Электротехнические материалы Теория конструктивных материалов

Проводниковые материалы К этой группе материалов относятся металлы и их сплавы. Чистые металлы имеют малое удельное сопротивление. Исключением является ртуть, у которой удельное сопротивление довольно высокое. Сплавы также обладают высоким удельным сопротивлением. Чистые металлы применяются при изготовлении обмоточных и монтажных проводов, кабелей и пр.

Диэлектрическое и резистивное состояние вещества.

          Диэлектрические вещества- это такие вещества, в которых возможно накопление, сохранение и распространение электрической энергии.

Объемная концентрация энергии (плотность энергии) определяется выражением                                                                                             (8.1)

 где e0 - диэлектрическая постоянная, e0 = 8.85 10-12 ф/м, e - диэлектрическая проницаемость материала, Е - напряженность электрического поля. 

Резистивные вещества- такие вещества, в которых электрическая энергия расходуется, т.е. преобразуется в другой вид энергии, а именно в тепловую энергию.

 Удельные потери энергии при действии постоянного напряжения определяются выражением Частотная модуляция При частотной модуляция по закону модулирующего колебания и(t) изменяется частота высокочастотного несущего колебания.

                                                                                      (8.2)

где r - удельное электрическое сопротивление, t - длительность действия напряжения.

Абсолютной разницы между диэлектрическим и резистивным состояниями нет, потому что в зависимости от условий одно и то же вещество может быть и диэлектриком и резистором. Основное условие, разграничивающее поведение вещества на резистивное и диэлектрическое основано на понятии максвелловского времени диэлектрической релаксации:

t=e0×e×r ,                                                                           (8.3)

Если на материал действует импульсное напряжение с длительностью импульса t , то при t<< t, вещество можно считать диэлектриком, а в случае обратного неравенства материал можно считать проводящим или резистивным. Для случая переменного напряжения следует сравнивать t и 1/w, где w - частота переменного напряжения, т.е. если t >> 1/w - это диэлектрик, а при t << 1/w - проводник.

    Физический смысл максвелловского времени диэлектрической релаксации можно понять взяв плоский конденсатор  с веществом, имеющим соответствующие e,r  (Рис.8.1). Тогда можно, учитывая геометрические параметры конденсатора, найти емкость конденсатора, считая его идеальным диэлектриком и сопротивление постоянному току, считая его проводником .

                                                                                   (8.4.)

Собственно говоря рис.8.1 и изображает простейшую схему замещения реального конденсатора на идеальные конденсатор и сопротивление. Другое название этой схемы - параллельная схема замещения.

Простейшая схема замещения диэлектрика состоит из параллельного соединения емкости и сопротивления.

Из курса ТОЭ известно, что для схемы, изображенной на рис.8 постоянная времени разряда емкости С через сопротивление R при отключенном источнике составляет RC. Используя (8.4.) можно получить RC=t=e0×e×r. Отсюда следует, что физический смысл времени релаксации состоит в разряде собственной емкости через собственное сопротивление.

   

Рис. 8.1. Простейшая схема замещения диэлектрика.   

          Рассмотрим некоторые примеры. Хорошо очищенное от примесей трансформаторное масло обладает удельным сопротивлением до r = 1012 Ом·м, диэлектрической проницаемостью e= 2.2, откуда t=e0×e×r» 20 сек.  Сравнивая с 1/w»3·10-3 сек. для переменного напряжения частотой 50 Гц, можно заключить, что t >> 1/w, т.е. трансформаторное масло для этих условий является хорошим диэлектриком. Однако, как отсюда видно, для применения в устройствах постоянного напряжения трансформаторное масло малопригодно. А для загрязненного масла значение rможет упасть до двух-трех порядков по величине, что приведет к t£0.1 сек., что сравнимо с 1/w. Ясно, что такое масло непригодно и для устройств переменного напряжения.

 В качестве второго примера рассмотрим воду. В обыденной жизни обычная вода является проводником и это не требует доказательств. Однако для импульсных устройств типа емкостных накопителей энергии вода является наиболее подходящим диэлектриком. Действительно, у хорошо очищенной воды r »106 Ом·м, и при e» 80, значение t превышает 500 мксек. Значение W для импульсов длительностью 1 мксек и менее максимально в сравнению с аналогичным параметром для других диэлектриков. Ясно, что вода может считаться хорошим диэлектриком для этого случая. Обычная водопроводная вода имеет r »10-100 Ом×м , следовательно она является проводником практически для любых импульсов напряжения.  

Для ряда случаев схема замещения диэлектрика может представляться в виде последовательного соединения емкости и небольшого сопротивления r. При этом значения емкостей при параллельном и последовательном представлениях близки друг другу, тогда как сопротивления сильно различаются. Для хороших диэлектриков R>>r. Термопластичными электроизоляционными материалами являются такие, которые, будучи твердыми в исходном, холодном состоянии, размягчаются при нагреве и растворяются в соответствующих растворителях. После охлаждения эти материалы вновь отвердевают. При повторном нагреве сохраняется их способность к размягчению и растворению в растворителях.