Самыйнепрочный вид связи — молекулярная связь (связь Ван-дер-Ваальса). Такаясвязь существует в некоторых веществах между молекулами с ковалентнымивнутримолекулярными связями.
Межмолекулярное притяжение обусловливается согласованным движениемвалентных электронов в соседних, молекулах. В любой момент времени электронымаксимально удалены друг от друга и максимально приближены к положительнымзарядам. При этом силы притяжения валентных электронов положительно заряженнымиостовами соседних молекул оказываются сильнее сил взаимного отталкиванияэлектронов внешних орбит. Связь Ван-дер-Ваальса наблюдается между молекуламинекоторых веществ (например, парафина)имеющих низкую температуруплавления, свидетельствующую о непрочности их кристаллической решетки.
Основным, характерным для любого диэлектрикапроцессом, возникающим при воздействии на него электрического напряжения,является поляризация — ограниченное смещение связанных зарядов илиориентация дипольных молекул.
Дипольно-релаксационная поляризация для краткости называетсядипольной. Отличается от электронной и ионной поляризации тем, что она связанас тепловым движением частиц. Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическомтепловом движении, частично ориентируются под действием поля, что и являетсяпричиной поляризации.
Дипольная поляризация возможна, если молекулярныесилы не препятствуют диполям ориентироваться вдоль поля. С увеличениемтемпературы молекулярные силы ослабляются, вязкость вещества понижается, чтодолжно усиливать дипольную поляризацию, однако в то же время возрастает энергиятеплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля. Поэтому сувеличением температуры, дипольная поляризация сначала возрастает (покаослабление молекулярных сил сказывается сильнее, чем возрастание хаотическоготеплового движения), а затем, когда хаотическое движение становитсяинтенсивнее, дипольная поляризация с ростом температуры начинает падать.
Поворот диполей в направлении поля в вязкой средетребует преодоления некоторого сопротивления, а потому дипольная поляризациясвязана с потерями энергии.
Диэлектрическаяпроницаемость твердых тел зависит от структурных особенностей твердогодиэлектрика. В твердых телах возможны все виды поляризации. Для твердыхнеполярных диэлектриков характерны те же закономерности, что и для неполярныхжидкостей и газов. Это подтверждается зависимостью ξr(t)для парафина. Припереходе парафина из твердого состояния в жидкое (температура плавления около+54°С) происходит резкое уменьшение диэлектрической проницаемости вследствиепонижения плотности вещества.
Газообразныевещества характеризуются малыми плотностями. Поэтому диэлектрическаяпроницаемость всех газов незначительна и близка к единице. Если молекулы газа полярныето поляризация может быть дипольной, однако и для полярных газов основноезначение имеет электронная поляризация.
Поляризацияжидкостей, содержащих дипольные молекулы, определяется электронной и дипольнойполяризациями. Чем больше электрический момент диполей и число молекул вединице объема, тем большей диэлектрической проницаемостью обладают жидкиедиэлектрики. Диэлектрическая проницаемость жидких полярных диэлектриковизменяется в пределах от 3 до 5,5.
Твердые диэлектрики, представляющие собой ионныекристаллы с плотной упаковкой частиц, обладают электронной и ионнойполяризациями и имеют диэлектрическую проницаемость, изменяющуюся в широкихпределах. Для неорганических стекол (квазиаморфных диэлектриков)диэлектрическая проницаемость изменяется в пределах от 4 до 20. Твердыедиэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с неплотной упаковкойчастиц, помимо электронной и ионной поляризации имеют ионно–релаксационнуюполяризацию и характеризуются невысоким значением диэлектрическойпроницаемости. Так например ξr каменной соли имеет значение6, корунда 10, рутил 110, а титанат кальция 150. (Все значение ξr приведены длятемпературы 20 °С.)
Полярные органические диэлектрики обнаруживаютдипольно-релаксационную поляризацию в твердом состоянии. К таким диэлектрикамотносятся целлюлоза и продукты ее переработки, полярные полимеры.Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается также у льда. Диэлектрическаяпроницаемость указанных материалов в большой степени зависит от температуры иот частоты приложенного напряжения, подчиняясь тем же закономерностям, какиенаблюдаются для полярных жидкостей.
Можно отметить, что диэлектрическая проницаемостьльда резко меняется в зависимости от температуры и частоты. При низких частотахи температуре, близкой к О°С, лед, как и вода, имеет ξr ~ 80, однако с понижениемтемпературы ξr быстро падает и доходит до 2,85.
Диэлектрическая проницаемость сложныхдиэлектриков, представляющих собой механическую смесь двух компонентов сразными диэлектрическими проницаемостями определяется, в первом приближении, наосновании логарифмического закона смешения.
Ток в газахможет возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов.Ионизация нейтральных молекул газа возникает либо под действием внешнихфакторов, либо вследствие соударений заряженных частиц с молекулами.
Электропроводностьжидких диэлектриков тесно связана со строением молекул жидкости. В неполярныхжидкостях электропроводность зависит от наличия диссоциированных примесей, втом числе влаги. В полярных жидкостях электропроводность определяется не толькопримесями, но иногда и диссоциацией молекул самой жидкости. Ток в жидкостиможет быть обусловлен как передвижением ионов, так и перемещением относительнокрупных заряженных коллоидных частиц.
Электропроводность твердых тел обусловливается передвижением,как ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей, а у некоторыхматериалов может быть вызвана наличием свободных электронов. Электроннаяэлектропроводность наиболее заметна при сильных электрических полях.
В диэлектриках с атомной или молекулярнойрешеткой электропроводность связана только с наличием примесей, удельнаяпроводимость их весьма мала.
В системе СИ удельное объемное сопротивление ρv равно объемномусопротивлению куба с ребром в 1 м, мысленно вырезанного из исследуемогоматериала (если ток проходит сквозь куб, от одной его грани к противоположной),умноженному на 1 м.
Для плоского образца материала в однородном полеудельное объемное сопротивление (Ом-метр) рассчитывается по формуле
ρ=RS/h,
где
R— объемное сопротивлениеобразца, Ом;
S — площадь электрода, м2;
h— толщина образца, м.
Удельная объемная проводимость γ измеряется в сименсах наметр
Потери в диэлектрике (диэлектрические потери)-это мощность, рассеиваемая в диэлектрике при воздействии на него электрическогополя и вызывающую нагрев диэлектрика. Потери в диэлектриках наблюдаются как припеременном напряжении, так и при постоянном, поскольку в материалеобнаруживается сквозной ток, обусловленный проводимостью.
При постоянном напряжении нет периодической поляризации.Качество материала при этом характеризуется значениями удельного объемного иповерхностного сопротивлений. При переменном напряжении необходимо использоватькакую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кромесквозного тока, возникают дополнительные причины, вызывающие потери в диэлектрике.
Диэлектрические потери в электроизоляционномматериале можно характеризовать рассеиваемой мощностью, отнесенной к единицеобъема, или удельными потерями; чаще для оценки способности диэлектрикарассеивать мощность в электрическом поле пользуются углом диэлектрическихпотерь, а также тангенсом этого угла.
Недопустимо большие диэлектрические потери вэлектроизоляционном материале вызывают сильный нагрев изготовленного из негоизделия и могут привести к его тепловому разрушению. Даже если напряжение,приложенное к диэлектрику, недостаточно, велико для того, чтобы за счетдиэлектрических потерь мог произойти недопустимый перегрев, то и в этом случаебольшие диэлектрические потери могут принести существенный вред, увеличивая,например, активное сопротивление колебательного контура, в котором использованданный диэлектрик а, следовательно, и величину затухания.
Резина и бумагаявляются органическими диэлектриками молекулярной структуры с полярнымимолекулами. Эти вещества из-за присущей им дипольно-релаксационной поляризацииобладают большими потерями. Тангенс угла потерь tgδ~0,03, для сажевых резиндо 0,25.
Стекла, неорганическиеквазиаморфные вещества ионной структуры представляющие собой сложные системы различныхоксидов. Диэлектрические потери в таких веществах связаны с явлениемполяризации и электропроводности. Электрические свойства весьма в большойстепени зависят от их состава. Для кварцевого стекла тангенс угла потерь tgδ~0,0002.
Пенопласты —материалы с ячеистой структурой, в которых газообразные наполнители изолированыдруг от друга и от окружающей среды тонкими слоями полимерного связующего.Пенопласты на основе эпоксидных смол имеют тангенс угла потерь tgδ~0,025 – 0.035.Пенопласты на основе пенополистирола tgδ~0,0004.
Такимобразом, меньшие электрические потери следует ожидать от стекла.
Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряетсвойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превыситнекоторое критическое значение. Это явление носит название пробоядиэлектрика или нарушения его электрической прочности. Значение напряжения,при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением,а соответствующее значение напряженности поля — электрической прочностьюдиэлектрика.
Пробивное напряжение обозначается Unpи измеряется чаще всего вкиловольтах. Электрическая прочность определяется пробивным напряжением,отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя:
Еnp= Unp/h
где h— толщина диэлектрика
Удобные для практических целей численные значения электрическойпрочности диэлектриков получаются, если пробивное напряжение выражать вкиловольтах, а толщину диэлектрика — в миллиметрах. Тогда электрическаяпрочность будет в киловольтах на миллиметр. Для сохранения численных значений иперехода к единицам системы СИ можно пользоваться единицей МВ/м:
Жидкие диэлектрики отличаются более высокойэлектрической прочностью, чем газы в нормальных условиях. Предельно чистые жидкостиполучить чрезвычайно трудно. Постоянными примесями в жидких диэлектрикахявляются вода, газы и твердые частицы. Наличие примесей и определяет в основномявление пробоя жидких диэлектриков и вызывает большие затруднения для созданияточной теории пробоя этих веществ.
Теорию электрического пробоя можно применить к жидкостям,максимально очищенным от примеси. При высоких значениях напряженностиэлектрического поля может происходить вырывание электронов из металлическихэлектродов и, как и в газах, разрушение молекул самой жидкости за счет ударовзаряженными частицами. При этом повышенная электрическая прочность жидкогодиэлектрика по сравнению с газообразным обусловлена значительно меньшей длинойсвободного пробега электронов. Пробой жидкостей, содержащих газовые включения,объясняют местным перегревом жидкости за счет энергии, выделяющейся вотносительно легко ионизирующихся пузырьках газа, который приводит кобразованию газового канала между электродами. Вода в виде отдельных мелкихкапелек, находящихся в трансформаторном масле, при нормальной температурезначительно снижает Eпр. Под влиянием длительного электрического полясферические капельки воды сильно дипольной жидкости поляризуются, приобретаютформу эллипсоидов и, притягиваясь между собой разноименными концами, создаютмежду электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходитэлектрический пробой.
Обожженныйфарфор имеет плотность 2,3-2,5 Мг/м3. Предел прочности при сжатии400-700 МПа, при растяжении 45-70 МПа, при изгибе 80-150 МПа. Из чего видно,что механическая прочность фарфора выше при работе на сжатие.
Защитные свойства различных материалов к корпускулярным и волновымизлучениям высокой энергии удобно характеризовать понятием слоя десятикратногоослабления, т.е. толщиной слоя вещества, после прохождения, которогоинтенсивность излучения ослабляется в десять раз. Эта характеристиказначительно облегчает расчеты элементов защиты. Например, для ослабления в 100раз необходимо взять толщину защитного вещества, равную двум слоямдесятикратного ослабления. Очевидно, п слоев десятикратного ослабленияснизит интенсивность излучения в 10n раз.
Поглощениеквантовой энергии веществом зависит от плотности этого вещества. Изперечисленных веществ наибольшую плотность имеет свинец. Для поглощения 1 МэВквантового излучения толщина свинца должна быть ~ 30 мм, стали ~50 мм, бетона~200 мм, воды 400 мм. Таким образом, свинец имеет наименьшую толщину слоядесятикратного ослабления.
Важнейшимипрактически применяемыми твердыми проводниковыми материалами в электротехникеявляются металлы и их сплавы. Из них выделяются металлы высокой проводимости, имеющиеудельное сопротивление ρ при нормальной температуре не более 0,05мкОм*м,и сплавы высокого сопротивления имеющие удельное сопротивление ρ принормальной температуре не менее 0,3мкОм*м. Металлы высокойпроводимости используются для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмотокэлектрических машин. К таким металлам относятся медь (0,017 мкОм*м),Серебро (0,016 мкОм*м) Алюминий (0,028 мкОм*м)
Металлы исплавы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторовэлектронагревательных приборов, нитей ламп накаливания. К металлам и сплавамвысокого сопротивления относятся Манганин (0,42-0,48 мкОм*м),Константан (0,48-0,52 мкОм*м), Хромо-никеливые сплавы (1,1-1,2 мкОм*м),Хромо-алюминевые (1,2-1,5 мкОм*м), Ртуть, Свинец, Вольфрам.
В 1911 г. нидерландский физик X. Камерлииг-Оннесисследовал электропроводность металлов при весьма низких температурах, приближающихсяк абсолютному нулю. Он обнаружил, что при охлаждении до температуры, примерноравной температуре сжижения гелия, сопротивление кольца из замороженной ртутивнезапно, резким скачком падает до чрезвычайно малого, не поддающегося измерению,значения. Такое явление, т.е. наличие у вещества практически бесконечнойудельной проводимости, было названо сверхпроводимостью. Температура ТС,при охлаждении до которой вещество переходит в сверх проводящее состояние,— температурой сверхпроводящего перехода. Вещества, переходящие всверхпроводящие состояние, — сверхпроводниками.
Явление сверхпроводимости связано с тем, чтоэлектрический ток, однажды наведенный в сверхпроводящем контуре, будет длительно(годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы, ипритом без всякого подвода энергии извне.
В настоящее время известно уже 35сверхпроводниковых металлов и более тысяч сверхпроводниковых сплавов ихимических соединений различных элементов. В то же время многие вещества, в томчисле и такие, обладающие весьма малыми значениями ρ при нормальнойтемпературе, металлы как серебро, медь, золото, платина и другие, при наиболеенизких достигнутых в настоящее время температурах (около милликельвина)перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.
Использующиеся в практике полупроводники могут быть подразделенына простые полупроводники (их основной состав образован атомами одногохимического элемента) и сложные полупроводниковые композиции, основнойсостав которых образован атомами двух или большего числа химических элементов.В настоящее время изучаются также стеклообразные и жидкие полупроводники.Простые полупроводники, это: Бор, Кремний, Германий, Фосфор, Мышьяк,Селен, Сера, Теллур, Йод. Сложными полупроводниками являются соединенияэлементов различных групп таблицы Менделеева, соответствующие общим формулам AIVB,IV (например, SiC), AIIIBV (InSb, GaAs, GaP), AIIBIV (CdS, ZnSe), а также некоторыеоксиды (CU2O). К полупроводниковым композициям можно отнести материалыс полупроводящей или проводящей фазой из карбида кремния и графита, сцепленныхкерамической или другой связкой.
В современнойтехнике особое значение приобрели кремний, германий и частично селен,применяемый для изготовления диодов, триодов и других полупроводниковыхприборов.
Терморезисторы (термисторы) изготовляют в видестерженьков, пластинок или таблеток методами керамической технологии.Сопротивление и другие свойства терморезисторов зависят не только от— состава,но и от крупности зерна, от технологического процесса изготовления: давленияпри прессовании (если полупроводник берут в виде порошка) и температуры обжига.Терморезисторы используются для измерения, регулирования температуры итермокомпенсации, для стабилизации напряжения, ограничения импульсных пусковыхтоков, измерения теплопроводности жидкостей, в качестве бесконтактных реостатови токовых реле времени.
Из полупроводниковой керамики, обладающей точкойКюри, изготовляются терморезисторы, отличающиеся от всех других терморезисторовтем, что имеют не отрицательный, а очень большой положительный температурныйкоэффициент сопротивления (свыше +20%/К) в узком интервале температур (около 10°С). Такие терморезисторы называют позисторами. Их изготовляют в видедисков небольшой толщины и предназначают для контроля и регулирования температуры,использования в системах пожарной сигнализации, предохранения двигателей отперегрева, ограничения токов, измерения потоков жидкостей и газов.
Полупроводниковые оксиды используются в основномдля изготовления терморезисторов с большим отрицательным температурнымкоэффициентом удельного сопротивления [—(З-4)%/К].
Длязапоминающих устройств вычислительной техники применяются ферриты, обладающиепрямоугольной формой петли гистерезиса. Основным из параметров изделий этоготипа является коэффициент прямоугольности петли гистерезиса Кп представляющийсобой отношение остаточной индукции Вт к максимальной индукции Вмакс
Кп=Вт/ Вмакс
Дляизготовления сердечников трансформаторов используют магнитомягкие материалы ввиде набора тонких, изолированных друг от друга, листов. Данная конструкциясердечника трансформатора позволяет значительно уменьшить потери на вихревыетоки (токи Фуко).
Магнитотвердые материалы используют в основномдля изготовления постоянных магнитов.
По составу, состоянию и способу получениямагнитотвердые материалы подразделяют на:
1) легированные мартенситные стали,
2) литые магнитотвердые сплавы,
3) магниты из порошков,
4) магнитотвердые ферриты,
5) пластически деформируемые сплавы,
6) магнитные ленты.
Характеристиками материалов для постоянных магнитов служаткоэрцитивная сила, остаточная индукция и максимальная энергия, отдаваемаямагнитом во внешнее пространство. Магнитная проницаемость материалов для постоянныхмагнитов ниже, чем магнитомягких материалов, причем, чем выше коэрцитивнаясила, тем меньше магнитная проницаемость.
Наиболее простым и доступным материалом дляизготовления постоянных магнитов являются легированные мартенситные стали. Онилегируются добавками вольфрама, хрома, молибдена, кобальта. Значение Wмакс для мартенситных сталей составляет1—4 кДж/м3. Магнитные свойства таких сталей гарантируются для мартенситныхсталей после осуществления термообработки, специфичной для каждой марки стали, ипятичасовой структурной стабилизации в кипящей воде. Мартенситные стали началиприменять для производства постоянных магнитов раньше всех других материалов. Внастоящее время они имеют ограниченное применение в виду их невысоких магнитныхсвойств, но полностью от них не отказываются, так как они дешевы и допускаютмеханическую обработку на металлорежущих станках.
Для работы ввысокочастотных установках наиболее подходящий материал – магнитотвердый феррит(бариевый феррит). В отличие от магнитомягких ферритов он имеет не кубическую,а гексагональную кристаллическую решетку с одноосной анизотропией. Магниты изферрита бария имеют коэрцитивную силу до 240кА/м, однако по остаточной индукции0,38 Тл и запасенной магнитной энергии 12,4 кДж/м3 они уступаютсплавам системы альни. Удельное сопротивление бариевого феррита 104 — 107 Ом*м, т.е. в миллионы раз выше удельного сопротивления литыхметаллических магнитотвердых сплавов.
Высокимэлектрическим сопротивлением а, следовательно, и малым тангенсом угла магнитныхпотерь, обладают металлопластические магниты (с довольно низкими магнитными свойствами),что так же позволяет использовать их в аппаратуре с наличием переменногомагнитного поля повышенной частоты.