Реферат: Характеристики диэлектриков
Конструкционные материалы являются основными видами электротехнических материалов с которыми придется встретиться на практике будущим инженерам-электрикам.
Дата добавления на сайт: 11 июня 2025
ФБОУ ВПО «НОВОСИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
ВОДНОГО ТРАНСПОРТА»
Кафедра «Электроэнергетические системы и электротехника»
Дисциплина «Технология конструкционных материалов»
РЕФЕРАТ
На тему:
«Технология конструкционных материалов»
Вариант 10
Факультет: Заочный
Группа: ЭМ - 03
Шифр: 11-170
Выполнил:
Павлов Виталий Михайлович
Преподаватель:
д-р техн. наук, профессор
Горелов Валерий Павлович
Новосибирск - 2012
Содержание
Введение
1.Основные механические характеристики диэлектриков (вопрос 10)
2.Сверхпроводники и возможности их применения в электротехнике (вопрос 20)
.Зависимость пробивного напряжения в твердом диэлектрике от температуры и частоты (вопрос 30)
.Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость (вопрос 3)
.Диэлектрические свойства газообразных диэлектриков (вопрос 13)
.Магнитомягкие материалы (вопрос 23)
.Конструктивные особенности резисторов из композиционных материалов (вопрос 33)
.Нагревостойкость твердых и жидких диэлектриков (вопрос 12)
.Векторное изображение электрических величин (тока, напряжения, ЭДС). Примечание комплексных чисел для расчета электрических цепей. Представление синусоидальных э.д.с., напряжений и токов комплексными числами
Ответы на письма в редакцию
Заключение
Список реферативно использованной литературы
Введение
Конструкционные материалы являются основными видами электротехнических материалов с которыми придется встретиться на практике будущим инженерам-электрикам. Эти материалы служат в качестве изоляции токоведущих частей энергооборудования. Они включают в себя такие разнообразные типы электрической изоляции как: воздух в линиях электропередач и электроаппаратах; нефтяные и искусственные масла в трансформаторах, кабелях и конденсаторах; твердые диэлектрики в изоляторах воздушных линий (ВЛ), конденсаторах, установочных изделиях и корпусах аппаратов и т.п.
При этом физические условия, в которых должна находиться и функционировать изоляция, накладывают определенные требования на физико-химические параметры материала, ограничивая возможные вид, тип используемых электротехнических материалов.
Кроме того, при конструировании даже простейших изделий, предназначенных для работы в электрическом поле, необходимо четко представлять, какие процессы происходят в материале, как влияет тот, или иной материал на работу других частей устройства, в том числе за счет перераспределения электрического поля. Здесь необходимо учитывать разноплановые характеристики материала - механические характеристики: плотность и вес материала, прочность на сжатие, разрыв или изгиб; теплофизические характеристики: теплопроводность, теплоемкость, нагревостойкость, теплостойкость и горючесть; электрофизические характеристики: диэлектрическая проницаемость, электропроводность, электрическая прочность, трекингостойкость; физико-химические характеристики: химическая стойкость, влагопроницаемость и т.д.
Зачастую всем требованиям невозможно удовлетворить, поэтому необходимо ясное понимание всего комплекса процессов, происходящих при функционировании устройств, чтобы оценить значимость каждого из требований и понять, какие их них, в каждом конкретном случае, являются главными, а какие - второстепенными и ими можно пренебречь [17].
1. Основные механические характеристики диэлектриков (вопрос 10)
Общефизические характеристики, такие как плотность материала, геометрические размеры, пористость, вязкость, влагостойкость и др., нормируются для каждого вида материала и, следовательно, подлежат определению при его испытании. Кроме того, при определении других характеристик (механических, электрических) часто требуется знать вышеуказанные параметры с некоторой допускаемой погрешностью [7, 13].
Линейные размеры образцов и электродов, используемых при испытании диэлектриков, измеряют с помощью таких широко известных приборов, как масштабные линейки, штангенциркули, микрометры, толщиномеры. Выбор того или иного прибора определяется значением измеряемого размера, свойствами материала (например, его твердостью), конфигурацией, образца, требуемой точностью измерений.
Кроме традиционных приборов линейных измерений в практике научных исследований и в производстве электроизоляционных материалов нашли применение приборы с преобразователями, основанные на совершенно иных физических явлениях. К ним относятся ультразвуковые и радиоизотопные толщиномеры. Последние отличаются своей универсальностью; они годны для измерения толщины любых материалов или сочетаний основы и тонкого покрытия независимо от свойств и конфигурации изделия.
Основной физической характеристикой материала является его плотность; по ней можно судить о структуре, составе материала и о других его физико-химических свойствах; ее используют для определения некоторых относительных механических характеристик, таких как прочность, модуль упругости. Так как плотность зависит от температуры материала, то принято указывать значение ее с индексом температуры, например - плотность при температуре 20° С. В случае пористых материалов, а также материалов, в состав которых входит несколько компонентов, определяют среднюю (кажущуюся), а в случае сыпучих материалов - насыпную плотность. Последняя представляет собой отношение массы образца к его полному объему, включая объем пор. Относительная плотность есть безразмерная величина, равная отношению массы тела к массе равного объема эталонного (условного) вещества. Относительную плотность записывают с двумя индексами, один из которых указывает температуру испытуемого вещества, а другой - температуру воды.
Для пористых материалов определяют истинную плотность сплошного вещества как отношение массы образца к его объему.
Под влаго- и водостойкостью диэлектрика понимают способность его выдерживать воздействие атмосферы, близкой к состоянию насыщения водяным паром, и (или) воздействие водяной среды без недопустимого ухудшения его свойств. Контролируемыми параметрами при такого рода испытаниях материала являются: электрическая прочность Епр, удельное объемное сопротивление r , сопротивление изоляции Rиз и внутреннее сопротивление Ri. Наряду с электрическими характеристиками определяют также влаго- и водопоглощение и набухание.
Влагостойкость материалов по вышеуказанным показателям определяют, помещая образцы в термовлагокамеру, где поддерживаются требуемые режимы. Таковыми могут быть температура воздуха (23±2) или (40±2) °С, относительная влажность (93±2) или (95±2) %.
Для определения влагопоглощения wа образцы, подготовленные к испытанию и прошедшие нормализацию, быстро переносят в предварительно взвешенный, плотно закрывающийся сосуд и взвешивают, затем выдерживают положенное время в условиях высокой влажности и снова взвешивают. Погрешность определения массы не должна превышать 0,001 г.
Искомое значение влагопоглощения находят как среднее арифметическое измерений пяти образцов.
Водостойкость материалов по вышеуказанным показателям определяют после выдержки образцов в дистиллированной воде при температуре (23±0,5) °С. Время выдержки зависит от вида материала и указывается в соответствующем стандарте. Оно может быть от 1 до 56 суток.
Вязкость жидких и размягчающихся электроизоляционных материалов определяют при помощи специальных приборов - вискозиметров. Различают динамическую, кинематическую и условную вязкость вещества.
Динамическую вязкость измеряют в паскаль-секундах. Паскаль-секунда (Па·с) - это динамическая вязкость среды, при ламинарном течении которой в слоях, находящихся на расстоянии 1 м, в направлении, перпендикулярном течению, под действием давления сдвига 1 Па возникает разность скоростей течения 1 м/с. В практике испытаний применяется и другая единица вязкости - пуаз (П): 1 П=0,1 Па·с. Измерение динамической вязкости производится на основе закона Стокса или закона Пуазейля. Кинематическая вязкость v в квадратных метрах на секунду равна отношению динамической вязкости жидкости h, к ее плотности r. На практике кинематическую вязкость иногда измеряют в стоксах. Кинематическая вязкость v воды при 20°С приблизительно равна 1 сСт; при этой температуре динамическая вязкость воды примерно 1 сП (0,001 Па·с).
Условная вязкость (ВУ) - характеристика, получаемая при определенной методике испытания. Она связана с динамической и кинематической вязкостью эмпирическими соотношениями.
По своему устройству вискозиметры делятся на капиллярные, универсальные, ротационные и ультразвуковые.
Кинематическая вязкость испытуемого материала v вычисляется с точностью до четвертой значащей цифры.
Механические испытания имеют своей целью определить прочностные свойства материалов, т. е. их способность выдерживать воздействие внешних механических нагрузок без недопустимых изменений первоначальных размеров и формы. В некоторых случаях при механических испытаниях определяют разрушающую нагрузку и деформацию материала после его разрушения. По характеру приложения нагрузки механические испытания делятся на статические, когда нагрузка плавно возрастает с обусловленной скоростью, и динамические, когда нагрузка воздействует на материал внезапно, в виде рывка или удара, и быстро меняется по величине и (или) по направлению. При статических испытаниях определяют разрушающее напряжение при растяжении, сжатии или изгибе, предел текучести, относительное удлинение при разрыве и относительную деформацию при сжатии, модуль упругости (Юнга) и другие характеристики; при динамических испытаниях- ударную вязкость и стойкость к вибрации. Особое место занимают такие важные параметры материала, как его твердость, гибкость, пластичность.
При испытании на статическое разрушение под временным сопротивлением В s понимают напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке F, предшествовавшей разрушению образца. Относительное удлинение после разрыва d есть отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к первоначальной длине. Испытание на растяжение дает возможность оценить не только прочность материала, но и склонность к упругим и пластическим деформациям. Предел упругости - это напряжение, при котором остаточное удлинение составляет 0,05% первоначальной длины рабочей части образца. Предел текучести - напряжение, при котором происходит значительное увеличение деформации образца (до 0,2% его условной длины) без увеличения растягивающей нагрузки.
Относительное удлинение при максимальной нагрузке, разрыве или текучести вычисляется в процентах.
Ударную вязкость по Шарпи пластмасс, композитов, слоистых пластиков и других твердых материалов определяют при помощи маятниковых копров жесткой конструкции. Образец помещают на две опоры, как показано на рисунке 1.1. Тяжелый маятник l, имеющий боек в виде клина с углом при вершине 30° и радиусом закругления (2±0,5) мм, поднимают на оси 2 так, чтобы испытуемый образец находился в нижней части траектории маятника. Центр тяжести маятника совпадает с серединой бойка.
При освобождении фиксатора маятник падает, ломает образец и поднимается до некоторого положения. По разности первоначального и конечного запасов потенциальной энергии маятника находят энергию удара, затраченную на разрушение образца. Ударная вязкость есть отношение энергии удара к площади поперечного сечения образца.
Рисунок 1.1 - Схема маятникового копра Шарпи (а) и положение бойка относительно образца в момент удара (б): l - маятник; 2 - грань бойка; 3 - ось маятника; 4 - испытуемый образец
Твердость электроизоляционных материалов и изделий определяется различными методами в зависимости от свойств испытуемого объекта. большинстве случаев используется статический метод вдавливания индентора в поверхность образца при заданной нагрузке. О твердости судят по глубине вдавливания индентора. Иногда, наоборот, задают глубину вдавливания при постоянной скорости движения индентора, а измеряют нагрузку, приложенную к индентору. Применяются и другие варианты данного метода.
Твердость пластмасс (исключая стеклопластики с однонаправленным волокном) измеряют путем вдавливания полированного шарика из закаленной стали диаметром (5±0,5) мм. Образцы в форме круга или квадрата площадью 10x10 мм, толщиной не менее 4 мм помещают на стальную плиту, шарик плавно опускают на материал до соприкосновения с ним; через 5 с при помощи специального устройства начинают вдавливать его в поверхность, увеличивая нагрузку до максимального значения в течение (2-3) с. Затем нагрузку поддерживают постоянной в течение 30 с. Измеряют глубину вдавливания шарика h, мм, после снятия нагрузки. Опыт повторяют, несколько раз на трех и более образцах. Расстояние между отпечатками шарика, а также между отпечатком и краем образца должно быть не менее 5 мм. Значение максимальной нагрузки выбирают таким, чтобы глубина вдавливания шарика через 30 с находилась в интервале от 0,15 до 0,35 мм. Если этому значению удовлетворяют несколько значений нагрузки, то берут наименьшие из них. Haгрузка измеряется с погрешностью не более ±1%, глубина вдавливания - с погрешностью не более 0,001 мм. [2, С.202].
.Сверхпроводники и возможности их применения в электротехнике (вопрос 20)
сверхпроводник диэлектрик частота температура
Сверхпроводимость - свойство многих проводников, состоящее в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже определённой критической температуры ТК, характерной для данного материала. Сверхпроводимость обнаружена у более чем 25 металлических элементов, у большого числа сплавов и интерметаллических соединений, а также у некоторых ПП и полимеров. Рекордно высоким значением ТК (около 23 К) обладает соединение Nb3Gе [2, С.66].
Основные явления. Скачкообразное исчезновение сопротивления ртути при понижении температуры впервые наблюдал голландский физик X. Камерлинг-Оннес (1911) (рисунок 2.1). Он пришёл к выводу, что ртуть при Т=4,15 К переходит в новое состояние, которое было названо сверхпроводящим. Несколько позднее Камерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление ртути восстанавливается при Т Материал
Таблица 2.2 - Значения критических параметров сверхпроводников
| Вещество | Критическая температура ТК, К | Критическое поле Н0,Э |
| Сверхпроводники 1-го рода | ||
| Свинец | 7,2 | 800 |
| Тантал | 4,5 | 830 |
| Олово | 3,7 | 310 |
| Алюминий | 1,2 | 100 |
| Цинк | 0,88 | 53 |
| Вольфрам | 0,01 | 1.0 |
| Ниобий | 9,25 | 4000 |
| Сплав НТ-50 | ||
| (Ni-Ti-Zr) | 9,7 | 100000 |
| Сплав Ni-Ti | 9,8 | 100000 |
| V3Ga | 14,5 | 350000 |
| Nb3Sn | 18,0 | 250000 |
| Сверхпроводники 2-го рода | ||
| PbMo4S8 | ~ | 600000 |
| Nb3Ge | 23 | ± |
| GeTe* | 0,17 | - |
| SrTiO3 | 0,2-0,4 | 130 |
Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам II рода. Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является абсолютным. Любой сверхпроводник I рода можно превратить в сверхпроводник II рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки. Например, у чистого олова Тсв=3,7 К, но если вызвать в олове резко неоднородную механическую деформацию, то критическая температура возрастет до 9 К, а критическая напряженность магнитного поля увеличится в 70 раз.
Сверхпроводимость никогда не наблюдается в системах, в которых существует ферро- или антиферромагнетизм. Образованию сверхпроводящего состояния в полупроводниках препятствует малая концентрация свободных электронов. Однако в материалах с большой диэлектрической проницаемостью силы кулоновскою отталкивания между электронами в значительной мере ослаблены. Поэтому некоторые из них также проявляют свойства сверхпроводников при низких температурах. Примером может служить титанат стронция (SrTiO3), относящийся к группе сегнетоэлектриков. Ряд полупроводников удается перевести в сверхпроводящее состояние добавкой большой концентрации легирующих примесей (GeTe, SnTe, CuS и др.).
В настоящее время промышленность выпускает широкий ассортимент сверхпроводящих проволок и лент для самых различных целей. Изготовление таких проводников связано с большими технологическими трудностями. Они обусловлены плохими механическими свойствами многих сверхпроводников, их низкой теплопроводностью и сложной структурой проводов. Особенно большой хрупкостью отличаются интерметаллические соединения с высокими критическими параметрами. Поэтому вместо простых проволок и лент приходится создавать композиции из двух (обычно сверхпроводник с медью) и даже нескольких металлов. Для получения многожильных проводов из хрупких интерметаллов особенно перспективен бронзовый метод (или метод твердофазной диффузии), освоенный промышленностью. По этому методу прессованием и волочением создается композиция из тонких нитей ниобия в матрице из оловянной бронзы. При нагреве олово Sn из бронзы диффундирует в ниобий Nb, образуя на его поверхности тонкую сверхпроводящую пленку станнида ниобия Nb3Sn. Такой жгут может изгибаться, но пленки остаются целыми [6, С.74]. Применение сверхпроводников в различных областях науки техники. Сверхпроводящие элементы и устройства находят все более широкое применение в самых различных областях науки и техники. Разработаны крупномасштабные долгосрочные программы промышленного использования сильноточной сверхпроводимости.
Одно из главных применений сверхпроводников связано с получением сверхсильных магнитных полей. Сверхпроводящие соленоиды позволяют получать однородные магнитные поля напряженностью свыше 107 А/м в достаточно большой области пространства, в то время как пределом обычных электромагнитов с железными сердечниками являются напряженности порядка 106 А/м. К тому же в сверхпроводящих магнитных системах циркулирует незатухающий ток, поэтому не требуется внешний источник питания. Сильные магнитные поля необходимы при проведении научных исследований. Сверхпроводящие соленоиды позволяют в значительной мере уменьшить габариты и потребление энергии в синхрофазотронах и других ускорителях элементарных частиц. Перспективно использование сверхпроводящих магнитных систем для удержания плазмы в реакторах управляемого термоядерного синтеза, в магнитогидродинамических (МГД) преобразователях тепловой энергии в электрическую, в качестве индуктивных накопителей энергии для покрытия пиковых мощностей в масштабах крупных энергосистем. Широкое развитие получают разработки электрических машин со сверхпроводящими обмотками возбуждения. Применение сверхпроводников позволяет исключить из машин сердечники из электротехнической стали, благодаря чему уменьшаются в 5 - 7 раз их масса и габариты при сохранении мощности. Экономически обосновано создание сверхпроводящих трансформаторов, рассчитанных на высокий уровень мощности (десятки-сотни мегаватт). Значительное внимание в разных странах уделяют разработке сверхпроводящих линий электропередач на постоянном и переменном токах. Разработаны опытные образцы импульсных сверхпроводящих катушек для питания плазменных пушек и систем накачки твердотельных лазеров. В радиотехнике начинают использовать сверхпроводящие объемные резонаторы, обладающие, благодаря ничтожно малому электрическому сопротивлению, очень высокой добротностью [6, С.75].
. Зависимость пробивного напряжения в твердом диэлектрике от температуры и частоты (вопрос 30)
Исследования пробоя твердых диэлектриков по своему объему значительно превышают исследования всех других видов диэлектриков, что обусловлено более широким применением твердых диэлектриков. Это, в свою очередь, обусловлено их высокими электрическими характеристиками в сочетании с удовлетворительными механическими и теплофизическими характеристиками. Механизм пробоя значительно отличается для разных диэлектриков и даже для одного и того же диэлектрика при разных условиях [16].
Закономерности пробоя твердых диэлектриков:
Температурная зависимость. Эта зависимость зачастую имеет достаточно сложный вид. Например в некоторых случаях электрическая прочность с ростом температуры сначала увеличивается затем уменьшается, в других случаях монотонно возрастает или убывает. Последний случай обычно хорошо описывается моделью теплового пробоя.
Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой поля, условиями охлаждения диэлектрика, температурой окружающей среды; оно зависит также от нагревостойкости материала. С повышением температуры электрическая прочность уменьшается.
Для однородных плоских диэлектриков, обладающих потерями, существует приближенный метод расчета пробивного напряжения.
Для расчета U пр полагаем, что пробой происходит при повышенных температурах и в диэлектрике преобладают потери от сквозной электропроводности. Таким образом, учитывая экспоненциальную зависимость тангенса потерь (tg δ) от температуры и используя выражение Ра = U ω С-tgδ, после преобразований получим
а = U2 f ε S tgδ eα(t - t0) / (1,8 1010 h) (3.1)
где U - приложенное напряжение; f - частота; ε. - диэлектрическая проницаемость материала; S - площадь электрода; tg δ - тангенс угла потерь диэлектрика при t 0 - температуре окружающей среды; α- температурный коэффициент тангенса угла потерь; t - температура нагретого за счет диэлектрических потерь материала; t 0 - температура электродов, приблизительно равная температуре окружающей среды; h - толщина диэлектрика.
Теплопроводность материала электродов обычно на два - три порядка больше, чем теплопроводность диэлектрика, поэтому полагаем, что теплота из нагревающегося объема диэлектрика передается в окружающую среду через электроды. Мощность, отводимая от диэлектрика, выражается формулой Ньютона
Ра = 2 σ S (t - t0 ) (3.2)
где σ - коэффициент теплопередачи системы диэлектрик - металл электродов.
Для наглядности дальнейших рассуждений воспользуемся графическим построением, показанным на рисунок 3.1, где в выбранной системе координат изображены экспоненты тепловыделения при различных значениях приложенного напряжения и прямая теплопередачи [16].
Рисунок 3.1 - Пробивное напряжение при тепловом факторе
На рисунке 3.1 изображены: прямая теплопередачи Рт = F(t); экспоненты тепловыделения
для трех различных значений приложенного напряжения. При значении напряжения U 1, прямая теплопередачи является секущей кривой тепловыделения, и, следовательно, диэлектрик нагреется до температуры t1 температуры состояния устойчивого равновесия. Напряжение U1 будет неопасным для образца, если нагрев до этой температуры не приведет к механическому и ш химическому разрушению структуры материала образца. Поэтому увеличим напряжение до значения U 1, при котором кривая тепловыделения станет касательной к прямой теплопередачи, что приведет к состоянию неустойчивого теплового равновесия при температуре t. При значении напряжения U 2 кривая тепловыделения пройдет выше прямой теплопередачи, а это означает отсутствие теплового равновесия, т.е. температура будет возрастать до разрушения диэлектрика - до теплового пробоя.Таким образом, напряжение U , при котором имеет место неустойчивый режим - граничный режим, можно принять за напряжение пробоя U пр.
Его значение можно определить по двум условиям
Ра = Рt, (3.3)
dPa / dt = dP t / dt (3.4)
Решая эти два уравнения относительно Ui с учетом выше обозначенных значений для Ра и Рt, получаем
U2 f ε tgδ S eα(t - t0) / (1,8 1010 h) = 2 σ S (t - t0) (3.5)f ε tgδ S eα(t - t0) / (1,8 1010 h) = 2 σ S (3.6)
Разделив эти два выражения, получим 1 / α = t - t 0, тогда, подставив его в последнее выражение и решив его относительно U, получим
пр = 1,8 1010 2 σ h / (f ε tgδ α) (3.7)
или
пр = К ( σ h / (f ε tgδ α)1/2, (3.8)
где К - числовой коэффициент, равный 1,15 10 5, если все величины выражены в единицах системы СИ.
Отсюда следует, что пробивное напряжение будет выше ( изменяется по закону экспоненты), если диэлектрик будет толще, условия теплоотвода лучше (σ больше), частота ниже, а ε и tgδ меньше. При больших ε, tgδ и при высоких частотах, а также при большом температурном коэффициенте тангенса угла потерь пробивное напряжение будет ниже.
Этот расчет, пригодный только для одномерного потока теплоты, называется графоаналитическим и является приближенным, В нем не учтены перепад температуры по толщине диэлектрика (искажение электрического поля и повышение градиента напряжения в поверхностных слоях), а также теплопроводность материала электродов. Поэтому тепловой пробой часто наступает при напряжении ниже расчетного. Более точные методы расчета разработаны академиками Н.Н. Семеновым и ВА. Фоком только для изделий простейшей конфигурации [16].
. Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость (вопрос 3)
Существо поляризации большинства диэлектриков состоит в возникновении электрического (дипольного) момента в объёме диэлектрика вследствие перемещения связанных электрических зарядов (зарядов, связанных в атомах, молекулах, кристаллической решетке) под действием внешнего электрического поля [2, С.169].
Объясним этот механизм поляризации на примере поляризации атома. Перед приложением внешнего электрического поля положительные и отрицательные заряды в атоме распределены так, что внешне атом проявляет себя как электрически нейтральный. Центры тяжести положительных и отрицательных зарядов при этом совпадают.
При воздействии внешнего электрического поля симметрия в распределении зарядов нарушается, возникает индуцированный электрический момент. Центр тяжести положительных зарядов при этом смещается в направлении напряженности внешнего поля, а центр тяжести отрицательных зарядов в противоположном направлении. Такой механизм поляризации называется электронной поляризацией. Смещение центра тяжести отрицательных зарядов пропорционально напряженности внешнего поля.
Проследим, как этот механизм проявляется на временной зависимости электрического тока поляризации в течение одного периода (рисунок 4.1). В первой четверти периода напряженность внешнего поля непрерывно возрастает и в момент t = T/4 достигает максимума. Тотчас после приложения поля центр тяжести отрицательных зарядов отклонится и через диэлектрик потечет относительно большой ток. При дальнейшем возрастании напряженности поля смещение центра тяжести хотя и увеличивается, но все медленнее, так как поле должно преодолевать все большие упругие силы. Поэтому ток постепенно уменьшается. При t = T/4 ток становится равным нулю и смещение электронов против направления напряженности внешнего поля заканчивается. С этого момента направление движения электронов изменится, так как упругие силы связи стремятся возвратить их в исходное положение. Поэтому при уменьшении напряженности внешнего поля ток течет в обратном направлении и постепенно увеличивается. При t = T/2 центры тяжести зарядов находятся в исходном положении. Во втором полупериоде процесс повторяется с той разницей, что заряды смещаются в направлении, обратном направлению их смещения в первом полупериоде. Этот процесс периодически повторяется.
Рисунок 4.1 - Изменение во времени электрического тока поляризации диэлектрика с электронной поляризацией
Время, в течение которого заряды в атомах способны реагировать на внешнее поле, очень мало и имеет порядок 10 -15 с, то есть реакция почти мгновенна, поэтому вектор тока опережает вектор напряжения на90°.
При других типах поляризации это время больше, так как механизм поляризации является иным. Часто речь идет о смещении более тяжелых частиц, встречающих сопротивление среды. В таких случаях опережение вектора тока по отношению к вектору напряжения меньше 90°.
Каким бы ни был физический механизм при различных типах поляризации, внешне поляризация проявляется всегда одинаково, т. е. как нарушение симметрии распределения электрических зарядов в диэлектрике. Заряды противоположных знаков, смещенные внешним полем со своих равновесных положений, образуют электрические диполи, поле которых действует навстречу причине их возникновения и способно скомпенсировать часть внешнего электрического поля. Поле диполей связывает часть зарядов на электродах. В общем случае электрическая поляризация представляет собой комплекс явлений, связанных с различными механизмами поляризации и происходящих на микроскопическом уровне.
Основным механизмом поляризации можно считать упругое смещение частиц в диэлектрике. Поляризация такого типа называется упругой. При упругом смещении электронов в атомах говорят об упругой электронной поляризации. При взаимно упругом смещении противоположно заряженных ионов в кристаллической решетке ионных кристаллов говорят об упругой ионной поляризации. В случае упругого смещения противоположно заряженных частиц в молекуле с постоянным дипольным моментом, говорят об упругой дипольной поляризации. Общим признаком таких механизмов поляризации является то, что поляризация происходит очень быстро и без потерь.
Может случиться, что индуцированный электрический момент возникает в результате смещения слабосвязанных частиц (электронов или ионов), которые не связаны упругими силами, или в результате ориентации постоянныхдиполей в направлении внешнего поля. Реакция этих частиц на изменения внешнего поля уже не такая быстрая, как в случае поляризации упругого типа. После исчезновения внешнего поля частицы возвращаются в исходное положение не мгновенно, а через определенное время, и не под действием упругих сил связи, а в результате хаотического теплового движения. Такие механизмы поляризации называются релаксационными и характерны тем, что сопровождаются потерями электрической энергии и сильно зависят от интенсивности теплового движения, т. е. от температуры.
К этим основным механизмам поляризации в некоторых специальных случаях добавляются особые типы поляризации миграционная и спонтанная.
Миграционная поляризация заключается в возникновении индуцированного дипольного момента вследствие смещения свободных зарядов, которые не имеют возможности нейтрализации на электродах.
Такие заряды концентрируются под действием внешнего поля на блокирующих барьерах различного характера и образуют пространственные заряды, поле которых внешне проявляет себя как поляризация особого вида. Это типично для неоднородных диэлектриков.
Спонтанная поляризация заключается в ориентации спонтанно (самопроизвольно) образовавшихся электрических моментов в направлении внешнего электрического поля. Это типично для сегнетоэлектриков. Оба особых типа поляризации имеют нелинейный характер.
О релаксационном характере поляризации можно говорить в узком и широком смысле.
В узком смысле релаксационной поляризацией считается такая поляризация, при которой зависимость поляризованности от времени после приложения или снятия внешнего постоянного поля имеет экспоненциальный характер. После приложения поля поляризованность растет во времени. После снятия внешнего поля релаксационная поляризованность уменьшается.
Важным параметром процесса релаксационной поляризации является
постоянная времени Т. Она равна времени, за которое релаксационная поляризованность после снятия электрическго поля уменьшается до 1/е, то есть приблизительно до 37% первоначального уровня. Неполярными считаются такие диэлектрики, частицы которых не имеют постоянного дипольного момента и у которых могут возникать только индуцированные дипольные моменты под действием внешнего электрического поля. Решающая роль в том, является ли молекула материала полярной или неполярной, принадлежит характеру химических связей и ориентации диполей. Если эти связи без дипольного момента, то есть чисто ковалентные, или если эти связи переходного типа с дипольными моментами, которые ориентированы так, что взаимно компенсируются; центры тяжести положительных и отрицательных зарядов в молекулах материала совпадают и материал является неполярным. На практике к неполярным материалам относят и такие полярные материалы, у которых полярность очень слабо выражена, то есть молекулы имеют лишь малый постоянный дипольный момент.
К неполярным электроизоляционным материалам относятся полиэтилен, политетрафторэтилен, полистирол, парафин и др. Слабо полярным является нефтяное (минеральное) масло.
Полярными считаются такие материалы, молекулы которых и без воздействия внешнего электрического поля имеют электрический момент (собственный, или постоянный, дипольный момент). Это молекулы, в которых отдельные атомы связаны полярными связями со взаимно не скомпенсированными дипольными моментами связей.
К полярным материалам относятся целлюлоза, поливинилхлорид, хлорированные дифенилы и др.
Поляризованность диэлектрика равна индуцированному диполь-моменту единицы объема диэлектрика, т. е является суммой элементарных дипольных моментов в единице объёма Способность диэлектрика к поляризации можно охарактеризовать тремя величинами - поляризуемостью, диэлектрической восприимчивостью и относительной диэлектрической проницаемостью. В технике чаще всего используется относительная диэлектрическая проницаемость.
Поляризуемость связана с поляризованностью диэлектрика
Р = NaE (4.1)
где Р - поляризованность; N - концентрация индуцированных диполей;- поляризуемость; Е - напряженность постоянного электрического поля.
Поляризация сводится к изменению пространственного положения заряженных материальных частиц диэлектрика, причем диэлектрик приобретает наведенный электрический момент, и в нем образуется электрический заряд. Если мы рассматриваем некоторый участок изоляции с электродами, к которым подается напряжение U, то заряд этого участка Q определяется выражением [14]
=CU (4.2)
Энергия электрического поля на том же участке изоляции
=1/2 CU . (4.3)
В формулах (4.2) и (4.3) величина С есть ёмкость данного участка изоляции. Если в этих формулах напряжение U дается в вольтах, заряд Q в кулонах и энергия А в джоулях, то С должно выражаться также в единицах практической системы - фарадах (Ф).
При параллельном соединении нескольких конденсаторов общая (эквивалентная), ёмкость СО их равна сумме емкостей отдельных конденсаторов.
Если же конденсаторы соединены друг с другом последовательно, то результирующая емкость есть арифметически складываются уже не ёмкости, а обратные емкостям величины отдельных конденсаторов.
Емкость изоляции зависит как от материала (диэлектрика), так и от геометрических размеров и конфигурации изоляции.
Способность данного диэлектрика образовывать электрическую ёмкость называется его диэлектрической проницаемостью (другие наименования: диэлектрическая постоянная, диэлектрический коэффициент - нестандартны) и обозначается e. Величина e пустоты принимается за единицу.
Пусть С0 - емкость вакуумного конденсатора произвольной формы и размеров. Если, не меняя размеров, формы 72 Tcи взаимного расположения обкладок конденсатора, заполнить пространство между его обкладками материалом с диэлектрической проницаемостью e , то емкость конденсатора увеличится и достигнет значения
С = e С (4.4)
Таким образом, диэлектрическая проницаемость какого-либо вещества есть число, показывающее, во сколько раз увеличится емкость вакуумного конденсатора, если мы, не меняя размеров и формы электродов конденсатора, заполним пространство между электродами данным веществом.
Ёмкость конденсатора данных геометрических размеров и формы прямо пропорциональна e диэлектрика, а для цилиндрического конденсатора с радиусами внутреннего н внешнего электродов, соответственно, r1, r2 и длиной электродов l. [2, С.174].
5. Диэлектрические свойства газообразных диэлектриков (вопрос 13)
Основные характеристики газов, как диэлектриков, это диэлектрическая проницаемость, электропроводность, электрическая прочность. Кроме того, зачастую важны теплофизические характеристики, в первую очередь теплопроводность.
Электропроводность газов обычно не хуже 10-13 См/м, основным фактором вызывающим проводимость в не очень сильных полях, является ионизирующее излучение. Вольт-амперная характеристика имеет три характерные зоны - омическое поведение, насыщение, экспоненциальный рост. Диэлектрические потери незначительны и их стоит учитывать только в третьей области.
Электрическая прочность у газов, сравнительно с прочностью жидкостей и твердых диэлектриков, невелика и сильно зависит как от внешних условий, так и от природы газа. Обычно пробивные характеристики разных газов сопоставляют при нормальных условиях (н.у.). Эти условия - давление 1 атм, температура 20 ° С, электроды, создающие однородное поле, площадью 1 см2, межэлектродный зазор 1 см. Воздух при н.у. имеет электрическую прочность 30 кВ/см. Коэффициент к, показывающий отношение электрической прочности газа к электрической прочности воздуха составляет для некоторых газов, используемых в технике: водород- к=0.5, гелий- к=0.2, элегаз к=2.9, фреон-12- к=2.4, перфторированные углеводородные газы к=(4-10).
Теплопроводность газов l также невелика по сравнению с теплопроводностью твердых тел и жидкостей, наибольшее ее значение р = 0.2 Вт/(м· К) - у водорода. Для наиболее популярных газов р = 0.03 Вт/(м· К) - воздух, l = 0.012 Вт/(м·К) - элегаз. Для сравнения - у алюминия р = 200 Вт/(м·К).
Максимальные температуры эксплуатации газов определяются либо разложением молекул газа (характерно для сложных молекул), либо увеличением электропроводности до перехода из диэлектрического до резистивного состояния за счет ионизации и диссоциации молекул газа под действием тепловой энергии. Характерные температуры для второго варианта - порядка и более тысячи градусов [15].
6.Магнитомягкие материалы (вопрос 23)
Магнитомягкие материалы по назначению можно разделить на две группы: материалы для работы в сильных токах (машино- и аппаратостроение) и материалы для работы в слабых токах (приборостроение, автоматика, проводная связь, радио). К первой группе относятся технически чистое железо и электротехническая сталь, ко второй - сплавы железа с кобальтом (пермендюр), железа с никелем (пермаллой) и железа с аллюминием и кремнием (альсифер), магнитомягкие ферриты, а также сплавы и ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса.
Магнитомягкие материалы должны иметь высокую магнитную проницаемость, малую коэрцитивную силу НС (менее 400 А/м), большую индукцию насыщения, узкую петлю гистерезиса, малые магнитные потери [16].
Технически чистое железо и электротехнические стали
Наименование «железо» условно дано низкоуглеродистой стали, получаемой с помощью электролитического, карбонильного процессов или методом прямого восстановления чистых руд.
Карбонильное железо получают при термическом разложении пентакарбонила железа Fe(CO)5 в виде порошка с небольшими примесями кремния, марганца, серы и содержанием углерода до 1,2 %, азота до 1% и кислорода до 1,2 % и используется оно для изготовления магнитодиэлектриков.
При использовании карбонильного железа в качестве сырья для изготовления магнитомягких материалов его рафинируют в токе водорода и поставляют в виде кусков произвольной формы или гранул.
Железо электролитическое изготовляется методом электролитического рафинирования в расплавленных солях и поставляют в виде порошка (марки ПЖЭ-1 и ПЖЭ-2) или кусков (марка ЖЭ-МП). Средняя удельная теплоемкость возрастает с увеличением температуры. Коэффициент теплопроводности уменьшается при увеличении содержания примесей и при повышении температуры. Температурный коэффициент линейного расширения возрастает при увеличении температуры. Содержание примесей в стали менее 0,3 % не оказывает существенного влияния на ее линейное расширение.
Удельное сопротивление возрастает при увеличении содержания любого элемента, и в наибольшей степени при увеличении содержания кремния и алюминия.
Железо чистое марок 005ЖР и 008ЖР получают из продуктов прямого восстановления руд и поставляют в виде прутков различного размера.
Все эти материалы предназначены либо для получения изделий методами порошковой металлургии, либо в качестве шихтового материала при выплавке специальных сталей и сплавов, в том числе и магнитомягких.
Высокая стоимость электролитического и карбонильного железа ограничивает широкое применение этих материалов.
Физико-механические свойства технически чистого железа зависят от содержания в нем примесей, и особенно углерода.
Приведем некоторые физические свойства технически чистого железа с общим содержанием примесей до 0,02 %:
Плотность 7,88 Мг/м3
Температура плавления 1539 °С
Температура возгонки в вакууме
·10-5 Па (10-5 мм рт. ст.), °С 1100 ... 1200
Температура превращения при нагревании 911 °С
Средняя удельная теплоемкость 0,46 кДж/(кг·К)
Коэффициент теплопроводности при 20 °С 71,5 Вт/(м·К)
Температурный коэффициент линейного
расширения при О °С 44,6 ·10-6 К-1
Удельное сопротивление при 20 °С 0,1 мкОм·м
Температурный коэффициент сопротивления 6·10-3 К-1
Модуль упругости 210 ГПа
Модуль упругости при сдвиге 84 ГПа
Температура Кюри 770 °С
Из электротехнических сталей изготовляют магнитопроводы всех видов и самых сложных форм детали реле, сердечники, полюсные наконечники электромагнитов, элементы магнитоэлектрических, индукционных и электромагнитных приборов, экраны, телефонные мембраны, магнитопроводы двигателей переменного и постоянного тока малой и средней мощности и т. д.
В обозначении марок стали цифры означают:
·первая - класс по виду обработки давлением (1 - горячекатаная и кованая, 2 - холоднокатаная и калиброванная);
·вторая - тип по содержанию кремния (0 - сталь нелегированная с содержанием кремния до 0,3 %, 1 - то же, но с заданным коэффициентом старения);
·третья - группу по основной нормируемой характеристике (8 - коэрцитивная сила);
·четвертая и пятая - значение коэрцитивной силы в амперах на метр:
·сталь электротехническая горячекатаная тонколистовая марок 1561, 1562, 1571 и 1572 с содержанием кремния около 4 %;
·сталь электротехническая холоднокатаная тонколистовая марок 3471 и 3472 с содержанием кремния около 3 %.
Широко используются сплавы железа с кремнием. Легирование кремнием вызывает:
·уменьшение магнитной анизотропии и магнитострикции;
·уменьшение коэрцитивной силы;
·увеличение удельного сопротивления и снижение потерь на вихревые токи;
·некоторое снижение индукции насыщения;
·возрастание индукции в слабых и средних полях вследствие большей магнитной мягкости материала.
Еще более высокие значения индукции получают в текстурованных электротехнических сталях, в которых путем специальной технологии удается ориентировать оси легкого намагничивания (ребра куба) большинства зерен в направлении прокатки листа. Такая текстура называется ребровой. При этом материал становится магнитоанизотропным, приобретая улучшенные свойства в направлении прокатки.
Высокие магнитные свойства вдоль и поперек направления прокатки получают, создавая кубическую текстуру. Получение плоскостной кубической текстуры обеспечивает улучшенные свойства в любом направлении в плоскости ленты.
Горячекатаные стали существенно уступают холоднокатаным, особенно текстурованным, по магнитным свойствам, по точности размеров листов, качеству отделки, коэффициенту заполнения и постепенно вытесняются последними.
Электротехнические кремнистые стали - наиболее широко распространенный магнитомягкий материал, сочетающий высокие магнитные свойства с низкой стоимостью и удовлетворительной технологичностью. Эти стали широко применяются для изготовления двигателей и генераторов всех типов, дросселей и трансформаторов, электромагнитных механизмов и реле, других механизмов и приборов, работающих как на постоянном, так и на переменном токе различной частоты.
В последнее время для изготовления магнитопроводов двигателей постоянного и переменного тока небольшой мощности, особенно для двигателей бытовой техники, применяют нелегированные стали. Применение этих сталей вместо слаболегированной динамной стали обусловлено их более низкой стоимостью и позволяет за счет большей индукции повысить мощность двигателя или снизить расход стали или меди при изготовлении двигателя такой же мощности.
Разнообразные технические требования, предъявляемые к электротехническим сталям, удовлетворяются путем изменения их химического состава, толщины листов или ленты, применения специальных технологических процессов изготовления и термической обработки.
Классификация и маркировка электротехнической стали, изготовляемой в виде рулонов, листов и ленты, устанавливается ГОСТ в обозначении марок цифры означают: первая - класс по структурному состоянию и виду прокатки (1- горячекатаная изотропная, 2 - холоднокатаная изотропная, 3 - холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой, 5 - холоднокатаная изотропная с плоскостной кубической текстурой); вторая - содержание кремния (0 - с содержанием кремния до 0,4 % - нелегированиая, 1-0,4...0,8%, 2-0,8...1,8%, 3-1,8...2,8%, 4-2,8...3,8 %, 5-ЗД.,4,8 %); третья- группу по основной нормируемой характеристике (0 - удельные потери при магнитной индукции 5=1,7 Тл и частоте f = 50 Гц; 1 - удельные потери при B=1,5 Тл и f = 50 Гц; 2 - удельные потери при B=1,0 Тл и f = 400 Гц; 4 - удельные потери при В = 0,5 Тл и f = 3000 Гц; 6 - магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряженности поля H = 0,4 A/м; 7 - магнитная индукция в средних магнитных полях при Н=10 А/м); четвертая - порядковый номер типа стали.
Вместе первые три цифры марки означают тип стали. Горячекатаная изотропная сталь марок типов 121, 131, 141, 151, 152, 156 и 157 поставляется в виде листов толщиной 0,1...1,0 мм, шириной 500...1000 мм и длиной 600...2000 мм. Листы поставляют в термически обработанном состоянии с травленой поверхностью или без травления. Холоднокатаная изотропная сталь типов 201, 211, 221, 231, 241 и 242 поставляется по толщиной 0,28; 0,35; 0,50 и 0,65 мм в виде листов шириной 500 ... 1100 мм и длиной 1500 и 2000 мм, рулонов той же ширины и ленты шириной 90 ... 445 мм [7, 11].
7.Конструктивные особенности резисторов из композиционных материалов (вопрос № 33)
Воздействия эксплуатационных факторов в процессе испытаний и работы резисторов в составе аппаратуры, а также в условиях хранения изделий и аппаратуры приводят к изменению их параметров, в первую очередь к изменению основного параметра - омического сопротивления.
Изменение сопротивления резисторов складывается из обратимого временного изменения сопротивления, обусловленного наличием температурного коэффициента сопротивления и шунтирующим влиянием проводимости изоляционных материалов и воздуха (наличие влаги на поверхности резистора, ионизация воздушного промежутка), и необратимого (остаточного) изменения сопротивления. Наибольшие необратимые изменения сопротивления резисторов вызываются электрической нагрузкой, повышенной температурой и повышенной влажностью окружающей среды и в ряде случаев действием проникающей радиации.
Характер действия электрической нагрузки и температуры на резисторы идентичен (тепловое старение). Однако за счет локальных перегревов в резистивном элементе и контактных узлах повышение электрической нагрузки приводит, как правили, к большему изменению сопротивления, чем соответствующее повышение окружающей температуры. Степень влияния электрической нагрузки и температуры на параметры резисторов зависит от конструктивного исполнения резисторов, примененных материалов и особенностей технологии их производства.
Среди непроволочных резисторов наиболее устойчивыми к действию данных факторов являются углеродистые, тонкослойные керметные (металлодиэлектрические) и металлоокисные резисторы. Величина изменения сопротивления этих резисторов зависит от соотношения между интенсивностями различных компонентов старения, которые могут приводить как к уменьшению (за счет структурных изменений проводящего элемента, выделения из него летучих веществ, отвердевания защитного покрытия), так и к увеличению сопротивления (за счет окисления проводящего материала и переходных контактов, абсорбции газов и паров из окружающей среды). Уменьшение сопротивления металло-диэлектрических резисторов (МЛТ, МТ и др.) чаще всего наблюдается при эксплуатации резисторов в облегченном тепловом режиме, когда преимущественное значение имеют отрицательные компоненты старения. Углеродистые резисторы (ВС, 61-4 и др.) из-за недостаточной плотности проводящего слоя могут уменьшать свое сопротивление в течение длительного времени {сотни-тысячи часов) и в предельно допустимых по нормативно-технической документации (НТД) нагрузочных режимах.
Стабильность композиционных резисторов определяется в основном стабильностью связующих диэлектрических материалов, входящих в состав резистивной композиции. Наибольшей нестабильностью отличаются композиционные резисторы с проводящим элементом на органической основе (КИМ, КЛМ, СП, СПЗ-6, СПЗ-10М и др.) Происходящие в процессе эксплуатации отверждение и объемная усадка связующего материала приводят к уменьшению сопротивления, а его термоокислительная деструкция - к увеличению сопротивления. Процесс полимеризации заканчивается обычно через несколько сотен часов и более в зависимости от теплового режима резистора, после чего начинается незначительное непрерывное возрастание сопротивления за счет разрушения связующей основы. Среди композиционных переменных резисторов наиболее стабильны керметные резисторы.
Изменение сопротивления проволочных резисторов определяется процессами старения проволоки и контактных узлов, среди которых основную роль играют окислительные процессы, приводящие к увеличению сопротивления. В начальный период эксплуатации проволочных резисторов при небольших тепловых и электрических нагрузках, когда процессы окисления замедлены, может иметь место уменьшение сопротивления, связанное со снятием внутренних напряжений в проволоке и изменением ее микроструктуры. Снижение электрической прочности эмалевого покрытия проводов в результате его термоокислительной деструкции приводит к замыканию витков намотки и уменьшению сопротивления резисторов с многослойной намоткой.
Прохождение электрического тока вызывает интенсификацию тепловых процессов в дефектных местах любого резистивного элемента независимо от использованных материалов и технологии его изготовления. Локальные перегревы приводят к увеличению сопротивления резисторов в результате окисления околодефектных участков проводящего элемента, а при высоких уровнях перегревов происходит его перегорание (полная потеря проводимости).
Повышенная влажность вызывает, как правило, увеличение сопротивления резистора. Наибольшие необратимые изменения характерны для композиционных (на органической связке) и углеродистых резисторов. Во влажной среде происходит набухание органических связующих; влага, внедряясь в структуру резистивного материала непроволочных резисторов, нарушает контакты между межкристаллическими прослойками или зернами проводящего элемента, проникает в контактные узлы, вызывая коррозию контактной арматуры.
К действию влаги особенно чувствительны электрически слабо нагруженные углеродистые, металлодиэлектрические и металлоокисные резисторы со спиральной нарезкой проводящего слоя (в частности, высокоомные резисторы), материал которого окисляется атомарным кислородом, выделяющимся при электролизе поглощенной влаги. Электрохимическое разрушение может привести к полной потере проводимости.
Необратимые изменения сопротивления проволочных резисторов при эксплуатации во влажной среде невелики, Однако при нахождении токопроводящих деталей резисторов под напряжением может иметь место электрохимическая коррозия проводов, протекающая тем интенсивнее, чем меньше сопротивление изоляции, выше влажность и концентрация агрессивных примесей в окружающей среде. В результате может произойти обрыв провода намотки.
Объемное увлажнение изоляционных деталей в условиях повышенной влажности приводит к снижению сопротивления изоляции резисторов. Скорость проникновения влаги зависит от влагостных характеристик изоляционных материалов (коэффициента диффузии влаги, растворимости и влагопроницаемости), толщины защитного покрытия, температуры и влажности окружающей среды.
Характер и степень изменения сопротивления резисторов под воздействием гамма- и нейтронного излучения зависят от характеристик излучения, конструктивных и технологических особенностей резисторов и примененных в них материалов.
В результате ионизации вещества в материалах конструкции резистора и в окружающем его воздухе протекают ионизационные токи, резко увеличивающие шунтирующее влияние проводящих материалов изоляционного основания, защитного покрытия и воздуха и вызывающие временное уменьшение сопротивления резисторов. Эффект шунтирования тем существеннее, чем интенсивнее излучение, а относительная доля шунтирования увеличивается с увеличением номинального сопротивления резистора.
Необратимые изменения параметров резисторов, обусловленные устойчивыми изменениями характеристик материалов, использованных в конструкции резисторов, зависят как от величины общей поглощенной дозы гамма-излучения, так и от величины нейтронных потоков и их энергетического спектра.
Причинами необратимых изменений сопротивления углеродистых пленочных резисторов могут быть образования дефектов структуры и химические изменения резистивного материала (увеличение сопротивления), композиционных резисторов - нарушение структуры связующих органических материалов в проводящей композиции (уменьшение сопротивления). Наиболее радиационно-стойкими являются проволочные резисторы, параметры которых не изменяются при облучении быстрыми нейтронами вплоть до потоков плотностью 1018 нейтронов/см2 [4].
8.Нагревостойкость твердых и жидких диэлектриков (вопрос 12)
Общефизические характеристики, такие как плотность материала, геометрические размеры, пористость, вязкость, влагостойкость и др., нормируются для каждого вида материала и, следовательно, подлежат определению при его испытании. Кроме того, при определении других характеристик (механических, электрических) часто требуется знать вышеуказанные параметры с некоторой допускаемой погрешностью [6, С.204].
Нагревостойкость - это способность электроизоляционного материала длительно выдерживать предельно допустимую температуру. Для электроизоляционных материалов, применяемых в электрических машинах и аппаратах, установлено семь классов нагревостойкости (таблица 8.1).
Таблица 8.1 - Классы нагревостойкости электроизоляционных материалов
| Класс нагревостойкости | Предельно допустимая рабочая температура, °С |
| Y………………………………….... | 90 |
| A…………………………………… | 105 |
| E……………………………………. | 120 |
| B…………………………………..... | 130 |
| F……………………………………. | 155 |
| H……………………………………. | 180 |
| C……………………………………. | свыше 180 |
К классу Y относятся органические диэлектрики: полистирол, полиэтилен, волокнистые непропитанные материалы на основе целлюлозы, картон, бумаги, хлопчатобумажные ткани и др.
К классу А относятся пропитанные (лаками и другими составами) хлопчатобумажные и шелковые ткани (лакоткани) и бумаги (лакобумаги), а также многие пластмассы - гетинакс, текстолит и др.
В класс Е входят такие материалы, как триацетатцеллюлозные и лавсановые изоляционные пленки, стеклотекстолит на бакелитовой смоле и др.
В класс В входят все клееные слюдяные материалы, в которых применены клеящие составы класса нагревостойкости А или Е (шеллачные, бакелитовые смолы, лаки на основе этих смол и высыхающих растительных масел).
К классу F относятся материалы на основе слюды, асбеста, стеклянных волокон, склеенных лаками повышенной нагревостойкости (полиуретановыми, эпоксидными и др.).
В класс Н входят кремнийорганические лаки и резины, а также композиционные материалы, состоящие из слюды, стеклянных волокон, асбеста, склеенных при помощи кремнийорганических смол и лаков, отличающихся повышенной стойкостью к теплу.
Класс С составляют преимущественно диэлектрики неорганического происхождения (электрокерамика, стекло, микалекс, асбест и др.). Из органических высокополимерных диэлектриков в этот класс входит политетрафторэтилен (фторопласт-4) [6, С.213].
9 Векторное изображение электрических величин (тока, напряжения, ЭДС). Примечание комплексных чисел для расчета электрических цепей. Представление синусоидальных э.д.с., напряжений и токов комплексными числами
При изображении вращающихся векторов синусоидальных э.д.с, напряжения и тока на комплексной плоскости ось абсцисс плоскости декартовых координат совмещают с осью действительных или вещественных величин (ось + 1) комплексной плоскости. Тогда мгновенные значения синусоидальных величин получают на оси мнимых величин (ось+j) [18].
Как известно, каждому вектору на комплексной плоскости соответствует определенное комплексное число, которое может быть записано в показательной, тригонометрической или алгебраической форме. Например, э.д.с. Emsm (cot + ц/с) изображенной на рисунке 9.1 вращающимся вектором, соответствует комплексное число.
Рисунок 9.1 - Изображение синусоидальной э.д.с. вращающимся вектором на комплексной плоскости
Um=Um+jUm (9.1)
Em ef(ωt+ψe)= Em cos(ωt+ψe)+jEmsi n+(ωt+ψe)= е'+je (9.2)
Фазовый уголь a>t+ у/, определяют по проекциям вектора на оси координат +1
tg (ωt+ψe)= е/е' (9.3)
Мнимая составляющая комплексного числа вектора на комплексной плоскости определяет синусоидальное изменение э.д.с. и обозначается символом Im
e=Em sin(ωt+ψe)=Im Em е'(ωt+ψe) (9.4)
Комплексное число E j(ωt+ψe ) удобно представить в виде произведения двух комплексных чисел
Em е'(ωt+ψe)= Em е' ψe e ωt = Em е(ωt (9.5)
Первое комплексное число Em соответствующее положению вектора в начальный момент времени, называют комплексной амплитудой
Em = Em еtψe (9.6)
Второе комплексное число Eψ является оператором поворота вектора на угол cat относительно начального положения вектора.
Следовательно, мгновенное значение синусоидальной величины равно мнимой части без знака j произведения комплекса амплитуды Ет и оператора вращения
=Em sin(ωt+ψe)=Im Em еjωt (9.7)
Переход от одной формы записи синусоидальных э.д.с, токов и напряжений к другой осуществляется весьма просто с помощью формулы Эйлера еjωt = cos а /sin a.
Если, например, комплексная амплитуда напряжения задана в виде комплексного числа в алгебраической форме
Um =Um+ jUm (9.8)
то, чтобы записать ее в показательной форме, необходимо найти начальную фазу
http://www.ups-info.ru/