Задача 1
Дайте краткое описаниефизического смысла и практического значения пробоя. Приведите величиныизмерений величины характеристик для разных групп диэлектриков
Каждый диэлектрик,находясь в электрическом поле, теряет свойства изоляционного материала, еслинапряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление –пробой диэлектрика. В результате пробоя происходит соединение проводников,находящихся под напряжением, друг с другом.
/> - напряжение, при которомпроисходит пробой – пробивное напряжение, измеряемое в киловольтах.
/> - электрическая прочностьдиэлектрика, измеряемая в /> или /> - в практике, /> — в системе СИ.
/>
Вида пробоя:
— Тепловой пробой.В результате нагрева диэлектрика проходящим через него электрического тока,сопротивление диэлектрика непрерывно уменьшается. Это вызывает увеличение тока,вследствие чего повышается температура, до тех пор, пока ток не достигнетвеличины, при которой диэлектрик термически разрушается (плавится). В этомслучае /> зависитот температуры диэлектрика.
/>
— Электрическийпробой. С повышением напряженности электрического поля происходит процессбыстрого нарастания количества свободных электронов, который заканчиваетсяпробоем диэлектрика.
Кривую зависимости отвремени воздействия приложенного напряжения называют «кривой жизнидиэлектрика», так как по ней можно определить время жизни диэлектрика призаданной напряженности поля.
/>
— Электрическаяпроницаемость /> диэлектрика при электрическомпробое не зависит от температуры, но при более высоких температурах диэлектрикапереходит в тепловой пробой.
При этом /> диэлектрика уменьшаетсяс ростом его температуры.
1. Пробой газов –явление чисто электрическое, зависит от степени однородности электрическогополя, в котором осуществляется пробой
/>
— Пробой воднородном поле. В таком поле пробой наступает практически мгновенно придостижении строго определенного напряжения, зависящего от температуры идавления газа. Между электродами возникает искра, которая затем переходит вдугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность. Появление искры призаданном расстоянии между электродами используют для определения значенияприложенного напряжения.
Электрическая прочностьгаза в сильной мере зависит от давления, если температура постоянна. При малыхизменениях температуры и давления газа пробивное напряжение пропорциональноплотности газа:
/>
где: /> — пробивное напряжениепри данных температуре и давлении
/>/> — пробивное напряжение принормальных условиях
(/>)
— Пробой внеоднородном поле. Особенностью пробоя в таком поле является возникновениечастичного заряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигаеткритических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой заряд и дугу привозрастании напряжения.
2. Пробой жидкихдиэлектриков. В жидких диэлектриках на явление пробоя влияет наличие примесей,так как получить предельно чистую жидкость очень трудно. Теорию электрическогопробоя можно применить к жидкостям максимально очищенным от примеси. Пробойжидкостей, содержащих газовые включения, объясняются местным перегревомжидкостей, который приводит к образованию газового канала между электродами.Вода в виде капелек в трансформаторном масле, при нормальной температурезначительно снижает />. Под влиянием электрического полясферические капельки воды поляризуются, приобретая форму эллипсоидов и,притягиваясь между собой разноименными концами, создают между электродамицепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрическийпробой. Сажа и обрывки волокон искажают электрическое поле внутри жидкости итакже приводят к снижению электрической прочности жидких диэлектриков. Очисткажидких диэлектриков от примесей значительно повышает электрическую прочность.
3. Пробой твердыхдиэлектриков. Различают четыре вида пробоя:
— Электрическийпробой макроскопически однородных диэлектриков. Этот вид пробоя характеризуетсябыстрым развитием: протекает за меньше, чем />с, и не обусловлен тепловойэнергией, хотя электрическая прочность при электрическом пробое в некоторойстепени зависит от температуры.
— Электрическийпробой неоднородных диэлектриков. Характерен для технических диэлектриков,содержащих газовые включения. Развивается весьма быстро. Электрическаяпрочность твердых диэлектриков практически не зависит от температуры донекоторого её значения. Выше этого значения наблюдается заметное снижениеэлектрической прочности, что говорит о появлении механизма теплового пробоя.
— Тепловой пробой.Возникает в том случае, когда количество теплоты, выделяющейся в диэлектрике засчет диэлектрических потерь, превышает количество теплоты, которое можетрассеиваться в данных условиях, при этом нарушается тепловое равновесие, апроцесс приобретает лавинообразный характер. Явление теплового пробоя сводитсяк разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующихрасплавлению и обугливанию. Пробивное напряжение, обусловленное нагревомдиэлектрика, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температурыокружающей среды. Также «электротепловое» пробивное напряжение зависит отнагревостойкости материала. Механизм теплового пробоя наиболее вероятен приповышенных температурах, когда можно ожидать, что преобладающими будут потерисквозной электропроводности. По толщине диэлектрика получается перепадтемпературы, средний слой оказывается нагретым выше, чем прилегающие кэлектродам, сопротивление первого резко падает, что ведет к искажениюэлектрического поля и повышенным градентам напряжения в поверхностных слоях.Теплопроводность материала электродов также играет важную роль.
/>(с), где: />
— Электрохимическийпробой. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжениях низкойчастоты, когда в материале развиваются процессы, обуславливающие необратимоеуменьшение сопротивления изоляции (электрохимическое старение). Для егоразвития требуется длительное время, поскольку он связан с явлениемэлектропроводности.
Задача 2
Дайте определениедиэлектрика пластмасса. Укажите, к какой классификационной группе относитсяданный диэлектрик. Приведите основные характеристики материала, единицыизмерения и величины этих характеристик. Кратко опишите достоинства инедостатки, а также перечислите области применения материала.
Диэлектрик –электроизоляционный материал, применяемый в технике с целью созданий условий,препятствующих нейтрализации электрических зарядов, то есть недопускающийутечки тока.
По условию задандиэлектрик – пластмасса, относящаяся к пассивным электроизоляционным материалам,обладающие высокой теплостойкостью, нагревостойкостью, малым водопоглащением,что позволяет использовать их для изготовления электроизоляционных иконструкционных изделий.
Особенностью свойствпластмассы является инертная высокополимерная структура. Для изготовленияпластмассовых изделий исходный материал – прессовочные порошки, на основерезольных и новолачных смол, являющиеся термореактивными материалами.Пластмассы на их основе – фенопласты. Они обладают высокой стабильностьюсвойств и противостоят воздействию воды, кислот и органических растворителей. Различаюттри типа фенопластов, содержащих в качестве наполнителей древесную муку иминеральные вещества. Пресспорошки (II тип) на основе резольных смол обладают улучшенными электроизоляционнымисвойствами, поэтому их широко применяют для изготовления электроизоляционныхдеталей. Из фенопластов I и III типа, содержащих новолочную смолу,изготовляют низковольтные электроизоляционные изделия. Недостатком фенопластовявляется их низкая стойкость к электрическим искрам и дугам, вызывающихнауглероживание изделий. Прессований изделий из фенопластов производят приудельном давлении /> без предварительного подогревапресспорошков при температуре /> или с предварительным подогревомпри />. Припредварительном подогреве время прессования уменьшается.
Основные характеристикифенопластовХарактеристики Группа I Группа II Группа III
Удельный вес, г/см3 1,4 1,4 1,5
Удельная ударная вязкость, кГ*см/см2 4,0 4,2 4,5
Предел прочности при изгибе, кГ/см2/> 550 600 650
Предел прочности при сжатии, кГ/см2 1600 1500 1700
Водопоглащаемость, г/дм2 0,12 0,10 0,12
Теплостойкость, /> 110 100 110
Удельное объёмное сопротивление />, Ом*см
109
1012
1010
Удельное поверхностное сопротивление />, Ом*см
109
1013
1010
Тангенс угла диэлектрических потерь />, при 50 гц 0,1 0,05 0,1
Электрическая прочность/>, кв/мм 10 13 7 Текучесть, мм 150 150 180
Изделия из пресспорошков,содержащие в качестве наполнителя асбестовые или стеклянные волокна, — волокниты, обладают повышенной нагревостойкостью. У этих материалов удельнаяударная вязкость и теплостойкость значительно выше, чем у фенопластов спредыдущими наполнителями. В качестве связующего в этих пресспорошках применяютрезольные смолы.Характеристики Волокнит К — 6 К – Ф — 3 Стекловолокнит
Удельный вес, г/см3 1,4 1,9 1,8 1,9
Удельная ударная вязкость, кГ*см/см2 9,0 20 22 15
Предел прочности при изгибе, кГ/см2/> 700 700 700 800
Предел прочности при сжатии, кГ/см2 1200 800 1000 900
Водопоглащаемость, г/дм2 0,4 0,8 1,0 0,5
Теплостойкость, /> 110 220 220 180
Удельное объёмное сопротивление />, Ом*см
108
107
108
1010
Электрическая прочность/>, кв/мм 2 1 2 4 Текучесть, мм 100 110 120 120
Особый интерес вызываютпластмассы на основе кремнийорганических смол, так как они обладают высокойнагревостойкостью и малой зависимостью электрических характеристик оттемпературы. При введении в такие пластмассы нагревостойких наполнителей,происходит снижение электрических характеристик чистых кремнийорганических смоли резкое увеличение механических характеристик. Такие пластмассы применяютсядля изделий, работающих при температурах до 200°С и условиях повышеннойвлажности.
Разновидностьюкомпозиционных пластмасс являются слоистые пластики, в которых в качественаполнителя используют листовые волокнистые материалы. К слоистым пластикамотносятся гетинакс, текстолит и стеклотекстолит.
— Гетинакс получаютгорячей прессовкой бумаги, пропитанной феноло-формальдегидной смолой в стадии Аили другими смолами этого же типа. Для производства используется прочная инагревостойкая пропиточная бумага. Пропитку производят с помощью воднойсуспензии формальдегидной смолы. Листы бакелизированной бумаги после их сушкисобирают в пакеты и эти пакеты прессуют на гидравлических прессах притемпературе 160°С под давлением 10—12 МПа. Во время прессования смола сначаларазмягчается, заполняя поры между листами и волокнами, а затем затвердевает,переходя в неплавкую стадию резита. В результате волокнистая основа связываетсяв прочный монолитный материал. Гетинакс относится к числу сильнополярныхдиэлектриков, так как волокнистая основа и пропитывающее вещество обладаютполярными свойствами.
Гетинакс используется дляизготовления различного рода плоских электроизоляционных деталей и оснований.Бывает следующих марок: А, Б, В, Г, Д, Вс – для работы при частоте50 гц и АВ, БВ, ВВ, ГВ, ДВ– для работы на высокой частоте. Гетинакс марок А и Б – обладает повышеннойэлектрической прочностью, Г – повышенной стойкостью к влаге, В – повышенноймеханической прочностью.
— Текстолит.Наполнитель — пропитанная хлопчатобумажная ткань. Выпускается марками: А, Б и Г– на основе бязи и миткаля, ВЧ – на шифоне для высоких частот. Свойстваидентичны свойствам гетинакса, только у текстолита предел прочности нараскалывание выше и удельная ударная вязкость, доходящая до 40 кг*см/см2.Текстолит – материал более дорогой, чем гетинакс, поэтому его следует применятьтам, где деталь может подвергаться ударам или истиранию.
— Стеклотекстолит. Наполнитель– электроизоляционная бесщелочная стеклянная ткань. Обладают повышеннойвлагостойкостью и, по сравнению с текстолитом и гетинаксом, лучшимиэлектрическими и механическими характеристиками. Изготавливается несколькимимарками: СТ, СТУ на основе бесщелочной стеклянной ткани со связующим –фенолформальдегидной смолой и СТК – 41 и СТК – 41/ЭП на кремнийорганическихсмолах и с добавкой эпоксидных смол. Отличаются повышенной нагревостойкостью(180-200° С).Характеристики Гетинакс Текстолит А, В, Г Стеклотекстолит А, Б, В, Г, Д
АВ, БВ, ВВ, ГВ, ДВ Фенолформальдегидная смола Кремнийорганическая смола Эпоксидная смола
Удельный вес, г/см3 1,3 1,3 1,4 1,6 1,7 1,8
Предел прочности при изгибе, кГ/см2/> 800-1500 - 900-1400 1100-1300 1100-1200 2000-2500
Предел прочности при растяжении, кГ/см2 700-1500 800-1500 600-900 900-1300 1000-1500 1700-2400
Удельная ударная вязкость, кГ*см/см2 13-20 - 20-40 35-60 25-60 60-80 Теплостойкость, °С 150-180 125-180 125-160 185 200 250
Удельное объёмное сопротивление />, Ом*см
1010-1012
1012-1014
109-1011
1010
1014
1013
Диэлектрическая проницаемость /> 5-6 5-6 5-6 6-8 6-7 6-7
Тангенс угла диэлектрических потерь />, при 50 гц 0,06-0,10 0,01-0,03 0,07-0,15 0,06-0,08 0,022 0,025
Электрическая пробивная прочность/>, кв/мм 15-25 22-33 10-16 12-16 14-18 18-20 /> /> /> /> /> /> /> />
Задача 3. Дайтеопределение проводника. Приведите классификацию проводниковых материалов.Назовите основные показатели проводников и кратко поясните их физический смысл.Для бериллиевой бронзы приведите числовые значения этих показателей. Краткоопишите сам материал, укажите основные области его применения. Укажитеназначение кабели связи. Перечислите проводниковые материалы, используемые дляих изготовления
Бериллиевая бронза, кабелисвязи
Проводник — металлическоеизделие, изготовленное из материалов, обладающих высокой электропроводностью,чтобы не допускать больших потерь электрической энергии, используемые дляобмотки машин и аппаратов, линий электропередачи шины распределительныхустройств и т.д.
/>
— Удельнаяпроводимость. Электропроводность обуславливается наличием свободных валентныхэлектронов в проводнике. При подключении электрического напряжения, электроныбудут двигаться от минуса к плюсу, что создаст электрический ток. Удельнаяпроводимость покажет, в какой мере тот или иной материал проводит создавшийсяток.
/>
— Удельноесопротивление — обратная величина удельной проводимости — />. Это величина, спомощью которой количественно оценивается электрическое сопротивление материала.Определяется из формулы:
/>
— Температурныйкоэффициент удельного сопротивления металлов.
/>
При повышении температурычисло носителей заряда в проводнике остаётся практически неизменным. Новследствие усилений колебаний узлов кристаллической решетки с ростомтемпературы, на пути направленного движения свободных электронов под действиемэлектрического тока появляется всё больше препятствий, то есть уменьшаютсясредняя длина свободного пробега электрона />, подвижность электронов и, какследствие, уменьшается удельная проводимость и повышается удельноесопротивление.
— Теплопроводность- />. Обменэлектронами между нагретыми и холодными частями металла в отсутствиеэлектрического поля, переход кинетической энергии от нагретых частей проводникак более холодным. За передачу теплоты через металл в основном ответственны теже свободные электроны, которые определяют и электропроводность металлов.
— Контактнаяразность потенциалов:
/>
— и термоэлектродвижущаясила (термо-ЭДС):
/>
Присоприкосновении двух различных металлических проводников между ними возникаетконтактная разность потенциалов. Причина появления этой разности потенциаловзаключается в различии значений работы выхода электронов из различных металлов,а также в том, что концентрация электронов, а следовательно, и давлениеэлектронного газа у разных металлов и сплавов могут быть неодинаковыми.Термо-ЭДС возникает, когда один из спаев имеет температуру />, а другой — />.
Бериллиевая бронза. Сплав меди и олова с легированиембериллием. Эта бронза отличается высоким пределом прочности и упругости,коррозионной стойкостью в сочетании с повышенным сопротивлением усталости иизносу, обладает хорошей электро- и теплопроводностью, обрабатывается резаниеми сваривается контактной сваркой. Недостаток бериллиевой бронзы – высокаястоимость.
Из нее изготавливаютупругие элементы точных приборов (плоские пружины, пружинящие электроконтакты,мембраны), детали, работающие на износ (кулачки, шестерни, ударники, втулки),детали ударных механизмов и ударный инструмент для взрывоопасных условий.
Свойства меди,обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала.
— малое удельноесопротивление (из всех материалов только серебро имеет несколько меньшееудельное сопротивление, чем медь);
— достаточновысокая механическая прочность;
— удовлетворительнаяв большинстве случаев стойкость по отношению к коррозии (медь окисляется навоздухе даже в условиях высокой влажности значительно медленнее, чем, например,железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенныхтемпературах(см.рис. 8.1);
— хорошаяобрабатываемость (медь прокатывается в листы, ленты и протягивается впроволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра);
— относительнаялегкость пайки и сварки.
Принципы развитиямеждугородной связи диктуют необходимость создания новых широкополосных кабелейсвязи с большой дальностью действия, надежно защищенных от взаимных и внешнихпомех и обладающих высокой стабильностью и надежностью, причем конструкциидолжны быть экономичными и требовать минимума расхода цветных металлов. Кабелисвязи изготавливают из меди и свинца. Для экономии этих цветных металлов припроизводстве кабелей применяют алюминиевые, стальные и пластмассовые оболочки. Длясердечников сталеалюминевых проводов воздушных линий электропередачиприменяется особо прочная стальная проволока. В некоторых случаях дляуменьшения расходов цветных металлов в кабелях связи выгодно применять такназываемый проводниковый биметалл. Это сталь, покрытая снаружи слоем меди,причем оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно по всейповерхности их соприкосновения.
Независимо от видакабельной связи в кабельную линию передаются электромагнитные сигналы различнойчастоты и формы. На передающем конце осуществляется преобразование звуковой(телефон, вещание, звуковое сопровождение), механической (телеграф,телемеханика) или световой энергии (телевидение, фототелеграфирование,видеотелефон) в электромагнитную, которая передается по линии. На приемномконце имеет место обратный процесс преобразования электромагнитной энергии всоответствующий вид энергии, воспроизводящий передаваемую информацию.
Задача 4. Дайтеопределение полупроводника. Приведите классификацию полупроводниковыхматериалов. Укажите, от каких факторов зависит электропроводностьполупроводников. Кратко опишите Кремний КЭФ. Укажите назначение тиристора.Назовите основное свойство полупроводника, благодаря которому он применяется вэтом приборе
Полупроводниками называютвещества, значения удельного сопротивления которых при нормальной температуренаходятся между значениями удельного сопротивления проводников и диэлектриков(в диапазоне 10-3– 1010 Ом·см). Основным свойством полупроводника являетсязависимость его электропроводности от воздействия температуры, электрическогополя, излучения, механической энергии. Полупроводники в отличие от проводниковимеют отрицательный температурный коэффициент удельного сопротивления, проводимостьполупроводников с увеличением температуры увеличивается экспоненциально. Взависимости от наличия примесей различают собственные и примесные полупроводники.
/>
Электропроводностьполупроводников зависит от следующих факторов:
· Влияние тепловойэнергии. Температурная зависимость удельной проводимости полупроводника естьрезультат изменения концентрации и подвижности носителей заряда. В областинизких температур полупроводник характеризуется примесной электропроводностью,а в области высоких – собственной электропроводностью.
· Влияниедеформации. Вследствие увеличения или уменьшения межатомных расстояний,происходит изменение концентрации и подвижности носителей, следовательно,изменяется и электропроводность. Величина, численно характеризующая изменениеудельной проводимости полупроводников, — тензочувствительность.
/>
· Влияние света.Световая энергия, поглощаемая полупроводником, вызывает появление в немизбыточного (по сравнению с равновесным при данной температуре) количестваносителей зарядов, приводящего к возрастанию электропроводности.
· Электромагнитноеизлучение. Под его воздействием электрическая проводимость увеличивается –фотопроводимость.
· Сильныеэлектрические поля. Под его влиянием проводимость увеличивается.Обуславливается это ростом числа носителей заряда, так как под влиянием поляони легче освобождаются тепловым возбуждением. При дальнейшем росте поля можетпоявиться механизм ударной механизации, иногда приводящий к разрушениюструктуры проводника.
Исходным сырьем приполучении кремния является природная двуокись (кремнезем), из которой кремнийвосстанавливают углеродсодержащим материалом в электрических печах. Техническийкремний представляет собой мелкокристаллический спек, содержащий около 1 %примесей.
Технология получениякремния полупроводниковой чистоты включает в себя следующие операции:
— превращениетехнического кремния в легколетучее соединение, которое после очистки можетбыть легко восстановлено;
— очисткасоединения физическими и химическими методами; 3) восстановление соединения свыделением чистого кремния;
— окончательнаякристаллизационная очистка и выращивание монокристаллов.
Кремний КЭФ – кремнийэлектронный, легированный фосфором.
Тиристоры частоиспользуются в различных силовых устройствах: электроприводе, источникахпитания, мощных преобразовательных установках. Для снижения потерь эти приборыработают в основном в ключевом режиме. Основные требования, предъявляемые ктиристорам:
— малые потери прикоммутации;
— большая скоростьпереключения из одного состояния в другое;
— малое потреблениев цепи управления;
— большойкоммутируемый ток;
— высокое рабочеенапряжение.
/>
Тиристоры делятся на двегруппы: диодные тиристоры (динисторы) и триодные тиристоры (тринисторы). Длякоммутации цепей переменного тока разработаны специальные симметричныетиристоры-симисторы.
Динистор — это двухэлектродныйприбор диодного типа, имеющий три p-n перехода. Крайняя область p называетсяанодом. Другая крайняя область n — катодом.
/>
Тринисторы. В отличие отдинистора тринистор имеет кроме выводов анода и катода ещё и управляющий электрод(УЭ). В зависимости от расположения УЭ тиристоры делятся на тринисторы скатодным управлением (вывод УЭ из зоны, прилежащей к зоне катода типа p) и санодным управлением (вывод УЭ из зоны, прилежащей к зоне анода типа n).
/>
Вольтампернаяхарактеристика тринистора отличается от характеристики динистора тем, чтонапряжение включения регулируется изменением тока в цепи управляющегоэлектрода. При увеличении тока управления снижается напряжение включения. Такимобразом, тиристор эквивалентен динистору с управляемым напряжением включения.После включения УЭ теряет управляющие свойства, следовательно, с его помощьювыключить тиристор нельзя. Основные схемы выключения тринисторов такие же, каки для динистора.
/>
Задача 5. Для альсифера нужноперечислить свойства, преимущества и недостатки, применение
Альсиферы – это тройные сплавы, состоящие изалюминия, кремния и железа (Al – Si – Fe), образующие твердые растворы. Высокую магнитную проницаемостьимеют в очень узком интервале содержания в сплаве алюминия и кремния. Максимуммагнитных свойств альсифера соответствует точному соблюдению состава, что можнообеспечить только для лабораторных образцов. Промышленные изделия имеют болеенизкие значения магнитных свойств.
Оптимальный состав: 9,5%- кремний, 5,6% — алюминий, остальное железо. Такой сплав отличается твердостьюи хрупкостью, но из него могут быть изготовлены фасонные отливки. Основныесвойства:
/>, />, />, />
то есть не уступаетсвойствам высоконикелевых пермаллоев. Магнитные экраны, корпуса приборов идругие изделия из альсифера изготавливаются методами литья с толщиной стенок неменее 2 – 3 мм из – за хрупкости сплава. Эта особенность ограничиваетприменение данного материала. Благодаря хрупкости альсифера его можноразмалывать в порошок и использовать наряду с карбонильным железом дляизготовления высокочастотных прессованных сердечников.
Список используемойлитературы
1. Н.Г.Дроздов, Н.В.Никулин«Электроматериаловедение», Москва, 1963 г., 350 стр.
2. Н.П. Богородицкий, В.В. Пасынков,Б.М. Тареев. Электротехнические материалы. Л.; «Энергоиздат». 1985 — 304 с.
3. Н.П. Богородицкий, В.В. Пасынков.Материалы радиоэлектронной техники. М.; «Высшая школа». 1969 – 423 с.