А/м]:

Диамагнетизм – свойство вещества слабо намагничиваться противоположно внешнему магнитному полю Магнитная восприимчивость χ  -10−5  -10−7 Магнитная проницаемость µ  0,9999 Диамагентики Cu, Ag, Au, Be, Zn, Ga, B, Pb, Sb

Намагничивание ферромагнетиков Доменом называется макроскопическая область материала, внутри которой намагниченность спонтанно (Н=0) достигает насыщения, т. е. внутри домена магнитные моменты практически всех атомов ориентированы в одном направлении.

Условия возникновения доменной структуры (ферромагнетизма) Наличие внутренних незаполненных электронных оболочек (d или f) атома; Величина интеграла обменной энергии А>0, что выполняется если диаметр незаполненных оболочек мал по сравнению с межатомным расстоянием кристаллической решетки: a/d>1,5.

Особенность ферромагнетиков: Наличие доменной структуры Зависимость магнитного состояния от предшествующей магнитной истории Наличие температуры Кюри

ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТЫ ПРИЛОЖЕННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ f НА ОТНОСИТЕЛЬНУЮ МАГНИТНУЮ ПРОНИЦАЕМОСТЬ 

ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ - вещества, основным свойством которых является сильная электропроводность

j = qnυ = qnµE j = qnυ = qnµE γ = qnµ удельная эл. проводимость [См/м] j = γE = E/ρ закон Ома, ρ = 1/γ удельное эл. сопротивление [Ом·м], 1См = 1Ом−1 R = ρ·ℓ/S [Ом], или ρ = R·S/ℓ

Причины увеличения ρ удельного сопротивления с ростом Т

КРИОПРОВОДИМОСТЬ

СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ

В объеме сверхпроводника нет магнитного поля

Критические температуры TKР перехода в сверхпроводящее состояние Al = 1,19 °K Cd = 0,56 °K Sn = 3,722 °K Zn = 0,875 °K Nb3Ge = 23,2 °K

СВЕРХПРОВОДНИКИ

ПРИРОДА СВЕРХПРОВОДИМОСТИ

ВТСП – высокотемпературная сверхпроводимость

Всестороннее сжатие (растяжение)

УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ СПЛАВОВ

ρ сплавов как правило выше, чем ρ чистых металлов

Влияние концентрации на удельное сопротивление сплава NiCu

термоЭДС

Конструкции термопар 1. Платина-Платинородий до 1600 0С 2. Хромель-Алюмель до 1000 0С 3. Железо-Константан Железо-Копель до 600 0С Хромаль-Копель 4. Медь-Константан до 350 0С Медь-Копель 5. Железо-Золото до (10÷100) 0К

Копель (44%Ni+56%Cu) Алюмель (95%Nl+Al; Si; Mn) Хромель (90%Nl+10%Cr) Платинородий (90%Pt+10%Rh)

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ МЕТАЛЛОВ Тепло в металлах передается в основном теми же свободными электронами, которые определяют электропроводность

Механические свойства проводников

Классификация проводников по области применения

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ - вещества, основным свойством которых является сильная зависимость электропроводности от внешних факторов

Температурная зависимость подвижности µ с.н.з. в полупроводниках.

Полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании зависимости электропроводности (сопротивления) n/n от напряженности электрического поля называется Полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании зависимости электропроводности (сопротивления) n/n от напряженности электрического поля называется ВАРИСТОРОМ В качестве материалов для изготовления варисторов используют: а) карбид кремния (СН1) б) селен (СН2)

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Гальваномагнитный эффект Холла

Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках

p-n переход

Диэлектрические материалы

Классификация диэлектриков

Основные характеристики, описывающие поведение диэлектриков в электрических полях: Основные характеристики, описывающие поведение диэлектриков в электрических полях: 1. Электропроводность γ (ρ) 2. Поляризация ε 3. Диэлектрические потери tgδ 4. Электрическая прочность EПР

Изменение тока в диэлектрике при приложения постоянного напряжения

Удельное поверхностное сопротивление: Удельное поверхностное сопротивление: S =1/S= RS d/ℓ [Ом]

Удельное объемное сопротивление Удельное объемное сопротивление V =1/ γV = RVS/h [Ом·м]

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ Поляризацией называется процесс смещения упруго связанных зарядов или ориентация диполей под действием электрического поля.

ПО СПОСОБНОСТИ К ПОЛЯРИЗАЦИИ ДИЭЛЕКТРИКИ ПОДРАЗДЕЛЯЮТСЯ:

Различают 2 ВИДА поляризации:

ЭЛЕКТРОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ

ИОННАЯ УПРУГАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ

ИОННО-РЕЛАКСАЦИОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ

ДИПОЛЬНО-РЕЛАКСАЦИОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ

При снятии приложенного Е ориентация дипольных моментов р нарушается хаотическим тепловым движением молекул, и суммарная поляризованность Р спадает с течением времени t:

МИГРАЦИОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ (междуслойная, структурная)

Спонтанная поляризация

Зависимость  от температуры для неполярных диэлектриков :

Диэлектрическими потерями называется энергия, рассеиваемая в диэлектрике при воздействии на него электрического поля Е и вызывающая нагрев диэлектрика. Диэлектрические потери наблюдаются как при переменном, так и при постоянном напряжении.

В постоянном поле: потери Р в диэлектрике обусловлены выделением тепла Джоуля при прохождении сквозного тока: Р = U2/R , R – сопротивление диэлектрика, U – приложенная разность потенциалов.

В переменном поле: U = U0sinωt U0 – амплитуда, ω = 2f – круговая частота переменного напряжения Энергия поля затрачивается на: выделение тепла Джоуля; медленные виды поляризации.

В «идеальном» диэлектрике ток проводимости Ia=0. В переменном поле ток, протекающий через конденсатор – это ток смещения в диэлектрике I=Ir. В «идеальном» диэлектрике ток проводимости Ia=0. В переменном поле ток, протекающий через конденсатор – это ток смещения в диэлектрике I=Ir. В «идеальном» диэлектрике ток I отстаёт по фазе от вектора напряжения Е на 90о. В хороших диэлектриках угол сдвига фаз  близок к 90о.

Угол , дополняющий угол  до 90о: Угол , дополняющий угол  до 90о:  = 90о  . наз. углом диэлектрических потерь. Отношение активной и реактивной составляющих полного тока: tg = Ia/Ir, наз. тангенсом угла диэлектрических потерь, который м.б. определён экспериментально.

Потери на проводимость: Р = U2/R Потери на проводимость: Р = U2/R Ia = U/Rа => Р = UIa ; Ia = Ir tg => Р = UIrtg. Ir = UωС => Р = U2 ωСtg Вт Чем больше tg изоляции, тем сильнее она нагревается в переменном поле. Для неоднородного диэлектрика или поля, формула даёт среднее значение потерь по всему объёму диэлектрика, или полные диэлектрические потери.

Удельными диэлектрическими потерями р называется мощность, рассеиваемая в данном единичном объёме диэлектрика. Удельными диэлектрическими потерями р называется мощность, рассеиваемая в данном единичном объёме диэлектрика. С = 0,  = S/ℓ, U = Еℓ р = Е2 ω0tg Вт/м3. Чем больше  и tg, тем больше потери р в данном месте диэлектрика. tg – коэффициент диэлектрических потерь

Виды диэлектрических потерь 1. Потери на сквозную электропроводимость. 2. Потери на медленные виды поляризации. 3. Потери на неоднородность структуры диэлектрика. 4. Ионизационные потери. 5. Резонансные потери.

Диэлектрические потери на сквозную электропроводимость Диэлектрические потери на сквозную электропроводимость наблюдаются во всех диэлектриках

РТ – потери при Т; РТ – потери при Т; Р0 – потери при Т= 0оС (или 20 оС);  – постоянная, определяемая свойствами диэлектрика.

Диэлектрические потери на медленные виды поляризации проявляются в полярных диэлектриках и только в переменных электрических полях

Если  << 1/f Если  << 1/f (область очень низких частот поля), То Р успевает следовать за Е, и PdE=0.

Если  >>1/f , Если  >>1/f , (область очень высоких частот поля), то поляризация не успевает установиться за полупериод изменения Е, Р=0 и PdE=0.

Если  ≈ 1/f, Если  ≈ 1/f, то Р отстает по фазе от Е, и PdE >0. На поляризацию затрачивается энергия поля E, переходящая в диэлектрические потери.

Время установления τ релаксационных видов поляризации уменьшается с ростом температуры => с ростом Т максимум диэлектрической дисперсии смещается в область более высоких частот электрического поля. Время установления τ релаксационных видов поляризации уменьшается с ростом температуры => с ростом Т максимум диэлектрической дисперсии смещается в область более высоких частот электрического поля.

Диэлектрические потери на неоднородность структуры характерны для композиционных диэлектриков и диэлектриков с примесями (в том числе и проводящими) гетинакс, текстолит, слюдопласты, керамика, компаунды, пропитанные материалы и т.д.

Для композиционных материалов, состоящих из хороших диэлектриков, частота релаксации fр < 1 Гц и миграционные потери малы даже на промышленной частоте (50 Гц). Для композиционных материалов, состоящих из хороших диэлектриков, частота релаксации fр < 1 Гц и миграционные потери малы даже на промышленной частоте (50 Гц). Если в диэлектрике есть проводящие включения, то fр оказывается в области рабочих частот и миграционные потери необходимо учитывать. Так, при увлажнении tgδ диэлектрика возрастает, так как проводимость воды велика.

В случае миграционной поляризации, как и дипольной, возникает интервал времен  релаксации, что приводит к увеличению частотного интервала миграционных потерь. В случае миграционной поляризации, как и дипольной, возникает интервал времен  релаксации, что приводит к увеличению частотного интервала миграционных потерь. Причина: неодинаковые свойства основной среды и проводящих включений диэлектрика, неодинаковая форма и ориентация включений. С ростом Т удельная проводимость γ растет экспоненциально, поэтому частота релаксации и максимума миграционных потерь повышается с ростом температуры.

Ионизационные диэлектрические потери в пористых диэлектриках при повышении напряжения сверх порога ионизации Uион

Резонансные диэлектрические потери Наблюдаются во всех диэлектриках. Происходят при дисперсии резонансного характера, когда частота электрического поля приближается к частотам собственных колебаний электронов или ионов.

Резонансные потери электронной поляризации имеют максимумы в оптическом диапазоне: инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра (на частотах 1014–1017 Гц). Резонансные потери электронной поляризации имеют максимумы в оптическом диапазоне: инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра (на частотах 1014–1017 Гц). С ними связано поглощение света веществом. Потери сопровождаются частотной зависимостью показателя преломления и максимальны в области т.н. «аномальной» дисперсии, где  снижается с ростом .

Максимумы резонансных потерь ионной поляризации наблюдаются в инфракрасном диапазоне на частотах 1013–1014 Гц. Максимумы резонансных потерь ионной поляризации наблюдаются в инфракрасном диапазоне на частотах 1013–1014 Гц. В веществах с высокой ε, а также в стеклах и ситаллах, где есть слабо связанные ионы, частоты ионного резонанса могут быть ниже (1012 Гц). В этом случае начало резонансного максимума потерь захватывает диапазон СВЧ (109–1010 Гц).

Полный диэлектрический спектр р = рскв+ рд+ рион+ ррез+ рмиг

Пробой диэлектриков Образование в диэлектрике электропроводящего канала под действием электрического поля называют пробоем.

Пробой газов

Эмпирический закон Пашена: Эмпирический закон Пашена: если длина разрядного промежутка h и давление газа р изменяются так, что h·р=const, то и UПР=const. Т.е. UПР газов является функцией произведения рh.

Пробой жидких диэлектриков