Электропроводность Г. Ж. и Т. Материалов

Классификация ЭТМ

Электротехническими материалами называются материалы, применяемые для создания электротехнических и электроэнергетических изделий и конструкций, работающие в сильных электромагнитных полях и обладающие заданными электромагнитными, тепловыми и механическими свойствами. Физическая константа, характеризующая материалы в электрическом поле - удельное сопротивление, а в магнитном – магнитная проницаемость.

Диэлектрики–вещества с высоким удельным сопротивлением. Используются в качестве электроизоляционных материалов. В конденсаторах – для создания заданной емкости.

Активные диэлектрики – отличаются от обычных диэлектриков тем, что их свойствами можно управлять, они могут служить для генерации, усилия, модуляции, преобразования электрических сигналов. К ним относят м. для лазеров, мазеров, сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электрооптические и нелинейнооптические м., электреты и др.

Полупроводниковые м. применяются, когда их проводимость управляется и изменяется напряжением, температурой, освещением или другими факторами. Из них изготавливают диоды, транзисторы, термисторы, фоторезисторы и другие приборы.

Проводниковые материалы служат для проведения электрического тока. Обладают весьма малым удельным сопротивлением. К ним относятся также сверхпроводниковые и криопроводниковые м.., у.с. к-ых при очень низких температурах ( криогенных ) весьма мало; м. высокого сопротивления, применяемые для изготовления резисторов, нагревательных элементов.

Магнитные материалы обладают способностью намагничиваться, а некоторые из них сохраняют намагниченность и после прекращения действия магнитного поля. Из них делают сердечники катушек индуктивности и трансформаторов, магнитные запоминающие устройства, постоянные магниты и др.

Типы хим. Связи

 Металлическая, обусловленная большой концентрацией свободных электронов, образующих «электронный газ», в котором на определенном расстоянии друг от друга (в узлах кристаллической решетки) удерживаются положительные ионы. Примеры материалов: металлы, сплавы.

 Ковалентная, обусловленная «обобществлением» электронов двумя или несколькими атомами. Примеры материалов: водород? хлор, алмаз.

 Ионная, обусловленная передачей валентных электронов одного атома другому и образованием вследствие этого положительного и отрицательного ионов, взаимоудерживаемых электростатическими силами. Примеры материалов: поваренная соль, щелочи, кислоты.

 Межмолекулярная (Ван-дер-Ваальса), определяемая взаимодействием поляризованных молекул или мгновенных молекулярных диполей. Примеры материалов: сжиженные газы, полимеры. Кроме этого существует большое число разновидностей и промежуточных видов связи, обладающих признаками двух или более из указанных. Пример: Водородная связь, объясняемая слабой связью между протоном и электроном в атоме водорода, в результате чего электрон смещается к близко расположенному электроотрицательному (с большим сродством к электрону) атому. Следствием является связь атомов и молекул между собой. Примеры материалов: вода.

Наиболее общей характеристикой взаимодействия (связи) является энергия связи, равная работе, необходимой для разрыва этой связи и разнесения взаимодействующих частиц на такое расстояние, при котором их взаимодействием можно пренебречь. Ориентировочные значения энергии связи для:

  металлической связи (1…4)105 Дж/моль

 ковалентной связи 10 6 Дж/моль,

 ионной связи 10 6 Дж/моль,

 межмолекулярной связи 10 3 Дж/моль.

При металлической связи большое число и «обобществленность» свободных электронов обусловливают высокую электропроводность и теплопроводность металлов, отражение ими электромагнитного поля (блеск и непрозрачность), пластичность. При ковалентной связи наблюдается, как правило, большая механическая прочность материалов (алмаз). Материалы с ионной связью хорошо растворяются в воде, молекулы которой полярны, и, взаимодействуя с ионами, разделяют их (сольватация). Межмолекулярные (Ван-дер-Ваальса) связи проявляются в слабой механической прочности, отсутствии определенной температуры плавления, сложности и многообразия строения материала.

3. Электрические характеристики диэлектриков:

поляризация

электропроводность

диэлектрические потери

пробой диэлектриков

электрическая прочность

Электропроводность твердого диэлектрика обусловлена движением свободных электронов, а так же движением ионов из узлов решетки (собственная или высокотемпературная электропроводность) или ионов примесей в диэлектриках с

ковалентной связью (примесная электропроводность). В отличье от электронной ионная теплопроводность, например, в органических полимерах сопровождается переносом вещества. В этом случае удельную

проводимость находят по формуле

[pic], где Ai и Bi – коэфициены для каждого типа ионов в донном

диэлектрике. По мере изменения температуры в этой формуле приволируют отдельные слагаемые, позволяющие пренебрегать остальными. Поэтому зависимость

log[pic] от 1/T можно минеаризировать, например, двумя прямыми. Отрезок слева от (.) O справедлив для высокотемпературной или собственной проводимости; Отрезок справа от (.) O справедлив для низкотемпературной или

примесной проводимости. Участок собственной проводимости воспроизводим для данного соединения. Участок примесной проводимости зависит от концентрации

примесей: чем больше концентрация, тем выше проводимость при тех же температурах. После подачи на диэлектрик постоянного напряжения прибор фиксирует

выпадающий ток, называемый током утечки. Изменение тока утечки во времени после подачи постоянного напряжения на

диэлектрики.

Диэлектрические потери – это потери энергии в диэлектрике, находящемся в электрическом поле. Энергия электрического поля расходуется на нагрев диэлектрика. Наибольшие потери бывают при переменном электрическом поле. Энергия переменного электрического поля расходуется на

4 Поляризация диэлектриков. Схема замещения. .1 Виды поляризации.

Существуют 4 основных вида поляризации:

Электронная поляризация, ионная, дипольная, спантанная.

1. Электронная – упругое смещение электронов в атомах и ионах(см рис)

Орбиты электрона в атоме водорода: 1 - в электронном поле, 2 – при отсутствии внешнего поля ъ

Такая поляризация есть во всех материалах, а поляризации других видов добавляются к электронной. Она происходит быстро (t=10-14 – 10-15) и поэтому не зависит от частоты изменения электрического поля до тех пор, пока время

поляризации не соизмерима с периодом изменения электрического поля (f = 10-

14 – 10-15Гц)

Зависимость диэлектрической проницаемости E от частоты электрического поля f

При нагревании плотность падает, уменьшается число атомов в единице объема в следствии чего поляризация ослабевает. Зависимость E(T) для вещества сэлектронной (а) и ионной(б) поляризацией

1 – вещество в твердом состоянии

2 – вжидком

3 – в газообразном

Значение E веществ, имеющих электронную поляризацию (неполярные диэлектрики, например - полистирол ), численно равно квадрату показателя преломления света Согласно теории Максвелла скорость света (электромагнитной волны) в пустоте [pic] Где E0 и (0 – электрическая и магнитная постоянные. Скорость электромагнитной волны в веществе V=[pic]. Отношение [pic] -

показатель преломления n, следовательно, n=[pic]. В связи с тем, что большинство диэлектриков материалы немагнитные и для них ((1, то n2=E.

2. Ионная поляризация – смещение ионов в узлах кристаллической решетки электрическим полем за время t=10-12 – 10-13 (ионы тяжелее электронов). Она не зависит от частоты до f=1012-1013Гц.

С ростом температуры расстояние м/у ионами увеличивается из-за теплового расширения, химические связи ослабляются. Ионы легче смешиваются, поэтому поляризация ионных диэлектриков растет вместе с температурой. К диэлектрикам с ионной поляризацией относят слюду. Электронная и ионная поляризации – это быстрый сдвиг зарядов, независящий

от частоты электрического поля до частоты f. Потери энергии при этом пренебрежимо малы.

3. Дипольная (ориентационная) поляризация – поворот диполей, находящихся в хаотическом тепловом движении электрическим полем за время 10-6-10-8 сек. Дипольную поляризацию, наоборот, наблюдают в полярных диэлектриках (в воде, канифоли и др) Она сопровождается потерями энергии на преодоление трения при повороте диполей, что приводит к нагреву диэлектрика При частоте 106-108 Гц диполи не успевают ориентироваться по полю и

остается только электронная поляризация. Зависимость дипольной поляризации

от температуры см на рисунке.

При низких температурах вязкость вещества велика. Диполи неподвижны и

электрическая проницаемость обусловлена электронной поляризацией. С

увеличением температуры вязкости уменьшается, и диполи начинают

поворачиваться, приводя к росту E. При температуре выше температуры

плавления тепловое движение мешает ориентации диполей и E снижается. Часто

строят зависимость Е от дух факторов: частоты и температуры(рис 5б). После

снятия электрического поля ориентация диполей ослабевает по экспоненте из-

за теплового движения.

4. Спонтанную поляризацию наблюдают в веществах называемых

Сегнетоэлектриками (по названию сегнетовой соли, первого вещества, в котором была обнаружена эта поляризация), например в титаните бария и титаните стронция. Как правило, в кристаллах сегнетиков, как и в кристаллах магнетиков есть домены. В одном домене все диполи

ориентированы одинаково и создают электр. момент домена. В силу этого электрические моменты различных доменов не совпадают по направлению. При воздействии внешнего электрического поля эл. Моменты доменов постепенно ориентируются в направлении поля, что создает поляризацию до 100тыс.

Методы измерения е и tgb

Е является важнейшей характеристикой д/э. для определения е находят емкость Сх конденсатора с д/э из испытуемого материала. В случае плоской формы образца расчет е производят по формуле:

. Где -толщина образца, м. площадь, эл.постоянная е=8,85*10^-12 Ф/м.

Для измерения Сх применяется мостовой метод. Измерения производятся на переменном напряжении низкой частоты.

Для определения tgb применяется мостовой метод. Измерения производятся на переменном напряжении. Величина tgb определяется по уравнению: tgb=2*πf*c4*10^-6*R4. При значениях R4=10000/π и f=50 Гц tgb=[ c4].

Электропроводность Г. Ж. и Т. Материалов

Электропроводность – это способность вещества проводить электрический ток, обусловленная наличием свободных зарядов в веществе. Для численного определения этой способности вводятся величины «удельное электрическое сопротивление», и «удельная электрическая проводимость», .

Названия типов электропроводности определяются названиями свободных носителей зарядов:

 электронная (дырочная),

 ионная,

 молионная. Молионная электропроводность иногда называется катафоретической или электроосмотической – по названию явлений (электрофорез, электроосмос), связанных с движением молионов в электрическом поле.

Все д/э материалы под воздействием постоянного напряжения пропускают некоторый весьма незначительный ток, называемый «током утечки». Общий ток утечки ч/з изоляцию составит: I=Iv+Is, где Iv-объемный ток, Is-поверхностный ток. Следовательно, проводимость G=I/U складывается из объемной и поверхностной проводимостей, отсюда G=Gv+Gs. Величины обратные проводимостям, наз-ся сопротивлениями изоляции-объемным, поверхностным и результирующим

R=1/G=RvRs/Rv+Rs. Удельная электропроводность д/э зависит от агрегатного состояния, хим.состава и структуры, от воздействия внешних факторов: температуры, влажности и др.

Pv=Rv*S/h Rv=U/Iv Ps=Rs*d/l, d-ширина электродов на поверхности д/э, l-расстояние м/у электродами.