Электротехнические материалы Теория конструктивных материалов Магия и Заговоры Хотите честно - it сфера. Обучение Магии.

Электротехнические материалы представляют собой совокупность проводниковых, электроизоляционных, магнитных и полупроводниковых материалов, предназначенных для работы в электрических и магнитных полях. Сюда же можно отнести основные электротехнические изделия: изоляторы, конденсаторы, провода и некоторые полупроводниковые элементы. Электротехнические материалы в современной электротехнике занимают одно из главных мест

Теплоемкость, теплопроводность, температурные коэффициенты материалов. 

          Теплоемкость- это способность накапливать тепловую энергию в материале при его нагревании. Численно удельная теплоемкость равна энергии, которую нужно ввести в единицу массы материала, чтобы нагреть его на один градус. Размерность удельной теплоемкости [Дж/(кг· К)]. Эта величина экстенсивная, т.е. можно говорить о теплоемкости отдельной молекулы или атома, затем просуммировать количество молекул до одного грамма или до одного моля и получить теплоемкость одного грамма или одного моля вещества. Значение теплоемкости зависит от природы материала. Самая высокая теплоемкость у воды 4.2·103 Дж/(кг· К) или 4.2 кДж/(кг·К). У подавляющего большинства материалов удельная теплоемкость порядка 1 кДж/(кг· К). Теплоемкость зависит от температуры. Вблизи нуля Кельвина она мала, в рабочем диапазоне температур - слабо меняется с ростом температуры. Какие-либо скачки теплоемкости связаны со структурной перестройкой тел, например с растянутым плавлением таких веществ, как парафин. Здесь можно упомянуть пример с парафиновой прогревающей повязкой, когда тепло долго сохраняется за счет высокой теплоемкости парафина и повязка греет длительное время.

          Теплоемкость газов хорошо изучена теоретически. Для газов даже введено два типа теплоемкости: при постоянном давлении Cp и при постоянном объеме Cv. Обычно рассматривают теплоемкость, приходящуюся на одну молекулу.

Тогда для одноатомного газа Cp= 5/2 kT, а Cv= 3/2 kT. Почему при постоянном давлении труднее нагревать молекулы? Ясно, что при этом газ расширяется, значит нужна дополнительная энергия, чтобы нагревать газ при постоянном давлении. Отметим, что для многоатомных газов теплоемкость выше, т.к. при нагревании требуется энергия на возбуждения вращения молекул, колебания и т.п.

          Приведем выражение для тепловой энергии материала:

Q = c×m×(T2-T1),                                                                                                 (4.1)

где m-масса материала, T2,T1 конечная и начальная температуры.

          Это выражение можно переписать для локальных, удельных, параметров:

Q/V = c×d×(T2-T1),                                                                                              (4.2)

где Q/V - удельное выделение энергии (в единице объема), d- плотность материала.

          Выражения (4.1 - 4.2) позволяют определить изменение температуры материала в процессе его работы, например за счет потерь энергии, протекания тока или какого-либо другого процесса. Энерговыделение Q задается конкретными процессами, протекающими в материале.

          Теплопроводностьопределяет способность передать тепловую энергию через материал. Это тоже важная характеристика, она характеризуется коэффициентом теплопроводности l. Численно он равен потоку q проходящему через площадку единичной площади, при перепаде на ее гранях температуры 1 °С. Лучше всего передают тепло металлы, так у меди l = 400 Вт/(м К), для серебра чуть больше (418), для алюминия 200 Вт/(м К),, для нержавеющей стали примерно 20 Вт/(м К), для простых сталей примерно в два раза выше.

         У других материалов теплопроводность значительно ниже. Например у бетона l = 0.6 Вт/(м К), у трансформаторного масла l = 0.13 Вт/(м К), для воздуха l = 3,67·10-2 Вт/м·К). В справочниках часто приводят в устаревших единицах, например кал/(см·сек·ºС); для перевода в систему единиц СИ нужно умножить на 4.18 ·102.

          Для газов и жидкостей обычная теплопроводность играет незначительную роль. В этом случае главную роль играют конвекция и излучение.

          Конвекция возникает из-за того, что нагретые жидкость или газ расширяются, их плотность уменьшается, они начинают «всплывать» под действием выталкивающей силы Архимеда. За счет этого возникают локальные течения, которые эффективно уносят тепло из нагретой зоны. В теплотехнике развит аппарат расчета теплопроводности при учете конвекции. Грубо, можно сказать, что конвекция увеличивает теплопроводность в несколько раз.

Я занимался расчетами теплопроводности при разработке электроотопительных приборов на основе материала «ЭКОМ». Так вот, учет естественной конвекции в воздухе приводит к увеличению эффективной теплопроводности в конвекторе из двух параллельно расположенных вертикальных пластин примерно в 10 раз при температуре поверхностей примерно 150-200 °С.

Тепловое излучение также важно, особенно при повышенных температурах.  Основное выражение, используемое в оценках имеет вид:

qизл σT4   ,

где  ε- коэффициент серости излучающего материала, σ-  постоянная Стефана-Больцмана, σ= 5.67 ·10-8  Вт/(м2К4).  Коэффициент серости зависит от сорта материала, в особенности от его теплопроводности и состояния поверхности. Для металлов этот коэффициент невелик, он меняется от единиц до десятков процентов, в зависимости от шероховатости поверхности, причем более шероховатой поверхности соответствует больший коэффициент серости. Для красок (исключая специальные с электропроводными компонентами), ε находится в диапазоне 80 - 95%. Оценки показывают, что этот фактор становится главным при температурах порядка 100 градусов и выше.

          Самая высокая теплопроводность в нормальном диапазоне температур может быть достигнута путем переноса теплоты испарения. Если где-то испарить жидкость, а затем ее конденсировать в другом месте, то теплота испарения заберет часть тепла от нагретого участка и передаст его при конденсации в другом месте. Это эквивалентно теплопроводности от одного места до другого. Оценки показывают, что эквивалентная теплопроводность может превысить теплопроводность меди примерно в пять тысяч раз. Рaзличaют прoвoдникoвыe материалы пo мexaничeским свoйствaм: прoчнoсть при рaстяжeнии, изгибaнии, твeрдoсть, и т.п. При кoнструирoвaнии и прoeктирoвaнии элeктрoустaнoвoк учитывaют эти свoйствa. Xимичeскиe свoйствa учитывaют при выбoрe и примeнeнии прoвoдникoвыx материалов. Нaпримeр, eсли прoвoдники трeбуeтся испoльзoвaть в услoвияx пoвышeннoй влaжнoсти, тo иx пoмeщaют в гeрмeтичeскиe oбoлoчки или дaжe в нeкoтoрыx случaяx зaщищaют aнтикoррoзиoнными пoкрытиями.