Geum.ru

Конспект лекцій з дисципліни «Електротехнічні матеріали» для студентів з напрямку підготовки 050701 «Електротехніка та електротехнології»

Вид материалаКонспект

Содержание


1.2. Роль матеріалів у сучасній техніці.
1.3. Класифікація матеріалів, застосовуваних в енергетиці й електротехніці.
2. Напівпровідникові матеріали.
3.Магнітні матеріали.
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9

1.2. Роль матеріалів у сучасній техніці.


Матеріали відіграють визначальну роль у технічному прогресі. Вище ми розглядали приклад з області обчислювальної техніки, коли вдосконалювання матеріалу й технології виготовлення елементів устаткування з нього приводить до радикально нових результатів. Можна навести ще приклади з інших галузей техніки.

Наприклад, виготовлення балонів для зберігання газів під тиском. Вага балона визначається товщиною стінки посудини, яка, у свою чергу, визначається механічною міцністю матеріалу. Чим менш міцний матеріал, тем важче посудина. Отож, посудина для зберігання азоту, приблизно на тиск 100 атм, обсягом 100 л, виготовлений зі сталі має різна вага в різних країнах, де різна технологія виготовлення стали й, відповідно, різна її механічна міцність. Наприклад вищезгадана посудина в США має вага 40 кг, у нас - 80 кг, а в Китаї - 150 кг.

Розробка нових електротехнічних матеріалів з поліпшеними або новими експлуатаційними властивостями сприяє поліпшенню експлуатаційних характеристик електротехнічних виробів.

Інший приклад, більш близький до енергетики. Робоча напруженість електричного поля в потужному імпульсному накопичувачі енергії (великий конденсатор, у якім у якості діелектрика є вода) в американському накопичувачі «Юпітер» вибирається 150 кВ/см, а в російському накопичувачі «Ангара» - усього 80 кВ/см. В американців краще технологія готування води й електродів, отже, краще властивості матеріалу (води) у накопичувачі, значить пробій у воді досягається при більш високій напруженості, і можна вибрати більшу робочу напруженість.

Ще більш близький приклад - ізолятори високовольтних ліній. Історично першими придумали ізолятори з порцеляни. Технологія їх виготовлення досить складна, примхлива. Ізолятори виходять досить громіздкими й важкими. Навчилися працювати зі склом - з'явилися скляні ізолятори. Вони легше, дешевше, їхня діагностика трохи простіше. І, нарешті останні винаходи - це ізолятори із кремнійорганичної гуми. Перші ізолятори з гуми були не дуже вдалі. На їхній поверхні із часом утворювалися мікротріщини, у яких набивався бруд, утворювалися провідні треки, потім ізолятори пробивалися. Докладне вивчення поведінки ізоляторів в електричнім полі проводів повітряних ліній в умовах зовнішніх атмосферних впливів, дозволило підібрати ряд добавок, що поліпшили атмосферо стійкість, стійкість стосовно забруднень і дії електричних розрядів. У результаті зараз створений цілий клас легких, міцних ізоляторів на різні рівні напруги.

Для порівняння, вага підвісних ізоляторів для ВЛ 1150 кВ зіставимо з вагою проводів у прольоті між опорами й становить кілька тонн. Це змушує ставити додаткові паралельні гірлянди ізоляторів, що збільшує навантаження на опору. Потрібно використовувати більш міцні, а значить більш масивні опори. Це збільшує матеріалоємність, велику вагу опор значно піднімає витрати на монтаж. Для довідки, вартість монтажу становить до 70% вартості будівництва лінії електропередач. На прикладі видне, як один елемент конструкції впливає на конструкцію в цілому. Застосування кремнійорганичної гуми дозволяє різко здешевити й прискорити будівництво. Основою для цього прогресу є розробка й використання для ізоляторів нових електротехнічних матеріалів. Легкі ізолятори дають можливість полегшити опори, тим самим зменшується вітрове навантаження, здешевлюється виготовлення, доставка й монтаж повітряних ліній.

Наприклад, створення нагрівостійких кремнійорганичних діелектриків дозволило підвищити робочі температури електричних машин і тим самим значно збільшити потужність машини без збільшення її габаритів і ваги.

1.3. Класифікація матеріалів, застосовуваних в енергетиці й електротехніці.


Усі електротехнічні матеріали діляться на групи по їх електропровідності з обліком функціонального призначення.

1. Провідникові матеріали. Чисті метали і їх сплави. Вони мають низький питомий опір ( високу провідність ). З них виготовляють струмоведучі частини електричних машин і апаратів: обмотки, котушки, контакти, струмоведучі жили проводів і кабелів.

2. Напівпровідникові матеріали. Ця група матеріалів має керовану провідність. Тобто, прикладаючи до виробів із цих матеріалів невелику керуючу напругу можна переводити їх зі струмопровідного стану в ізолююче. До напівпровідників належать такі матеріали як кремній, германій, селенів, арсенід галію. З них виготовляють силові електронні ключі: тиристори, транзистори.

3.Магнітні матеріали. Застосовуються для створення середовища з малим магнітним опором (магнітопроводи, сердечники) тобто для концентрації енергії магнітного поля в електричних машинах, апаратах і приладах Стосовно електричного струму більшість магнітних матеріалів є провідниками. Основу магнітних матеріалів становить залізо і його сплави. Із цих матеріалів виготовляють сердечники трансформаторів, магнітні системи електричних машин.

Після появи потужних постійних магнітів на основі неодиму з'явився великий клас синхронних машин з безконтактним порушенням від постійних магнітів. Усі електричні мікромашини виготовляються з постійними магнітами, що значно підвищує їх надійність.

4. Діелектрики. Це матеріали – антиподи провідників, вони мають високий питомий опір (низьку провідність ). Діелектричні матеріали мають надзвичайно важливе значення для електротехніки. Діелектрики використовуються в різних електротехнічних пристроях для створення електричної ізоляції, яка оточує струмоведучі частини електротехнічних пристроїв, відокремлює одну від одної частини, що перебувають під дією різних електричних потенціалів.

Ще одна область застосування діелектриків – це діелектрики в конденсаторах, що служать для нагромадження енергії електричного поля й створення певного значення електричної ємності конденсаторів.

Інша назва діелектриків – електроізоляційні матеріали. Призначення електричної ізоляції – не допустити проходження електричного струму по яких-небудь шляхах, не передбачених конструкцією або схемою пристрою. Очевидно, що ніякий пристрій не може бути виконаний без застосування електроізоляційних матеріалів.

У різних випадках до електроізоляційних матеріалів пред'являють найрізноманітніші вимоги. Крім електроізоляційних властивостей велике значення мають механічні, теплові й інші фізико-хімічні властивості. Важливе значення має також вартість і дефіцитність матеріалів.

По агрегатному стану електроізоляційні матеріали діляться на тверді, рідкі й газоподібні.

Велике практичне значення має розподіл електроізоляційних матеріалів відповідно до їхньої хімічної природи на органічні й неорганічні. Органічні матеріали мають коштовні механічні властивості – гнучкістю, еластичністю, їм легко надавати необхідну форму, однак за рідкісними винятками вони мають відносно низьку нагрівостійкість.