- Конструкционные материалы
Металлы
Черные
Цветные
Природные и синтетические полимеры и материалы на их основе
.
Электротехническими материалами называются материалы, которые характеризуются определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяются в технике с учетом этих свойств.
Существует три взаимодополняющих типа классификации электротехнических материалов – по поведению в электрическом поле и по применению в технике.
1. По поведению в электрическом поле все вещества делятся на диэлектрики, полупроводники и проводники.
Проводниковыми называют материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропроводимость. Их применение в технике обусловлено в основном этим свойством.
Полупроводниковыми называются материалы, являющиеся по удельной электрической проводимости g промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами. Отличительным их свойством является сильная зависимость g от концентрации и вида примесей или различных дефектов, а также в большинстве случаев - от внешних энергетических воздействий.
Диэлектрическими называются материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатических полей. Реальный (технический) диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его g и чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением теплоты.
Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением r<10-5 Ом.м, а к диэлектрикам – материалы, у которых r> 100+8 Ом м. для хороших проводников оно может составлять всего лишь 10-8 Ом.м. (для сверхпроводников примерно 0), а у лучших диэлектриков превосходит 10+17 Ом.м. Для полупроводников r=10-6 – 109 Ом.м. Приведенные цифры относятся только к твердым веществам при нормальных условиях. Хорошими проводниками электрического тока являются металлы, особенно такие, как серебро и медь.
Представителям класса полупроводников являются такие элементы, как германий, кремний и ряд других соединений (SiC, GaAs и др.).
Диэлектриками являются многие оксиды металлов (например, Al2O3, SiO2, MgO и др.), обширная группа полимеров (полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен и др.) и ряд бескислородных соединений (нитрид бора и др.).Помимо твердых диэлектриков существуют газообразные и жидкие.
Деление электротехнических материалов на проводники, полупроводники и диэлектрики по величине их удельного электрического сопротивления достаточно условно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя как диэлектрики. В то же время диэлектрики при высоких температурах могут проявлять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для полупроводников и диэлектриков - возбужденным.
2. По поведению в магнитном поле все вещества делятся на сильномагнитные (магнетики) и слабомагнитные.
К слабомагнитным материалам относятся:
Диамагнетики – вещества с магнитной проницаемостью m< 1, которая не зависит от напряженности магнитного поля. Зависимость от температуры слабая. Это - водород, инертные газы, большинство органических соединений, каменная соль и ряд металлов: медь серебро, цинк, золото, ртуть. Внешним проявлением диамагнетизма является выталкивание диамагнетиков из неоднородного магнитного поля;
парамагнетики - вещества с магнитной проницаемостью m> 1, которая также не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Зависимость от температуры сильная. К ним относятся: кислород, оксид азота, алюминий, платина, соли редких металлов, соли железа, кобальта, никеля.
антиферромагнетики- вещества, магнитная проницаемость которых также невелика (m> 1) и сильно зависит от температуры. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца, ряда редкоземельных элементов и ряда простейших соединений (оксиды, карбонаты, сульфиды и др.) на основе металлов переходной группы.
К сильномагнитным (магнетики) материалам относятся:
Ферромагнетики – вещества с большой положительной магнитной проницаемостью (до 106), которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Это – железо, никель, кобальт, их сплавы и др. Важнейшая особенность ферромагнетиков заключается в их способности намагничиваться до насыщения в относительно слабых магнитных полях;
Ферримагнетики - вещества, которые подобно ферромагнетикам обладают высокой магнитной проницаемостью, зависящей от напряженности магнитного поля и температуры. К ферримагнетикам относятся различные оксидные соединения, среди которых наибольший практический интерес представляют ферриты. Под ферритами обычно понимают химические соединения оксида железа Fe2O3 с оксидантами других металлов. Отличительной и важнейшей особенностью ферритов от других вышеприведенных материалов является у ферритов высокого (относительно проводников) электрического сопротивления. Это обеспечивает им малые потери (на вихревые токи) при работе в переменном магнитном поле.
Большинство электротехнических материалов можно отнести к слабомагнитным. Однако и среди сильномагнитных материалов (магнетиков) необходимо различать проводящие и практически непроводящие электрический ток материалы.
Проводниковые материалы чаще всего систематизируют по их применению следующим образом:
1. материалы для реостатов и резисторов (добавочных сопротивлений) в нагревательных приборах (проводники высокого сопротивления) rv ³ 0,3 мкОм.м
2. материалы для изготовления проводов - обмоточных, монтажных и установочных, а также кабелей. (п. м. низкого сопротивления r < 0,,05 мкОм.м)
3. криопроводники
4. сверхпроводники
5. специальная группа: вакуумная техника, контактные материалы.
С точки зрения использования в технике все электротехнические материалы можно разделить на четыре класса: проводники, полупроводники, диэлектрики
и магнитные материалы.
ПОЛУПРОВОДНИКИ применяют для изготовления выпрямителей, усилителей, фотоэлементов и других полупроводниковых приборов, широко используемых в различных областях электротехники и электроники.
ДИЭЛЕКТРИКИ в простейшем случае их применения используются в качестве электроизоляционного материала. Назначение электрической изоляции сводится к тому, чтобы воспрепятствовать прохождению электрических токов путями, нежелательными для работы данной электрической схемы.
В этих случаях диэлектрическая проницаемость e материала не играет особой роли или должна быть возможно меньшей, чтобы не вносить в схему различных емкостей. Если материалы используются в качестве диэлектрика конденсатора определенной емкости и наименьших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость. Диэлектрики, используемые в качестве только электроизоляционного и обычного конденсаторного материала, называются пассивными (линейными). В последние десятилетия в электротехнике и радиотехнике все большее значение приобретают активные (“управляемые”, нелинейные) диэлектрики, которые играют не только “пассивную” роль подобно обычным электроизоляционным материалам…. В различных устройствах новой техники используется искусственно управляемая изменяемость свойств этих материалов под воздействием различных факторов. К активным диэлектрикам принадлежат:
1. Сегнетоэлектрики, диэлектрическая проницаемость которых сильно зависит от напряженности электрического поля и от температуры (конденсаторы, диэлектрические усилители, ячейки памяти в компьютерах и др.);
2. Пьезоэлектрики, приобретающие электрический заряд под действием механических напряжений и, наоборот, деформирующиеся под действием внешнего электрического поля (стабилизация частоты, фильтры с высокой избирательной способностью и др.);
3. Электреты. могут рассматриваться как электрические аналоги постоянных магнитов, так как они способны длительно сохранять электрический заряд, создающий в окружающем электрет пространстве электростатическое поле (микрофон, телефон, электрофотография и др.);
4. Пироэлектрики (датчики инфраизлучений и др.).
5. Жидкие кристаллы (системы индикации и др.);
6. Материалы для излучателей и затворов в лазерной технике и др.
Активные диэлектрики относятся к основным материалам микро- и оптоэлектроники и их будущее впереди.
Таким образом, понятие “диэлектрический материал” стало значительно шире, чем понятие “электроизоляционный материал”.
Магнитные материалы применяют для изготовления магнитопроводов- сердечников- в электрических машинах, аппаратах, приборах (в этом случае используют магнитомягкие, т.е.
легко намагничивающиеся материалы с высокой m. Это - железо, железоникелевые сплавы (пермаллои), высокочастотные ферриты и др.) и постоянных магнитов, магнитов для записи и хранения звука, изображения и т.д. (здесь используют магнитотвердые материалы, которые намагничиваются с трудом, но способны длительное время сохранять сообщенную им магнитную энергию. Это сплавы Fe – Ni – Al, Fe- Ni – Co – Al, сплавы на основе редкоземельных элементов, магнитотвердые ферриты, например, феррит бария BaO.6Fe2O3 и др.) Ферриты используют преимущественно на высоких и сверхвысоких частотах. Широкое применение ферриты нашли в качестве материалов для магнитной записи, для элементов памяти ЭВМ. Они стали основой тведотельной электронной техники наряду с сегнетоэлектриками и полупроводниками.