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

Вид материала

Конспект

Содержание Розділ 2. Електрофізичні характеристики матеріалів. 2.1. Електропровідність матеріалів. 2.1.1. Основне рівняння електропровідності. 2.1.2. Електропровідність металів 2.1.3. Електропровідність газів 2.1.4. Електропровідність твердих діелектриків. 2.1.5. Електропровідність рідин.

Подобный материал:

• Робоча навчальна програма з дисципліни " Електропостачання " для студентів напряму, 511.24kb.
• Конспект лекцій з дисципліни «Процеси у діелектриках» для студентів з напрямку підготовки, 716.74kb.
• Робоча програма з навчальної дисципліни Електротехнічні матеріали для студентів напряму, 153.15kb.
• Кулько Тетяна Володимирівна, асистент кафедри, 229.49kb.
• Конспект лекцій до вивчення дисципліни «Будівельні матеріали», 1134.87kb.
• О. В. Харитонов конспект лекцій з дисципліни "земельне право україни" (для студентів, 1807.04kb.
• В. О. Кодін конспект лекцій з дисципліни «Основи реконструкції історичних міст» для, 703.58kb.
• Навчальна програма дисципліни "електротехніка" для напряму підготовки: 051001 «Метрологія, 284.54kb.
• Конспект лекцій з дисципліни „ Технологія туристської діяльності" для студентів 2 курсу, 2193.28kb.
• Конспект лекцій Хмельницький, 2005 Снозик О. В. Безпека життєдіяльності, 909.72kb.

Розділ 2. Електрофізичні характеристики матеріалів.

2.1. Електропровідність матеріалів.

Особливістю використання матеріалів в електроенергетиці є те, що вони експлуатуються в умовах впливу електричних полів, і в трохи меншому ступені, в умовах впливу магнітних полів. Основними процесами, що відбуваються під дією цих полів є поляризація речовини, електропровідність, намагнічування речовини.

Електропровідність – це здатність матеріалу проводити електричний струм.

Хто пам'ятає визначення електричного струму з курсу фізики? Електричним струмом називається спрямований рух електрично заряджених часток. Електричний струм може бути викликаний зарядженими частками різних типів. Основні види заряджених часток – це електрони й іони.

2.1.1. Основне рівняння електропровідності.

Можна написати найбільш загальну формулу, для щільності струму j, вірну для будь-яких середовищ,

j = ·q_i·V_i

Тут i - тип або cорт заряду, (наприклад електрони, іони різних молекул, заряджені частки й т.п.), n_i - концентрація зарядів i-го різновиду, q_i - значення заряду, V_i - швидкість носіїв заряду.

Щоб розібратися з електропровідністю різних матеріалів, необхідно зрозуміти, які в них щільності (концентрації) заряду, як вони з'являються й від чого вони залежать, які величини зарядів, з якими швидкостями можуть рухатися. Усе це головні питання у вивченні електропровідності.

Для всіх середовищ, за винятком вакууму, швидкість носіїв пропорційна напруженості поля

V_i = b_i·E

де b_i - рухливість носіїв заряду.

Рухливістю носіїв заряду називається коефіцієнт пропорційності між швидкістю носіїв заряду V_i і напруженістю поля E. Розмірність рухливості - м²/(В с). Фактично рухливість чисельно дорівнює швидкості носіїв заряду при напруженості поля 1 В/м.

Підставляючи рівняння (2) в (1) одержимо аналог закону Ома в диференціальній формі, що зв'язує щільність струму з напруженістю електричного поля. Ми одержимо вираз, за допомогою якого можна прогнозувати величину електричного опору того або іншого матеріалу.

Типи носіїв заряду і їх рухливість можуть бути різними в різних середовищах. Рухливість носіїв також сильно залежить від середовища.

Основними видами заряджених часток є електрони й іони – те, що залишається від атома або молекули, коли вони втрачають електрони.

2.1.2. Електропровідність металів

В атомах металів електрони досить слабко пов'язані з іонними залишками. Тому при утворі з атомів властиво матеріалу металу ці електрони від різних атомів як - би усуспільнюються й можуть вільно пересуватися по всім обсягу металу. Вони і є носіями заряду. Зразкова кількість електронів у металі становить близько 10²² шт/см³. Їхня рухливість також велика. Оцінки дають значення bi приблизно 10^-2-10^-1 м²/(В с).

2.1.3. 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.

О


Рис.1.1. Залежність струму від напруги для газів.
дночасно 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.

2.1.4. Електропровідність твердих діелектриків.

Тут основними носіями заряду є електрони. Іони "вморожені" і практично не мають можливості руху, b ~10^-23 м²/(В·с). Утворення вільних носіїв заряду відбувається внаслідок впливу іонізаційних випромінювань і нагрівання. Рекомбінація носіїв заряду у твердих тілах не утруднена. Електропровідність твердих діелектриків визначається наявністю домішок.

2.1.5. Електропровідність рідин.

Сучасні вистави 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. Іонізація полегшена в порівнянні з газами. Рекомбінація носіїв заряду в рідині утруднена, оскільки заряди активно взаємодіють із більш щільним і рухливим середовищем.

Таким чином, у рідинах звичайно провідність більше, чим у газах і твердих тілах за рахунок полегшеної іонізації й утрудненої рекомбінації

З іншого боку, відсутність форми рідини, легкість очищення дають можливість зменшення електропровідності, що неможливо зробити із твердими діелектриками. У цей час існують кілька нових технологій очищення рідин, наприклад електродіаліз, завдяки яким деякі рідини очищали до провідності, не гірше кращих зразків твердих діелектриків.