Жидкие диэлектрики
4 П/проводниковые, проводниковые, магнитные материалы.
В процессе работы мы познакомимся как с физическими процессами в материалах, так и рассмотрим основные свойства конкретных материалов.
Основное внимание надо обратить на понимание физических процессов в материалах в постоянных и переменных электрических и магнитных полях. Необходимо хорошо представлять от каких факторов и почему зависят те или иные электрические, магнитные и другие характеристики материалов.
Термин «электротехнический материал» аналогичен термину «строительный материал» и в широком смысле означает любой материал, который используется в производстве электротехнических изделий. В этом смысле ЭТМ можно считать и материалом, который используется и в других отраслях.
В узком смысле - это только материал, который имеет специальные свойства в отношении электромагнитного поля, например: проводниковые материалы должны иметь, как можно более высокую способность проводить электрический ток, что на языке показателей свойств материалов означает, что они должны иметь как можно меньшее электрическое сопротивление или как можно большую удельную электропроводимость.
Материалы, при использовании которых основным являются другие, не электромагнитные свойства, и которые в электротехнических изделиях выполняют вспомогательные, (хотя бы и очень важные) функции, называются ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМИ, или КОНСТРУКЦИОННЫМИ.
Конструкционный материал, это материал, который используется для создания несущих конструкций, защитных корпусов и вспомогательных деталей электротехнических конструкций.
Из конструкционных материалов изготовлен, например, кожух, который защищает оборудование от неблагоприятных внешних воздействий или механического повреждения.
Для классификации материала решающим является то, для каких целей он разрабатывался. Конкретное применение не может быть решающим. Многие э/т материалы способны выполнять функции конструкционных материалов и часто их выполняют. Однако это, как правило, экономически невыгодно. Равноценная замена ЭТМ конструкционными бывает невозможной.
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ – это материал для применения в технике с использованием его определенных свойств по отношению к электромагнитному полю.
Сложность задач производства ЭТМ требует сотрудничества с другими отраслями промышленности (химической и металлургической).
Это типичная комплексная научная дисциплина на основе физики твердого тела, химии и физической химии.
Теоретические знания ЭТМ получают на основании исследования моделей, которые, как правило, значительно проще реальных материалов.
Экспериментальный метод остается главным инструментом этой науки, т.к. даже при правильности теоретических положений, учитывая их вероятностный характер, необходимо экспериментально проверять свойства материалов.
Показателей свойств материалов много и количество их растет. Поэтому не нужно запоминать числовые значения этих показателей, т.к. они имеют более или менее условный характер и зависят от множества факторов. Они являются ОРИЕНТИРОВОЧНЫМИ.
Но: необходимо знать экстремальные значения или ширину интервала значений и факторы, которые могут вызвать их обратимые или необратимые изменения и характер этих изменений.
Чтобы правильно выбрать материал для определенных условий, необходимо знать его основные функциональные свойства, которые являются решающими для данного материала из справочной литературы, кроме того нужно выяснить способ испытания материала. Это испытание нужно провести, так как условия изготовления не гарантируют одинаковости результата. С некоторыми из методов испытаний мы познакомимся на лабораторных работах.
Значение показателей свойств ЭТМ, тем не менее, не гарантирует правильности их применения, т.к. нормальные условия, при которых определяются параметры, отличаются от эксплуатационных.
Необходимо знать, как свойства материалов меняются при переходе к рабочим режимам и в процессе эксплуатации. Необходимо учитывать не только сами изменения свойств, но и их причины, т. е. физические основы этих изменений, т.к. это позволяет предвидеть нежелательные явления и предпринять необходимые меры для их ограничения или исключения: барьеры, принудительное охлаждение конструкций.
Кроме того, при выборе материала нужно помнить о правильной постановке задачи, т. к. в большинстве случаев возможность применения решается целым комплексом свойств материалов, а улучшение одного из свойств часто приводит к ухудшению другого, и необходимо искать компромисс.
Рассмотрим факторы, влияние которых надо учитывать при выборе материала для конструкции.
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
В общем случае, показатели свойств материалов зависят от ряда факторов, причем в каждом отдельном случае количество этих факторов различно и различны степени их влияния на материал, которые зависят от состава и структуры данного материала, от интенсивности и времени действия соответствующего фактора. Особенно сильно влияние разных факторов проявляется в показателях свойств диэлектрических и полупроводниковых материалов.
К таким факторам относятся:
1. температура
2. давление
3. амплитуда и частота напряжения электрического поля
4. химические реагенты
5. влажность
6. различные виды излучений
Действие этих факторов может быть желательно и используется, например, в терморезисторах, варисторах, в варикондах, варикапах, различных датчиках. В других случаях нежелательно и приводит к нарушению работы оборудования: например, воздействие влажности на свойства электроизолирующих материалов. В этом случае необходимо в возможно большей степени подавить это влияние.
ТРЕБОВАНИЯ К ЭТМ
Требования к свойствам ЭТМ постоянно повышаются в связи с тем, что ЭТ оборудование должно надежно выполнять свои функции во все усложняющихся условиях эксплуатации.
1. Диапазон рабочих температур постоянно расширяется, т.к. необходимы материалы для работы в условиях космоса и сверхпроводимости (низкие) » 0°К, и в плазменной технике, ядерной энергетике, металлургии (высокие, до 10000 °К).
2. Диапазон рабочих напряжений в электроэнергетике – длительное напряжение 105 – 106 В. а кратковременно еще выше. ВВЛ – до 1150 кВ. В электронике, наоборот, очень малые U, однако рабочая напряженность (Е) везде высокая.
3. Диапазон частот от 0 (электростатика, передача постоянного тока) до оптических частот (1010) в связи с появлением оптоэлектроники.
4. Диапазон рабочих давлений от абсолютного вакуума - космос и сверхвысокие давления при производстве многих материалов и их применения для обеспечения работы аппаратов и других электротехнических конструкций.
5. Высокие требования к удельным показателям свойств материалов (показатели / к ед V или M). Требуется, чтобы материал мог выполнять ту же функцию при меньших размерах и массе.
6. Стабильность свойств материалов и их стойкость к внешним воздействиям (температура, излучение, климатические факторы, агрессивные химические среды.)
7. Требования к чистоте материала (исключительно высокая в полупроводниках, при изготовлении сверхпроводников, криопроводников, магнитомягких ферритов).
8. Постоянное снижение расходов на изготовление.
9. Технологичность материалов, т.е. малый расход энергии, возможность автоматизации, высокая повторяемость результатов, малое количество отходов или возможность их использования, минимальное время обработки.