Група 21,22

Підручник

« Конспект лекцій з дисципліни: «Електроматеріалознавство»

 Укладачі : доцент Титюк В.К., ст.. викладач Пархоменко Р.О.

Відповідальний за випуск : Титюк В.К.

Рецензент : доцент, к.т.н. Гузов Е.С.

https://uchika.in.ua/konspekt-lekcij-z-disciplini-elektromaterialoznavstvo-dlya-stu.html?page=2

О.В. Паржницький «Електроматеріалознавство»

https://issuu.com/kreidaros/docs/elektromaterialoznavstvo

Тема 1.Діелектрики.

Урок 1. Газоподібні діелектрики, призначення, основні параметри.

Опрацювати матеріал: підручник О.В. Паржницький «Електроматеріалознавство» стор.89.

Домашнє завдання: письмово дати відповіді на контрольні питання стор.145(1,4).

Урок 2. Рідкі діелектрики. Призначення, область застосування, вимоги до них.

Опрацювати матеріал: підручник О.В. Паржницький «Електроматеріалознавство» стор.93.

Домашнє завдання: письмово дати відповіді на контрольні питання стор.145(5,6).

Урок 3. Основні поняття про високо полімерні матеріали.

Опрацювати матеріал: підручник О.В. Паржницький «Електроматеріалознавство» стор.97.

Домашнє завдання: письмово дати відповіді на контрольні питання стор.145(7).

Урок 4. Органічні діелектрики полімеризацій – поліетилен, полівінілхлорид, органічне скло.

Опрацювати матеріал: підручник О.В. Паржницький «Електроматеріалознавство» стор.99.

Домашнє завдання: письмово дати відповіді на контрольні питання стор.145(8,9).

Урок 5. Електроізоляційні лаки.

Опрацювати матеріал: підручник О.В. Паржницький «Електроматеріалознавство» стор.95.

Домашнє завдання: письмово дати відповіді на контрольні питання стор.145(12).

Урок 6. Електроізоляційні емалі.

Опрацювати матеріал: підручник О.В. Паржницький «Електроматеріалознавство» стор.96.

Домашнє завдання: записати в зошит конспект з наданого матеріалу.

Урок 7. Термопластичні компаунди.

Опрацювати матеріал: підручник О.В. Паржницький «Електроматеріалознавство» стор.104.

Домашнє завдання: записати в зошит конспект з наданого матеріалу.

                                                     Електропровідність газів

Гази мають винятково малу провідність. Це пов'язане з дуже низькою концентрацією носіїв заряду. Поява носіїв у газі відбувається за рахунок іонізації нейтральних молекул під дією зовнішніх факторів або при зіткненні заряджених часток з молекулами. Основним фактором, що визначають провідність газів, є космічне випромінювання. Звичайно в повітрі утворюється порядку 1000 шт. електронів і іонів в 1 див3 за 1 сек. Іонізація сильно збільшується при нагріванні газу. Електропровідність газу, обумовлена цим явищем, називається несамостійної.

Під дією сильних електричних полів заряджені частки можуть здобувати більші швидкості й утворювати нові іони при зіткненнях з нейтральними молекулами. Електропровідність газу, обумовлена цим явищем, називається самостійної. У слабких електричних полях ударна іонізація відсутня.

Одночасно з утворенням носіїв зарядів протікає протилежний процес – об'єднання заряджених часток у нейтральні молекули. Цей процес називається рекомбінацією. Наявність рекомбінації пояснює встановлення певного рівня іонів через короткий час після початку дії зовнішнього іонізатора.

Характер залежності струму від напруги для газу представлений на рис.1.1. При невеликих значеннях напруги виконується закон Ома. У цій області запас позитивних і негативних часток достатній і практично постійний. При збільшенні напруги позитивні іони не встигають рекомбінувати й розряджаються на електродах. Це відповідає горизонтальній ділянці кривої. При подальшім збільшенні напруги внаслідок ударної іонізації з'являється самостійна провідність, і струм знову починає рости зі збільшенням напруги.

Основні характеристики газів, як діелектриків, це  діелектрична проникність, електропровідність,  електрична міцність.

Крім того, найчастіше важливі теплофізичні характеристики, у першу чергу теплопровідність.

 Існують спеціальні види синтетичних газових діелектриків, застосовуваних для ізоляції внутрішнього простору високовольтних вимикачів, газової ізоляції кабелів.

В електротехнічних пристроях знайшли широке застосування синтетичні газові діелектрики на основі фтору.

Основні газові діелектрики – це так звані елегаз («електричний» газ) і фреон.

Елегаз (гексафторид сірки) має хімічну формулу SF6.

Основна область застосування – газонаповнені високовольтні вимикачі.

На основі елегазової ізоляції створені й експлуатуються ряд електропристроїв,

з них кабелі, конденсатори, вимикачі, компактні ЗРП (закриті розподільні пристрої).

Фреон має приблизно ту ж, що й елегаз електричну міцність, але при нормальній температурі його можна стиснути лише до 6 атм.

Фреон викликає корозію деяких твердих діелектриків.

Рідкі діелектрики.

Сучасні уявлення про провідність діелектричних рідин полягають у наступному. Тут носіями заряду є іони, тому що електрони легко прилипають до нейтральних молекул рідини й не можуть існувати у вільному стані. Крім того, у рідині заряди можуть переноситися моліонами (групами молекул), частками й навіть пухирцями.

Застосовуються природні і синтетичні рідкі діелектрики.

До природних відносяться: трансформаторне, конденсаторне і кабельне масла,одержувані шляхом переробки нафти. хлоровані вуглеводневі сполуки ароматичного ряду

(хлордифеніл, совтол);

З синтетичних рідких діелектриків найбільш широко застосовується хлоровані вуглеводні

( совол, совтол, гексол), кремнійорганічні рідини.

З точки зору пожежонебезпеки синтетичні рідкі діелектрики можна поділити на дві групи:

негорючі та горючі.

Застосування для просочувальної речовини синтетичного рідкого діелектрика

(хлорованого дифенілу-совола та ін) значно покращує об'ємні характеристики конденсаторів і збільшує їх надійну роботу.

Крім цього, рідкі діелектрики можуть бути полярними і неполярними, в зв'язку з чим

в них суттєво відрізняються електричні властивості.

Рідкі діелектрики, які мають значно вищу електричну міцність у порівнянні з газами,

 саме тому знайшли застосування як високовольтна ізоляція в різноманітних електротехнічних пристроях.

 Класифікація рідких діелектриків і вимоги, що пред'являються до них:

За хімічною природою:

нафтові електроізоляційні масла;

синтетичні рідини.

За специфікою застосування для:

трансформаторів і вимикачів;

конденсаторів:

кабелів;

систем циркуляційного охолоджування;

виробів випрямних установок

і турбогенераторів.

За верхнею межею допустимої робочої температури:

до 95 °С (всі нафтові масла);

до 130 °С;

до 200 °С;

до 250 °С

За ступенем горючості:

горючі і негорючі.

За ступенем чистоти рідини:

діелектрики забруднені;

діелектрики технічно чисті;

діелектрики особливо ретельно очищені.

До рідких діелектриків пред'являють такі вимоги:

Висока електрична міцність.

Високий електричний опір.

Органічні діелектрики полімеризацій-поліетилен, полівінілхлорид, органічне скло.

У електроізоляційній техніці застосовуються як природні полімери, так і синтетичні,

одержувані методом хімічного синтезу.

Синтетичні полімери можуть бути отримані двома принципово різними способами:

полімеризації і поліконденсації.

Полівінілхлорид - твердий полімер, порівняно крихкий, з низькою холодостійкістю

(до -10 ° С), але високою водо і вологостійкістю, низькою газопроникністю.

Полівінілхлорид (ПВХ) або поліхлорвініл, поліхлорвінілова смола - безбарвна, прозора

пластмаса, термопластичний полімер, продукт полімерізації хлорвінілу.

Щоб одержати з поліхлорвінілу м'який матеріал, його змішують з пластифікатором.

Поліхлорвініл досить стійкий проти дії кислот і лугів.

Він має високі діелектричні властивості, не горючий, легко фарбується.

Полівінілхлоридний пластикат застосовується для виготовлення плівок, липких ізоляційних стрічок, електроізоляційних трубок, широко використовуються в різних низьковольтних схемах, ізоляції телефонних і різних монтажних проводів, для отримання зовнішніх оболонок кабелів.

Нагрівостійкість полівінілхлориду може бути кілька підвищена додаванням спеціальних стабілізаторів.

Проти шкідливої дії сонячного світла, що прискорює старіння, також допомагає введення деяких стабілізуючих матеріалів (двоокис титану, сажа).

Поліетилен, поліпропілен, поліізобутілен.

Широко застосовується в електроізоляційної техніці (кабельні вироби) поліетилен,продукт полімеризації газу етилену

Поліетилен - не неполярний діелектрик, практично не гігроскопічний відрізняється великою гнучкістю.

Його електричні параметри стабільні і мало змінюються в широких діапазонах температури і частот, але має невисоку температуру розм'якшення поліетилену.

Поліметилметакрилат

(органічне скло, плексиглас) – це прозорий безбарвний матеріал, одержуваний внаслідок полімеризації ефірів метакрилової кислоти.

Це полярний термопластичний діелектрик з малою гігроскопічністю і значною хімічною стійкістю

Електроізоляційні лаки і емалі, термопластичні компаунди.

В процесі виготовлення ізоляції лаки використовують в рідкому стані,

але в готовій ізоляції вони є в твердому стані.

 Лаки – це колоїдні системи на основі природних і синтетичних смол, бітумів, ефірів целюлози і різноманітних їх композицій, які в процесі сушки після видалення з лаку розчинника, а також в результаті окислення, полімеризації або інших хімічних процесів утворюють лакову плівку.

Емалі – це лаки, що пігментовані високодисперсними неорганічними з’єднаннями.

Використовуються в основному для покриття поверхонь.

Непігментовані лаки, що використовуються для покриття листів електротехнічної сталі в розгалужених магнітопроводах і для емалювання проволоки, також називають емалями.

Просочувальні лаки

застосовуються для просочування обмоток електричних машин і апаратів, у виробництві лакотканин, гнучких трубок і шарових пластиків.

До просочувальних лаків відносяться кремнійорганічні, бітумно-олійні, олійно-алкідні та ін.

Покривні лаки

служать для утворення механічно міцної, гладкої, вологостійкої плівки на поверхні твердої ізоляції (часто – на поверхні попередньо просоченої пористої твердої ізоляції).

До покривних лаків відносять кремнійорганічні лаки, лаки на полівінілацитатній основі,

олійні, поліамідні, поліамідні, целюлозні та ін.

Електроізоляційні компаунди – це просочувальні та заливні суміші, які не мають у своєму складі розчинників і знаходяться у момент застосування при нормальній або підвищеній температурі в рідкому стані та твердіють після застосування внаслідок охолодження, або хімічних процесів.

 Тема 2. Провідникові матеріали і вироби.

Урок 8. Провідникова мідь, її електричні, механічні властивості.

Опрацювати матеріал: підручник О.В. Паржницький «Електроматеріалознавство» стор.21.

Домашнє завдання: записати в зошит конспект з наданого матеріалу.

Урок 9. Сплави на основі міді.

Опрацювати матеріал: підручник О.В. Паржницький «Електроматеріалознавство» стор.23.

Домашнє завдання: записати в зошит конспект з наданого матеріалу.

Урок 10. Провідниковий алюміній-основні властивості.

Опрацювати матеріал: підручник О.В. Паржницький «Електроматеріалознавство» стор.25.

Домашнє завдання: записати в зошит конспект з наданого матеріалу.

Урок 11. Провідникове залізо і сталь-основні властивості,  застосування.

Опрацювати матеріал: підручник О.В. Паржницький «Електроматеріалознавство» стор.36.

Домашнє завдання: записати в зошит конспект з наданого матеріалу.

Урок 12. Свинець-основні властивості, марки, застосування.

Опрацювати матеріал: підручник О.В. Паржницький «Електроматеріалознавство» стор.38.

Домашнє завдання: записати в зошит конспект з наданого матеріалу.

Урок 13. Срібло, платина- основні властивості, марки, застосування.

Опрацювати матеріал: підручник О.В. Паржницький «Електроматеріалознавство» стор.34.

Домашнє завдання: записати в зошит конспект з наданого матеріалу.

Урок 14. Вольфрам молібден-основні властивості, марки, застосування.

Опрацювати матеріал: підручник О.В. Паржницький «Електроматеріалознавство» стор.38.

Домашнє завдання: Записати в зошит конспект з наданого матеріалу.

                                Матеріали для проводів. Мідь, алюміній.

Основною характеристикою провідника є його питомий опір.

Природно, чим опір нижче, тем кращим провідником є той або інший матеріал. Із провідникових матеріалів з високою тепло- і електро- провідністю самим чудовим матеріалом для проводів було б срібло. Однак цей матеріал занадто дорогий і рідкий, тому срібло використовують тільки для відповідальних контактів, тому що воно не тільки ідеальний провідник, але й не окислюється в процесі роботи, виходить, не погіршуються властивості контакту з часом. Відзначимо, що інші, більш звичні провідники, такі як мідь або алюміній окислюються киснем повітря, перетворюючись у непровідні окисли, погіршуючи або навіть запобігаючи омічний контакт. Для проводів саме їх і використовують, тому що по електропровідності їх можна поставити на 2-е й 3-е місце після срібла.

Властивості міді.

Мідь - м'який матеріал червонуватого відтінку.

Щільність при 20 °С 8.89 т/м3

Питомий опір при 20 °С 1.7 10-8 Ом×м.

Температурний коефіцієнт опору 4.3 10-3 1/ ДО

Застосування міді в енергетиці досить широке - різні провідники, кабелі, шнури, шини, плавкі вставки, обмотки трансформаторів і котушок.

Властивості алюмінію.

Алюміній - м'який матеріал ясно-сірого кольору.

Щільність при 20 °С 2.7 т/м3

Питомий опір при 20 °С 2.8 10-8 Ом×м

Температурний коефіцієнт опору 4 10-3 1/ ДО

Зіставлення цих матеріалів по найбільш важливих для практики параметрах показує, що вони сильно відрізняються по щільності, теплоємності, міцності при розтяганні. Цікаво, що добуток теплоємності на щільність - мало відрізняється в цих матеріалів (~30%). Той факт, що в алюмінії мала механічна міцність змушує армувати алюмінієві проводи сталевими сердечниками. При цьому струм протікає по алюмінію

(у сталі питомий опір зразковий в 5-10 разів вище, чим в алюмінія), а механічну міцність забезпечує сталь.

Для виготовлення проводів використовують алюміній, мідь, бронзу, а також комбінації цих елементів зі сталлю. При перетині до 10-15 мм2 звичайно використовують однодротові проведення, при більшому перетині - багато дротові, скручені проведення. Найбільш популярні проведення для ВЛ - сталеалюмінієві марки АС, наприклад АС 95/16 означає, що в поперечному перерізі 95 мм2 алюмінію й 16 мм2 стали.

Звичайна сталь є нестійкою до корозії, навіть при нормальній температурі, особливо в умовах підвищеної вологості вона швидко ржавіє. Для запобігання корозії сталь покривають цинком. Залізо характеризується високим температурним коефіцієнтом

Біметал – це сталь, зовнішня поверхня якої покрита міддю, причому обидва метали з’єднані один з одним міцно та безперервно по всій поверхні їхнього зіткнення.

Способи виготовлення біметалу:

гарячий – стальна заготовка ставиться у форму, а проміжок між заготовкою та формою заливається розплавленою міддю, після чого вже біметалічну заготівку прокатують та протягують;

холодний – мідь електролітично осаджують на сталевий дріт, пропускаючи його крізь ванну з розчином мідного купоросу.

Біметал має механічні та електричні властивості проміжні між властивостями суцільних мідного та сталевого провідників того ж перерізу. Конструкція, в якій мідь розташовується в зовнішньому шарі, а сталь всередині забезпечує:

більш високу провідність всього дроту при змінному струмові;

захист сталі від корозії.

     Залізо (сталь) як найбільш дешевий і доступний метал, що володіє до того ж високою механічною міцністю, становить інтерес і як провідниковий матеріал.

Але навіть чисте залізо має більш високий, у порівнянні з міддю й алюмінієм питомий опір  Характерною рисою заліза й інших феромагнітних металів і сплавів є нелінійна залежність питомого опору від температури.

Питомий опір заліза, як і інших металів, залежить від вмісту домішок.

  Це використовується при виплавці електротехнічної сталі, що володіє, завдяки підвищеному питому опору, меншими втратами на вихрові струми в порівнянні з чистим

залізом.                    

Залізо використовують для виготовлення корпусів електровакуумних і напівпровідникових приладів, що працюють при температурі до 500°С. При цьому

газовиділення із заліза мале і не порушує нормальну експлуатацію приладів.

  До благородних металів відносяться найбільш хімічно стійкі метали:

 золото, срібло, платина, паладій. Вони зустрічаються в природі

у вигляді самородків і в різних рудах.

У результаті металургійної, хімічної й електролітичної переробки вдається одержати метали дуже високої чистоти:

золото – 99,998%; срібло – 99,999%;

платина – 99,9998%; паладій – 99,94%.

Золото – блискучий метал жовтого кольору, що володіє високою пластичністю. Межа міцності на розтяг золотого дроту складає 150 МПа, відносне видовження при розриві порядку 40%.

В електронній техніці золото використовують як контактний матеріал, матеріал для корозійно стійких покрить резонаторів НВЧ, внутрішніх поверхонь хвилеводів. Істотною перевагою золота як контактного матеріалу є його стійкість проти утворення сірчистих і окисних плівок в атмосферних умовах як при кімнатній температурі, так іпри нагріванні. Тонкі плівки золота застосовуються як напівпрозорі електроди у фоторезисторах і напівпровідникових фотоелементах, а також у якості міжз’єднань і контактних площадок у плівкових мікросхемах. В останньому випадку через погану адгезію до діелектричних

підкладок плівки золота наносять звичайно з адгезійним підшаром (найчастіше хрому).

 В контактах золота з алюмінієм відбувається поступове утворення ряду інтерметалічних сполук, що володіють підвищеним питомим опором і крихкістю. Тому контакти тонких плівок золота й алюмінію ненадійні.

 Срібло – білий, блискучий метал, стійкий до окиснення при нормальній температурі;

від інших металів відрізняється найменшим питомим опором.

Межа міцності на розтяг для срібного дроту складає близько 200 МПа, відносне видовження при розриві – порядку 50%.

Срібло застосовується у широкій номенклатурі контактів в апаратурі різних потужностей. Високі значення питомих теплоємності, теплопровідності й електричної провідності срібла забезпечують у порівнянні з іншими металами найменше нагрівання контактів і швидкий відвід тепла від контактних точок. Срібло застосовують також для

безпосереднього нанесення на діелектрики, як електроди, у виробництві керамічних і слюдяних конденсаторів. Для цього застосовують метод впікання чи випару у вакуумі. Сріблом покривають внутрішні поверхні хвилеводів для одержання шару високої провідності. З цією ж метою срібленню піддають провідники високочастотних котушок.

Недоліком срібла є схильність до міграції всередину діелектрика, на який воно нанесено, в умовах високої вологості, а також при високих температурах навколишнього середовища. У порівнянні з іншими благородними металами срібло володіє зниженою хімічною

стійкістю. Зокрема, срібло має схильність до утворення непровідних темних плівок сульфіду Ag2S у результаті взаємодії із сірководнем, мізерні кількості якого завжди присутні в атмосфері. Наявність вологи прискорює протікання реакції. Тому срібні контакти не рекомендується застосовувати по сусідству з гумою, ебонітом та іншими матеріалами, що містять сірку. Срібло добре паяється звичайними припоями.

Широке застосування срібла стримується його великим природнім дефіцитом.

  Платина – білий метал, що практично не сполучається з киснем і дуже стійкий до хімічних реагентів. Платина прекрасно піддається механічній обробці, витягується в дуже тонкі нитки й стрічки.

На відміну від срібла, платина не утворює сірчистих плівок при взаємодії з атмосферою, що забезпечує платиновим контактам стабільний перехідний опір. Вона практично не розчиняє водень, пропускаючи його через себе в нагрітому стані. Після відпалу у водні платина зберігає свої властивості. Однак при прожаренні у вуглецевовмісному сере-

довищі платина насичується вуглецем і стає крихкою.

Платину застосовують для виготовлення термопар, розрахованих на робочі температури до 1600°С (у парі зі сплавом платинородій).

Особливо тонкі нитки з платини діаметром близько 0,001 мм для підвісок рухомих систем в електрометрах і інших чутливих приладах одержують багаторазовим волочінням біметалічного дроту платина – срібло з наступним розчиненням зовнішнього шару срібла в азотній кислоті (на платину азотна кислота не діє).

Внаслідок малої твердості платина рідко використовується для контактів у чистому вигляді, але є основою для деяких контактних сплавів. Найбільш розповсюдженими є сплави платини з іридієм; вони не окиснюються, мають високу твердість, мале механічне зношення, однак дорогі і застосовуються в тих випадках, коли необхідно забезпечити високу надійність контактів.

Вольфрам – дуже важкий, твердий метал сірого кольору.

З усіх металів вольфрам має найбільш високу температуру плавлення.

У природі зустрічається тільки у вигляді сполук.

Вольфрам є одним із найважливіших матеріалів електровакуумної техніки. З нього виготовляють електроди, підігрівники, пружини, гачки в електронних лампах, рентгенівських трубках і т.п.

У електровакуумному виробництві застосовують вольфрам марок ВА

(з кремній-алюмінієвою присадкою) і ВТ (із присадкою оксиду торію). Добавка оксиду торію не тільки підвищує механічну міцність вольфраму, але й поліпшує емісійні властивості катодів за рахунок зниження роботи виходу електронів.

Вольфрам володіє найменшим температурним коефіцієнтом лінійного розширення серед усіх чистих металів. Ця його властивість виявляється необхідною при виготовленні термічно погоджених спаїв вольфраму з тугоплавким склом, що теж має низький температурний коефіцієнт лінійного розширення.