ОГЛАВЛЕНИЕ
Список принятых сокращений…………………………………………….. |
5 |
|
Введение………………………………………………………………......... |
6 |
|
1. Роль электротехнических материалов………………………………….. |
7 |
|
2.Классификация электротехнических материалов…………………….. 11
2.1.Классификация электротехнических материалов по поведению
в электрическом поле…………………………………………………. |
11 |
2.2. Классификация электротехнических материалов по поведению |
|
в магнитном поле……………………………....................................... |
14 |
2.3. Классификация электротехнических материалов по |
|
применению в технике…………………………................................... |
20 |
3. Основы строения вещества………………………………….................... |
32 |
3.1. Виды химических связей в молекулах………………………….. |
32 |
3.1.1. Ковалентная связь………………………………………… |
32 |
3.1.2. Ионная связь……………………………………………….. |
34 |
3.1.3. Металлическая связь…………………………………….. 36 |
|
3.1.4. Молекулярная связь………………………………………. |
37 |
3.1.5. Водородная связь………………………………………….. |
38 |
3.2. Элементы зонной теории твердого тела………………………… |
38 |
4. Диэлектрики………………………………………………………………. |
41 |
4.1. Общие сведения и классификация диэлектриков………………. |
41 |
4.2. Свойства диэлектриков…………………………………………… |
42 |
4.2.1. Поляризация………………………………………………. |
42 |
4.2.2. Электропроводность…………………………………......... |
47 |
4.2.3. Диэлектрические потери………………………………….. |
58 |
4.2.4. Пробой диэлектриков…………………………………….. |
65 |
4.3. Газообразные диэлектрики………………………………………. |
74 |
4.4.Жидкие диэлектрики……………………………………………. 76
4.4.1.Классификация и основные требования к жидким
диэлектрикам…………………………………………………….. |
76 |
4.4.2. Краткие сведения о некоторых промышленных жидких |
|
диэлектриках…………………………………………………….. 81 |
|
4.5. Твердые органические диэлектрики……………………………. |
84 |
3
4.6. Твердые неорганические диэлектрики…………………………. 94 |
|
4.6.1. Классификация неорганических диэлектриков………… |
94 |
4.6.2. Слюда……….……………………………………………… |
97 |
4.6.3. Стекла………………………………………………………. |
99 |
4.6.4. Ситаллы…………………………………………………….. |
107 |
4.6.5. Керамика…………………………………………………… |
108 |
4.7. Композиционные диэлектрические материалы………………… |
112 |
5. Проводники………………………………………………………………. |
116 |
5.1. Общие сведения и классификация проводников……………….. |
116 |
5.2. Свойства проводников…………………………………………… |
118 |
5.2.1. Электропроводность…………………………………......... |
118 |
5.2.2. Температурный коэффициент удельного электрического |
|
сопротивления…………………………………………………… |
122 |
5.2.3. Термоэлектродвижущая сила……………………………. 122 |
|
5.2.4. Температурный коэффициент расширения……………… |
123 |
5.2.5. Механические свойства…………………………………… |
125 |
5.2.6. Температура плавления…………………………………… |
125 |
5.2.7. Плотность………………………………………………….. |
126 |
5.3. Проводниковые материалы………………………………………. |
127 |
5.3.1. Проводники с высокой электропроводностью………….. |
127 |
5.3.2.Криопроводники………………………………………… 139
5.3.3.Классификация проводников различного назначения…. 141
5.3.4. Проводящие модификации углерода…………………….. |
158 |
6. Сверхпроводники………………………………………………………… |
169 |
6.1. Общие сведения о сверхпроводниках…………………………… |
169 |
6.2. Эффекты сверхпроводимости……………………………………. |
169 |
6.3. Сверхпроводниковые материалы……………………………….. |
175 |
6.3.1.Сверхпроводники первого рода…………………………. 176
6.3.2.Сверхпроводники второго рода…………………………. 176
6.3.3.Высокотемпературные сверхпроводники………………. 178 Библиографический список………………………………………………. 189
4
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ
ЭТМ — электротехнические материалы; РПТЗМ — радиопрозрачные теплозащитные материалы; ρ — удельное электрическое сопротивление;
Тс — критическая температура перехода из нормального состояния в сверхпроводящее и обратно; СП — сверхпроводник;
ВТСП — высокотемпературный сверхпроводник; относительная магнитная проницаемость; температура Кюри; дипольный момент;
тангенс угла диэлектрических потерь; остаточная намагниченность; напряженность электрического поля; электрическая индукция; абсолютная диэлектрическая проницаемость;
относительная диэлектрическая проницаемость; емкость конденсатора; энергия; электрический заряд;
частота электрического поля; концентрация носителей заряда; плотность тока; удельная электрическая проводимость;
ток абсорбции; сопротивление изоляции;
поверхностное сопротивление; объемное сопротивление; напряжение; активный ток; реактивный ток; мощность;
электрическая прочность диэлектрика; пробивное напряжение;
температурный коэффициент линейного расширения; температурный коэффициент объемного расширения.
5
ВВЕДЕНИЕ
Прогресс в современной науке и технике сопровождается интенсификацией производственных процессов, что находит свое выражение в ужесточении условий эксплуатации — растут температура, давление, напряженности электромагнитных полей, применяются различные виды ионизирующих излучений высокой энергии и другое. Одновременно с утяжелением эксплуатационных условий повышаются требования к надежности и ресурсу работы электротехнических устройств, что в значительной мере определяется надежностью и ресурсом их электрической изоляции, контактных соединений, проводниковых, полупроводниковых и магнитных элементов схемы.
В данном учебном пособии по электротехническим материалам особое внимание уделяется последним достижениям в области материаловедения (высокотемпературные сверхпроводники, фуллерены, нанотрубки, композиционные диэлектрики, новые экспериментальные результаты, опубликованные в последнее время и др.), что позволит будущим бакалаврам и магистрам творчески решать на современном уровне комплексные задачи проектирования, создания различных электротехнических изделий и устройств с обеспечением их квалифицированной эксплуатации, разрабатывать новые электротехнические материалы.
Основная цель учебного пособия — закрепление у студентов, обучающихся по магистерской программе «140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» и 140200 «Электроэнергетика» в рамках учебной программы «Электротехническое материаловедение», современных сведений по электротехническим материалам, их свойствам в эксплуатационных условиях.
6
1. РОЛЬ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Электротехническими материалами (ЭТМ) — называются ма-
териалы, обладающие специфическими свойствами по отношению к электромагнитному полю, и которые используются в технике с учетом этих свойств.
Современные технические достижения цивилизации, такие как электрические станции, радиоприемники, магнитофоны, телевизоры, мобильные телефоны, электротранспорт, полеты в космос и многое другое, были бы невозможными без электротехнических материалов.
Появление новых идей, конструкций и агрегатов ведет к разработке новых ЭТМ и, наоборот, появление новых ЭТМ стимулирует возникновение новых технических решений, усовершенствование старых конструкций, агрегатов и разработку новых.
С целью иллюстрации значимости ЭТМ ниже приводятся примеры их использования в различных сферах науки и техники, при этом внимание уделяется одной из задач, требующих решения.
Космонавтика. В данной области основной задачей является повышение рабочей температуры, так как при движении космических тел при входе в плотные слои атмосферы Земли из-за их трения о слои атмосферы возникает аэродинамический нагрев с температурой приблизительно равной 5000 – 10000 ° С. Максимальная температура плавления материала — это температура плавления углерода 3850 ° С. (Близка к этому значению температура плавление/разложения некоторых карбидов, таких как HfC, TaC, WC, NbC). Поэтому в шестидесятые годы ХХ века возникла задача создания радиопрозрачных теплозащитных материалов (РПТЗМ) для межконтинентальных баллистических ракет и космических аппаратов, в том числе управляемых,
7