Классификация ЭТМ

Общие сведения о строении вещества

Виды связи. Основными элементарными частицами, из которых строятся все известные нам вещества, являются протоны, нейтроны и электроны.

Из протонов и нейтронов состоит атомное ядро, электроны заполняют оболочки атома, компенсируя положительный заряд ядра. Строение ядра атома, периодичность заполнения оболочек электронами можно находить с помощью таблицы Д.И. Менделеева.

Газы, жидкие и твердые тела состоят из атомов, молекул или ионов. Размеры атомов около 0,1 нм, размеры положительных ионов, получившихся из атомов, лишившихся части электронов, меньше, чем размеры атомов, а размеры отрицательных ионов, присоединивших дополнительные электроны, больше, чем размеры соответствующих атомов. Ионами могут быть и группы атомов, потерявших или присоединивших электроны.

Молекулы газов содержат различное число атомов. Так, например, гелий, аргон, неон - одноатомные газы; водород, азот, кислород, оксид углерода состоят из двухатомных молекул; углекислый газ, водяной пар - из трехатомных. Молекула аммиака построена из четырех атомов, а метана - из пяти. В зависимости от строения внешних электронных оболочек атомов могут образовываться различные виды связи.

Наиболее часто встречаются молекулы, в которых существуют ковалентные и ионные химические связи.

Ковалентная связь возникает при обобществлении электронов двумя соседними атомами. Химическая связь такого типа осуществляется в молекулах Н₂, 0₂ и СО (рис. В_1), а также наблюдается в молекулах, образованных металлоидными атомами, например в молекуле хлора и др.

Молекулы, в которых центры одинаковых по величине положительных и отрицательных зарядов совпадают, являются неполярными. Если же в отдельных молекулах центры противоположных по знаку зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга, то такие молекулы называются полярными или дипольными.

Полярная молекула характеризуется дипольным моментом, который определяется произведением заряда и расстояния между центрами положительного и отрицательного зарядов.

Ковалентная связь может быть как в молекулах (в трех агрегатных состояниях вещества), так и между атомами, образующими решетку кристалла (например, алмаз, кремний, германий). Ковалентной связью могут удерживаться не только одинаковые атомы

Второй вид связи - ионная связь - определяется силами притяжения между положительными и отрицательными ионами. Твердые тела ионной структуры характеризуются повышенной механической прочностью и относительно высокой температурой плавления. Типичными примерами ионных кристаллов являются галогениды щелочных металлов.

Из рис. В_2 видна плотная упаковка ионов хлористого натрия и неплотная - хлористого цезия.

Третий вид связи - металлическая связь, которая приводит также к образованию твердых кристаллических тел. Металлы можно рассматривать как системы, построенные из расположенных в узлах решетки положительно заряженных ионов, находящихся в среде свободных электронов (рис. В_3). Притяжение между положительными атомными остовами и электронами является причиной монолитности металла. Наличием свободных электронов объясняется высокая электропроводность и теплопроводность металла, что также является причиной блеска металлов. Ковкость металла объясняется перемещением и скольжением отдельных слоев атомных остовов.

Четвертый вид связи - молекулярная связь (связь Ван-дер-Ваальса). Такая связь существует в некоторых веществах между молекулами с ковалентными внутримолекулярными связями. Межмолекулярное притяжение в этом случае обусловливается согласованным движением валентных электронов в соседних молекулах (рис. В_4). В любой момент времени электроны максимально удалены друг от друга и максимально приближены к положительным зарядам. При этом силы притяжения валентных электронов положительно заряженными остовами соседних молекул оказываются сильнее сил взаимного отталкивания электронов внешних орбит. Связь Ван-дер-Ваальса наблюдается между молекулами некоторых веществ, например парафина, имеющих низкую температуру плавления, свидетельствующую о непрочности их кристаллической решетки.

Строение и дефекты твердых тел. Кристаллическая решетка - это присущее кристаллическому состоянию вещества регулярное расположение частиц (атомов, ионов, молекул), характеризующееся периодической повторяемостью, в трех измерениях. Полное описание кристаллической решетки дается пространственной группой, параметрами элементарной ячейки, координатами атомов в ячейке. В этом смысле понятие кристаллической решетки эквивалентно понятию атомарной структуры кристалла. Русский ученый Е.С. Федоров почти на 40 лет раньше, чем были найдены методы рентгеноструктурного анализа, рассчитал возможные расположения частиц в кристаллических решетках различных веществ. Он подразделил кристаллы на 32 класса симметрии, объединяющих 230 возможных пространственных групп. Кристаллы могут различаться по двойному лучепреломлению, по пьезо- и пироэлектрическим свойствам, образованию адсорбционных центров, работе выхода электронов и т.п.

Причина образования каким-либо элементом или соединением данной пространственной решетки в основном зависит от размеров атома и электронной конфигурации его внешних оболочек.

Известно, что наиболее высоким как ближним (в пределах элементарной ячейки), так и дальним (на больших расстояниях) порядком расположения частиц отличаются химические соединения, находящиеся в твердом (кристаллическом) состоянии. Говорить о той или иной степени ближнего и дальнего порядка расположения частиц (рис. В_5) можно лишь для твердых растворов кристаллических веществ, а также стеклообразного состояния. Упорядоченное и неупорядоченное состояние можно наблюдать и у высокомолекулярных - полимерных материалов. Практически полное отсутствие порядка в расположении частиц должно быть у аморфных тел.

В электротехнике широко применяются материалы как с упорядоченным, так и неупорядоченным строением.

Дефекты строения кристаллической решетки, определяющие особые физические свойства вещества, широко используются для получения самых различных материалов, которые применяются, в частности, в люминесцентной технике (кристаллофосфоры для осветительных целей, оптические преобразователи, светящиеся краски и др.).

К дефектам кристаллического твердого тела относятся любые нарушения периодичности электростатического поля кристаллической решетки (рис. В_6): нарушение стехиометрического состава, наличие посторонних примесей, механически напряженные участки структуры, дополнительные кристаллографические плоскости (дислокации, трещины, поры) и т.д.

По своей природе перечисленные дефекты могут быть или тепловыми или «биографическими». Последние связаны с технологическим процессом получения данного материала.

Классификация веществ по электрическим свойствам. Все вещества в зависимости от их электрических свойств относят к диэлектрикам, проводникам или полупроводникам. Различие между проводниками, полупроводниками и диэлектриками наиболее наглядно можно показать с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердых тел.

Исследование спектров излучения различных веществ в газообразном состоянии, когда атомы расположены относительно друг друга на больших расстояниях, показывает, что для атомов каждого вещества характерны вполне определенные спектральные линии. Это говорит о наличии определенных энергетических состояний (уровней) для разных атомов.

Часть этих уровней заполнена электронами в нормальном, невозбужденном состоянии атома, на других уровнях электроны могут находиться только после того, как атом испытает внешнее энергетическое воздействие; при этом он возбуждается. Стремясь прийти к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии в момент возвращения электронов на уровни, при которых энергия атома минимальна. При переходе газообразного вещества в жидкость, а затем при образовании кристаллической решетки твердого тела все имеющиеся у данного типа атомов электронные уровни (как заполненные электронами, так и незаполненные) несколько смещаются вследствие действия соседних атомов друг на друга. Таким образом, из отдельных энергетических уровней уединенных атомов в твердом теле образуется целая полоса - зона энергетических уровней.

Энергетические диаграммы диэлектриков, полупроводников и проводников различны

Диэлектриками будут такие материалы, у которых запрещенная зона настолько велика, что электронной электропроводности в обычных случаях не наблюдается.

Полупроводниками будут вещества с более узкой запрещенной зоной, которая может быть преодолена за счет внешних энергетических воздействий.

Проводниками будут материалы, у которых заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывается ею. Вследствие этого электроны в металле свободны, т.е. могут переходить с уровней заполненной зоны на незанятые уровни свободной зоны под влиянием слабой напряженности приложенного к проводнику электрического поля.

При отсутствии в полупроводнике свободных электронов (при нуле Кельвина) приложенная к нему разность электрических потенциалов не вызовет тока. Если извне будет подведена энергия, достаточная для переброса электронов через запрещенную зону, то, став свободными, электроны смогут перемещаться под действием электрического поля, создавая электронную электропроводность полупроводника.

В заполненной зоне, откуда ушел электрон, образовалась «электронная дырка», а потому в полупроводнике начнется другое, «эстафетное», движение электронов, заполняющих образовавшуюся дырку, причем под воздействием электрического поля дырка будет двигаться в направлении поля, как эквивалентный положительный заряд. Процесс перехода электронов в свободное состояние сопровождается и обратным явлением, т.е. возвратом электронов в нормальное состояние. В результате в веществе наступает равновесие, т.е. число электронов, переходящих в свободную зону, становится равным числу электронов, возвращающихся обратно в заполненную зону.

С повышением температуры число свободных электронов в полупроводнике возрастает, а с понижением температуры до абсолютного нуля - убывает вплоть до нуля. Таким образом, электропроводность веществ при различных температурах может быть существенно различной.

Энергию, необходимую для перехода электрона в свободное состояние или для образования дырки, может доставить не только тепловое движение, но и другие источники энергии, например свет, поток электронов и ядерных частиц, электрические и магнитные поля, механические воздействия и т.д.

Электрические свойства определяются условиями взаимодействия атомов вещества и не являются непременной особенностью данного атома. Например, углерод в виде алмаза является диэлектриком, а в виде графита обладает большой проводимостью. Ж Примеси и дефекты кристаллической решетки сильно влияют на электрические свойства твердых тел.

Классификация веществ по магнитным свойствам. По магнитным свойствам материалы подразделяются на слабомагнитные (диамагнетики и парамагнетики) и сильномагнитные (ферромагнетики ферримагнетики).

Диамагнетиками являются вещества с магнитной проницаемостью M < I, значение которой не зависят от напряженности внешнего магнитного поля. К ним относятся водород, инертные газы, большинство органических соединений, каменная соль и некоторые металлы (медь, цинк, серебро, золото, ртуть), а также висмут, таллий, сурьма.

К парамагнетикам относятся вещества с магнитной проницаемостью М> 1, также не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. К ним относятся кислород, оксид азота, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов, щелочные металлы, алюминий, платина.

Диамагнетики и парамагнетики имеют магнитную проницаемость, близкую к единице, и по магнитным свойствам нашли себе ограниченное применение в технике. У магнитных материалов M» 1 и зависит от напряженности магнитного поля. К ним относятся железо, никель, кобальт и их сплавы, сплавы хрома и марганца, гадолиний, ферриты различного состава.

Диэлектрические материалы

Классификация

Диэлектрические материалы имеют чрезвычайно важное значение для электротехники. К ним принадлежат электроизоляционные материалы; они используются для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга части, находящиеся под различными электрическими потенциалами. Назначение электрической изоляции - не допускать прохождения электрического тока по каким-либо нежелательным путям, помимо тех, которые предусмотрены электрической схемой устройства. Очевидно, что никакое, даже самое простое, электрическое устройство не может быть выполнено без использования электроизоляционных материалов.

Кроме того, электроизоляционные материалы используются в качестве диэлектриков в электрических конденсаторах для создания определенного значения электрической емкости конденсатора, а в некоторых случаях для обеспечения определенного вида зависимости этой емкости от температуры или иных факторов.

Наконец, к диэлектрическим материалам принадлежат и активные диэлектрики, т.е. диэлектрики с управляемыми свойствами сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты

Наибольшая часть содержания посвящена электроизоляционным материалам, которые образуют самый многочисленный тип электротехнических материалов вообще, однако невозможно описать все виды электроизоляционных материалов. Поэтому основная задача - дать представление об основах рациональной классификации электроизоляционных материалов и общие для тех или иных групп этих материалов особенности. Будут описаны также некоторые наиболее типичные и широко распространенные виды современных электроизоляционных материалов, причем их параметры и зависимости последних от различных факторов будут использоваться для иллюстрации общих положений учения о диэлектриках.

В различных случаях применения к электроизоляционным материалам предъявляются самые разнообразные требования. Помимо электрических свойств, которые были рассмотрены в первых четырех главах, большую роль играют механические, тепловые и другие физико-химические свойства (см. гл. 5), способность материалов подвергаться тем или иным видам обработки при изготовлении из них необходимых изделий, а также стоимость и дефицитность материалов.

Электроизоляционные материалы подразделяются по их агрегатному состоянию на газообразные, жидкие и твердые. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходном состоянии, во время введения их в изготовляемую изоляцию, являются жидкостями, но затем отверждаются и в готовой, находящейся в эксплуатации, изоляции представляют собой твердые тела (например, лаки и компаунды).

Большое практическое значение имеет также разделение электроизоляционных материалов в соответствии с их химической природой на органические и неорганические. Под органическими веществами подразумеваются соединения углерода; обычно они содержат также водород, кислород, азот, галогены или иные элементы. Прочие вещества считаются неорганическими; многие ИЗ них содержат кремний, алюминий (и другие металлы), кислород и т.п.

Многие органические электроизоляционные материалы обладают ценными механическими свойствами, гибкостью, эластичностью, на них могут быть изготовлены волокна, пленки и изделия других разнообразных форм, поэтому они нашли весьма широкое применение. Однако органические электроизоляционные материалы, за исключением фторлонов, полиимидов, имеют относительно низкую нагревостойкость.

Неорганические электроизоляционные материалы в большинстве случаев не обладают гибкостью и эластичностью, часто они хрупки; технология их обработки сравнительно сложна. Однако, как правило, неорганические электроизоляционные материалы обладают значительно более высокой нагревостойкостью, чем органические, а потому они с успехом применяются в тех случаях, когда требуется обеспечить высокую рабочую температуру изоляции.

Существуют и материалы со свойствами, промежуточными между свойствами органических и неорганических материалов: этоэлементо-органические материалы, в молекулы которых, помимо атомов углерода, входят атомы других элементов, обычно не входящих в состав органических веществ и более характерных для неорганических материалов: Si, Al, Р и др.

Поскольку значение длительно допускаемой рабочей температуры электрической изоляции часто играет первостепенную роль на практике, электроизоляционные материалы и их комбинации (электроизоляционные системы электрических машин, аппаратов) часто относят к тем или иным классам нагревостойкости

Необходимо иметь в виду, что электроизоляционные, механические, тепловые, влажностные и другие свойства диэлектриков заметно изменяются в зависимости от технологии получения и обработки материалов, наличия примесей, условий испытания и т.д.

Газообразные диэлектрики

В числе газообразных диэлектриков, прежде всего должен быть упомянут воздух, который в силу своей всеобщей распространенности даже помимо нашей воли, часто входит в состав электрических устройств и играет в них роль электрической изоляции, дополнительной к твердым или жидким электроизоляционным материалам. В отдельных частях электрических установок, например на участках воздушных линий электропередачи между опорами, воздух образует единственную изоляцию между голыми проводами линии. При недостаточно тщательно проведенной пропитке изоляции электрических машин, кабелей, конденсаторов в ней могут оставаться воздушные включения, часто весьма нежелательные, так как они при высоком рабочем напряжении изоляции могут стать очаг гами образования ионизации

Поскольку электроизоляционные свойства воздуха уже рассмотрены в первых четырех главах, а общие физико-химические свойства его широко известны из курсов физики и химии, нет надобности более подробно останавливаться на этих вопросах. Рассмотрим кратко некоторые другие газы, которые могут представить интерес для практики.

При прочих равных условиях (при одинаковых давлении и температуре, форме электродов, расстоянии между ними и т.д.) различные газы могут иметь заметно различающиеся значения электрической прочности. Азот имеет практически одинаковую с воздухом электрическую прочность; он нередко применяется вместо воздуха для заполнения газовых конденсаторов и для других целей, поскольку, будучи близок по электрическим свойствам к воздуху, он не содержит кислорода, который оказывает окисляющее действие на соприкасающиеся с ним материалы. Однако некоторые газы, имеющие высокую молекулярную массу и соединения, содержащие галогены (фтор, хлор и пр.), для ионизации которых требуется большая энергия, имеют заметно повышенную по сравнению с воздухом электрическую прочность. Так, гексафторид серы (шестифтористая сера) SF₆ имеет электрическую прочность примерно в 2,5 раза выше, чем у воздуха; в связи с этим гексафторид серы был назван впервые исследовавшим этот газ советским ученым Б.М. Гохбергом элегазом (сокращение от слов «электричество» и «газ»).

Дихлордифторметан CC1₂F₂ - так называемый фреон * имеет электрическую прочность, близкую к электрической прочности элегаза, но элегаз примерно в 5,1 раза тяжелее воздуха и обладает низкой температурой кипения; он может быть сжат (при нормальной температуре) до давления 2 МПа. без сжижения. Элегаз не токсичен, химически стоек, не разлагается при нагреве до 800° С, его с успехом можно использовать в конденсаторах, кабелях и т.п. Особенно велики преимущества элегаза при. повышенных давлениях его температура кипения всего лишь 242,7 К (-30,5° С), и он при нормальной температуре может быть сжат без сжижения лишь до 0,6 МПа. Фреон вызывает коррозию некоторых твердых органических электроизоляционных материалов, что надо иметь в виду при конструировании электрических холодильников.

Многие перфторированные углеводороды, т.е. углеводороды, в молекулах которых все атомы водорода заменены атомами фтора, имеющие общий состав CJF^ при нормальных условиях, являются газами (например, CF₄, C₂F₆j C₃F₈, C₄'F₈, C₄F₁₀) или жидкостями (например, C₇F₈, CiF_lt, C₈F₁₆, C₁₄F₂₄). Электрическая прочность некоторых из этих газов, а также паров жидкостей существенно (в 6-10 раз) превосходит электрическую прочность воздуха. Как видно из рис. 6-2, электрическая прочность фтор-содержащих газов и паров при нормальных условиях может быть того же порядка, что и электрическая прочность электроизоляционных жидкостей; в то же время рассматриваемые газы по сравнению с жидкими диэлектриками имеют преимущества значительно меньшей плотности (что приводит к уменьшению массы заполняемых газом аппаратов), более высокой на-гревостойкости и стойкости к старению. Даже небольшая примесь к воздуху элегаЗа, фреона, перфторорганических газов или паров заметно повышает его электрическую прочность, что используется в некоторых электрических устройствах высокого напряжения.

Жидкие диэлектрики

Нефтяные электроизоляционные масла

Трансформаторное масло, которым заливают силовые трансформаторы, из всех жидких электроизоляционных материалов находит наибольшее применение в электротехнике. Его назначение двояко: во-первых, масло, заполняя поры в волокнистой изоляции, а также промежутки между проводами обмоток и между обмотками и баком трансформатора, значительно повышает электрическую прочность изоляции; во-вторых, оно улучшает отвод тепла, выделяемого за счет потерь в обмотках и сердечнике трансформатора. Лишь некоторые силовые и измерительные трансформаторы выполняются без заливки маслом («сухие» трансформаторы). Еще одна важная область применения трансформаторного масла - масляные выключатели высокого напряжения. В этих аппаратах разрыв электрической дуги между расходящимися контактами выключателя происходит в масле или в находящихся под повышенным давлением газах, выделяемых маслом под действием высокой температуры дуги; это способствует охлаждению канала дуги и быстрому ее гашению. Трансформаторное масло применяется также для заливки маслонаполненных вводов, некоторых типов реакторов, реостатов и других электрических аппаратов.

Трансформаторные, а также другие нефтяные («минеральные») электроизоляционные масла получают из нефти посредством ее ступенчатой перегонки с выделением на каждой ступени определенной (по температуре кипения) фракции и последующей тщательной очистки от химически нестойких примесей путем обработки серной кислотой, затем щелочью, промывки водой и сушки. Часто электроизоляционные масла дополнительно обрабатываются адсорбентами, т.е. веществами (особые типы глин или же получаемые искусственным путем материалы), которые обладают сильно развитой поверхностью и при соприкосновении с маслом поглощают воду и различные полярные примеси. Такая обработка производится или перемешиванием нагретого масла с измельченным адсорбентом с последующим отстаиванием, или же фильтрованием масла сквозь слой адсорбента (перколяция). Применяются и другие способы очистки масла. Трансформаторное масло - это жидкость от почти бесцветной до темно-желтого цвета, по химическому составу представляющая собой смесь различных углеводородов. Нефти разных месторождений отличаются по своим параметрам и зависимостям этих параметров от температуры.

Конденсаторное масло служит для пропитки бумажных конденсаторов, в особенности силовых, предназначенных для компенсации индуктивного сдвига фаз. При пропитке бумажного диэлектрика повышается как его диэлектрическая проницаемость, так и электрическая прочность; то и другое дает возможность уменьшить габариты, массу и стоимость конденсатора при заданных рабочем напряжении, частоте и емкости.

Конденсаторное масло сходно с трансформаторным, но требует
особо тщательной очистки адсорбентами. Согласно ГОСТ 5775-68
tg 6 этого масла, измеренный при +100° С, должен быть не более
0,002 при частоте 1 кГц и не более 0,005 при 50 Гц; электрический
прочность просушенного под вакуумом конденсаторного масла
должна быть не ниже 20 МВ/м.

Кабельные масла, используются в производстве силовых электрических кабелей; пропитывая бумажную изоляцию этих кабелей, они повышают ее электрическую прочность, а также способствуют отводу тепла потерь, Кабельные масла бывают различных типов.

Для пропитки бумажной изоляции обычных силовых кабелей на рабочие напряжения до 35 кВ в свинцовых или алюминиевых оболочках (кабели с вязкой пропиткой) чаще всего применяется масло марки МН_4 относительно малой вязкости (кинематическая вязкость не более 37 * 10~⁶ м²/с при +20° С и не более 9,6 - Ю^-6 м²/с при -+-50° С), в которое для повышения вязкости добавляется канифоль (стр. 146) или синтетический загуститель. Масло той же марки, но без увеличивающих вязкость добавок применяется для маслонаполненных кабелей на напряжение ПО кВ и выше, в которых, с помощью специальных подпитывающих устройств во время эксплуатации поддерживается избыточное давление 0,3-0,4 МПа. Для изготовления маслонаполненных кабелей высокого давления (до 1,5 МПа), прокладываемых в стальных трубах, применяется особо тщательно дегазированное высоковязкое масло марки С_220_Д; согласно ГОСТ 8463-57 это масло должно иметь кинематическую вязкость не более 800-10-⁶ м²/с при +20° С и не более 50-10-⁶ м²/с при +50° С; температура вспышки паров его не ниже +180° С, температура застывания - не выше минус 30° С; tg б (при +100° С и 50 Гц) - не более 0,003; электрическая прочность (при +20° С и 50 Гц) - не менее 20 МВ/м.

Твердые диэлектрики

Смолы - применяемое в практике, хотя и не вполне строгое с научной точки зрения, название обширной группы материалов, которые характеризуются как некоторым сходством химической природы (это сложные смеси органических веществ, главным образом высокомолекулярных), так и некоторыми общими для них физическими свойствами. При достаточно низких температурах смолы - это аморфные, стеклообразные массы, более или менее хрупкие. При нагреве смолы (если только они ранее не претерпевают химических изменений) размягчаются, становясь пластичными, а затем жидкими. Применяемые в электроизоляционной технике смолы большей частью нерастворимы в воде и мало гигроскопичны, но растворимы в подходящих по химической природе органических растворителях. Обычно смолы обладают клейкостью и при переходе из жидкого состояния в твердое (при охлаждении расплава или при испарении летучего растворителя из раствора) йрочно пристают к соприкасающимся с ними твердым телам.

Смолы широко применяются в виде важнейшей составной части лаков, компаундов, пластических масс, пленок, искусственных и синтетических волокнистых материалов и т.п. По своему происхождению смолы делятся на природные, искусственные и синтетические.

Природные смолы представляют собой продукты жизнедеятельности животных организмов (пример - шеллак) или растений-смолоносов (канифоль); их получают в готовом виде и лишь подвергают сравнительно несложным операциям очистки, переплавки и т.п. Сюда же относятся ископаемые смолы (копалы), представляющие собой остатки разложившихся в земле деревьев-смоло-носов.

Наибольшее значение в электрической изоляции имеют синтетические смолы - полимеризационные и конденсационные. Общим недостатком конденсационных смол является то, что при их отверждении происходит выделение воды или других низкомолекулярных веществ, остатки которых могут ухудшить электроизоляционные свойства смолы. Кроме того, молекулы конденсационных смол, как правило, содержат полярные группы, что повышает их угол диэлектрических потерь и гигроскопичность; полимеризационные же смолы могут быть и неполярными (примеры: полимеры углеводородного состава, политетрафторэтилен).

А также к твердым диэлектрикам относятся древесина пластмасса резина различные виды бумаги

Проводники

Классификация

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы.

Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление р при нормальной температуре не более 0,05 мкОм_м, и сплавы высокого сопротивления имеющие р при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм_м. Металлы высокой проводимости используются для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов и т.п. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т.п.

Особый интерес представляют собой обладающие чрезвычайно малым удельным сопротивлением при весьма низких (криогенных) температурах материалы - сверхпроводники и криопроводники; они будут рассмотрены ниже.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Для большинства металлов температура плавления высока только ртуть, имеющая температуру плавления около минус 39 °С, может быть использована в качестве жидкого металлического проводника при нормальной температуре. Другие металлы являются жидкими проводниками при повышенных температурах.

Механизм прохождения тока в металлах - как в твердом, так и в жидком состоянии - обусловлен движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля; поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода. Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы (в частности, водные) кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти вещества связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов в соответствии с законами Фарадея, вследствие чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза. Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются проводниками второго рода. Примером могут служить соляные закалочные ванны с электронагревом.

Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превзойдет некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с электронной и ионной электропроводностью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.

Общие сведения о полупроводниках

Большая группа веществ с электронной электропроводностью, удельное сопротивление которых при нормальной температуре больше, чем у проводников, но меньше, чем у диэлектриков (табл. 8-1), относится к полупроводникам. Как было указано в § В_1, электропроводность полупроводников в большой степени зависят от внешних энергетических воздействий, а также от различных примесей, иногда в ничтожных количествах присутствующих в теле собственного полупроводника.

Управляемость электропроводностью полупроводников посредством температуры, света, электрического поля, механических усилий положена в основу принципа действия соответственно терморезисторов (термисторов), фоторезисторов, нелинейных резисторов (паристоров), тензорезисторов и т.д.

Наличие у полупроводников двух типов электропроводности - электронной (п) и электронно-дырочной (р) позволяет получить полупроводниковые изделия с р - n_переходом. Сюда относятся различные типы как мощных, так и маломощных выпрямителей, усилителей и генераторов. Полупроводниковые системы могут быть с успехом использованы для преобразования различных видов энергии в энергию электрического тока с такими значениями коэффициента преобразования, которые делают полупроводниковые преобразователи сравнимыми с существующими преобразователями других типов, а иногда и превосходящими их. Примерами полупроводниковых преобразователей могут служить солнечные батареи и термоэлектрические генераторы. При помощи полупроводников можно понизить температуру на несколько десятков градусов. В последние годы особое значение приобрело рекомбинационное свечение при низком напряжении постоянного тока электронно-дырочных переходов, которые используются для создания сигнальных источников света и в устройствах вывода информации из вычислительных машин.

Полупроводники могут служить также нагревательными элементами (силитовые стержни), индикаторами радиоактивных излучений, с их помощью также можно измерять напряженности магнитного поля (преобразователи Холла) и т.д.

Использующиеся в практике, полупроводники могут быть подразделены на простые полупроводники (их основной состав образован атомами одного химического элемента) и сложные полупроводниковые композиции, основной состав которых образован атомами двух или большего числа химических элементов. В настоящее время изучаются также стеклообразные и жидкие полупроводники. Простых полупроводников существует около десятка, они приведены в табл. 8-2. В современной технике особое значение приобрели кремний, германий и частично селен. Сложными полупроводниками являются соединения элементов различных групп таблицы Менделеева, соответствующие общим формулам A^IVB^,V (например, SiC), A^I4IBv (InSb, GaAs, QaP), A» B^IV (CdS, ZnSe), а также некоторые оксиды (например, Cu₂0) и вещества сложного состава. К полупроводниковым композициям можно отнести материалы с полупроводящей или проводящей фазой из карбида кремния и графита, сцепленных керамической или другой связкой. Наиболее распространенными из них являются тирит, силит и др. Изготовленные из полупроводниковых материалов приборы обладают преимуществами, к ним относятся: 1) большой срок службы; 2) малые габариты и масса; 3) простота и надежность конструкции, большая механическая прочность (не боятся тряски и ударов); 4) отсутствие цепей накала при замене полупроводниковыми приборами электронных ламп, потребление малой мощности и малая инерционность; 5) экономичность при массовом производстве

Дальнейшее развитие электроники твердого тела позволило перейти от дискретных полупроводниковых приборов к созданию и серийному производству узлов электронной аппаратуры и схем, устройств и приборов в целом. Это прогрессивное направление техники получило название микроэлектроники. Научной задачей, решаемой с помощью микроэлектроники, является создание сложнейших кибернетических систем для использования в народном хозяйстве, для освоения космоса, для исследований в области биологии и медицины. Техническая задача микроэлектроники сводится к дальнейшему сокращению размеров и массы электронной аппаратуры, увеличению плотности монтажа при одновременном повышении ее долговечности и надежности. Осуществить это возможно только на основе резкого сокращения затрат мощности в электронных схемах на полупроводниковых элементах. Экономическая задача микроэлектроники заключается в существенном сокращении потребности в материалах, трудоемкости и капитальных вложений в производство электронной аппаратуры и приборов, в перевозку деталей и аппаратуры, а также в снижении энергетических затрат при ее производстве и эксплуатации.

Советская наука и техника полупроводников развивалась по своему пути, обогащая мировую науку достижениями и в то же время используя все прогрессивное, что давала зарубежная наука и техника.

Магнитные материалы

В качестве магнитных материалов техническое значение имеют ферромагнитные вещества и ферримагнитные вещества и ферримагнитные химические соединения (ферриты).

Магнитные свойства материалов обусловлены внутренними скрытыми формами движения электрических зарядов, представляющими собой элементарные круговые токи. Такими круговыми токами являются: вращение электронов вокруг собственных осей - электронные спины и орбитальное вращение электронов в атомах. Явление ферромагнетизма связано с образованием внутри некоторых материалов ниже определенной температуры (точки Кюри) таких кристаллических структур, при которых в пределах макроскопических областей, называемых магнитными доменами, электронные спины оказываются ориентированными параллельно друг другу и одинаково, направленными. Таким образом, характерным для ферримагнитного состояния вещества является наличие в нем самопроизвольной (спонтанной) намагниченности без приложения внешнего магнитного поля. Однако, хотя в ферромагнетике и образуются самопроизвольно намагниченные области, но направления магнитных моментов отдельных доменов получаются самыми, различными, Как это вытекает из закона о минимуме свободной энергии системы. Магнитный поток такого тела во внешнем пространстве будет равен Нулю. Теоретический подсчет возможных размеров доменов для Некоторых материалов приводит к величинам порядка 0,001-10 мм³ при толщине пограничных слоев между ними в несколько десятков-сотен атомных расстояний. У особо чистых Материалов размеры доменов могут быть и больше. Существование доменов удалось показать экспериментально. При очень медленном перемагничивании ферримагнитного образца в телефоне, соединенном через усилитель с катушкой, охватывающей образец, можно различать отдельные щелчки, связанные непосредственно со скачкообразными измерениями индукции.