Атом водорода Классическая теория теплоёмкости Дебаевская теория Решётка Браве Проводимость твёрдых тел Проводники, полупроводники и изоляторы Прикладная математика и физика Электромагнитное взаимодействие Первообразная функция Интегрирование Вычислить производную задачи

Введение в предмет

1.1. Что такое материал, материаловедение, электротехническое материаловедение.

1.2. Роль материалов в современной технике.

1.3. Основные типы материалов, применяемых в энергетике и электротехнике, композиционные  материалы.

1.4.  Методические указания по курсу, литература.

Диэлектрические материалы являются основными видами электротехнических материалов с которыми придется встретиться на практике будущим инженерам-электрикам. Эти материалы служат в качестве изоляции токоведущих частей энергооборудования. Они включают в себя такие разнообразные  типы электрической изоляции как: воздух в линиях электропередач и электроаппаратах; нефтяные и искусственные масла в трансформаторах, кабелях и конденсаторах; твердые диэлектрики в изоляторах воздушных линий (ВЛ), конденсаторах, установочных изделиях и корпусах аппаратов и т.п. При этом физические условия, в которых должна находиться и функционировать изоляция, накладывают определенные требования на физико-химические параметры материала, ограничивая возможные вид, тип используемых электротехнических материалов.  Кроме того, при конструировании даже простейших изделий, предназначенных для работы в электрическом поле, необходимо четко представлять, какие процессы происходят в материале, как влияет тот, или иной материал на работу других частей устройства, в том числе за счет перераспределения электрического поля. Здесь необходимо учитывать разноплановые характеристики материала - механические характеристики: плотность и вес материала, прочность на сжатие, разрыв или изгиб; теплофизические характеристики: теплопроводность, теплоемкость, нагревостойкость, теплостойкость и горючесть; электрофизические характеристики: диэлектрическая проницаемость, электропроводность, электрическая прочность, трекингостойкость; физико-химические характеристики: химическая стойкость, влагопроницаемость и т.д. Зачастую всем требованиям невозможно удовлетворить, поэтому необходимо ясное понимание всего комплекса процессов, происходящих при функционировании  устройств, чтобы оценить значимость каждого из требований и понять, какие их них, в каждом конкретном случае, являются главными, а какие - второстепенными и ими можно пренебречь.

          Целью настоящего курса является изучение основных процессов, происходящих в диэлектрических материалах под действием электрического поля, ознакомление с основными материалами, применяемыми в электроэнергетике, их основными свойствами.    


1.1. Что такое материал, материаловедение, электротехническое материаловедение.  

в начало лекции


Материал - это объект обладающий определенным составом, структурой и свойствами, предназначенный для выполнения определенных функций.Материалы могут иметь различное агрегатное состояние: твердое, жидкое, газообразное или плазменное. Функции, которые выполняют материалы - разнообразны. Это может быть обеспечение протекания тока - в проводниковых материалах, сохранение определенной формы при механических нагрузках - в конструкционных материалах, обеспечение непротекания тока, изоляция - в диэлектрических материалах, превращение электрической энергии в тепловую - в резистивных материалах. Обычно материал выполняет несколько функций, например диэлектрик обязательно испытывает какие-то механические нагрузки, а значит является конструкционным материалом.

Материаловедение - наука, занимающаяся изучением состава, структуры, свойств материалов, поведением материалов при различных воздействиях: тепловых, электрических, магнитных и т.д., а также при сочетании этих воздействий. Стихийными материаловедами были еще древние люди, , например, научившиеся делать каменные наконечники или топоры из определенных камней со слоистой структурой. Технический прогресс человечества во многом основан на материаловедении. В свою очередь технический прогресс дает новые возможности, методы, приборы для материаловедения, позволяет создавать новые материалы.

Рассмотрим пример с компьютерной техникой. Первые компьютеры были на вакуумных электронных лампах и имели сравнительно скромные возможности. Размер их был примерно со спортивный зал, размер единичного элемента для хранения и обработки информации составлял несколько сантиметров. После открытия полупроводников размер элемента уменьшился примерно в 10 раз, размеры компьютера уменьшились также примерно в 10 раз. По мере исследования полупроводников их размер уменьшался, пока не произошел качественный скачок после открытия интегральных схем, когда несколько транзисторов соединили в одном элементе. В дальнейшем и этот элемент постоянно уменьшался и в нем соединяли все большее количество транзисторов. В настоящее время элементарный транзистор имеет размер примерно 0.5 мкм, в больших интегральных схемах соединяются тысячи элементов. Предполагается, что в ближайшем будущем будет постепенно осуществляться переход на масштаб 0.2 мкм и 0.18 мкм. Имеются идеи о создании элементов размером в молекулу!

Электротехническое материаловедение - это раздел материаловедения, который занимается материалами для электротехники и энергетики, т.е. материалами, обладающими специфическими свойствами, необходимыми для конструирования, производства и эксплуатации электротехнического оборудования. Ряд материалов традиционны для любого из разделов материаловедения, в первую очередь, это конструкционные материалы. Основные материалы, рассматриваемые здесь специфичны именно для электротехнического раздела материаловедения, это в первую очередь диэлектрические материалы, затем проводниковые материалы, магнитные материалы, материалы для резисторов. В основном эти темы и будут рассматриваться в курсе электротехнического материаловедения. Для успешного освоения курса не требуется особых знаний. Математика в школьном объеме, физика в объеме курса общей физики. Впрочем несколько лекций для освежения необходимых физических понятий все-таки потребуются. 


1.2. Роль материалов в современной технике, в частности в энергетике.  

в начало лекции


Материалы играют определяющую роль в техническом прогрессе. Выше я рассматривал пример из области вычислительной техники, когда совершенствование материала и технологии изготовления элементов оборудования из него приводит к радикально новым результатам. Можно привести еще примеры из других областей техники.

Например изготовление баллонов для хранения газов под давлением. Вес баллона определяется толщиной стенки  сосуда, который, в свою очередь, определяется механической прочностью материала. Чем менее прочный материал, тем тяжелее сосуд. Так вот, сосуд для хранения азота, примерно на давление 100 атм, объемом 100 л, изготовленный из стали имеет разный вес в разных странах, где разная технология изготовления стали и, соответственно, разная ее механическая прочность. К примеру вышеупомянутый сосуд в США имеет вес 40 кГ, у нас - 80 кГ, а в Китае - 150 кГ.

          Другой пример, более близкий к энергетике. Рабочая напряженность электрического поля в мощном импульсном накопителе энергии (большой конденсатор, в котором в качестве диэлектрика является вода) в американском накопителе «Юпитер» выбирается 150 кВ/см, в нашем накопителе «Ангара» - всего 80 кВ/см. У американцев лучше технология приготовления воды и электродов, следовательно лучше свойства материала (воды) в накопителе, значит пробой в воде достигается при более высокой напряженности, и можно выбрать большую рабочую напряженность.

          Еще более близкий пример - изоляторы высоковольтных линий. Исторически первыми придумали изоляторы из фарфора. Технология их изготовления достаточно сложна, капризна. Изоляторы получаются довольно громоздкими и тяжелыми. Научились работать со стеклом - появились стеклянные изоляторы. Они легче, дешевле, их диагностика несколько проще. И, наконец последние изобретения - это изоляторы из кремнийорганической резины. Первые изоляторы из резины были не очень удачны. На их поверхности с течением времени образовывались микротрещины, в которых набивалась грязь, образовывались проводящие треки, затем изоляторы пробивались. Подробное изучение поведения изоляторов в электрическом поле проводов ВЛ в условиях внешних атмосферных воздействий, позволило подобрать ряд добавок, улучшивших атмосферостойкость, стойкость по отношению к загрязнениям и действию электрических разрядов. В результате сейчас создан целый класс легких, прочных изоляторов на различные уровни воздействующего напряжения.

Для сравнения, вес подвесных изоляторов для ВЛ 1150 кВ сопоставим с весом проводов в пролете между опорами и составляет несколько тонн. Это вынуждает ставить дополнительные параллельные гирлянды изоляторов, что увеличивает нагрузку на опору. Требуется использовать более прочные, а значит более массивные опоры. Это увеличивает материалоемкость, большой вес опор значительно поднимает расходы на монтаж. Для справки, стоимость монтажа составляет до 70% стоимости строительства линии электропередач. На примере видно, как один элемент конструкции влияет на конструкцию в целом.  Применение кремнийорганической резины позволяет резко удешевить и ускорить строительство. Сейчас в Новосибирске действуют, по крайней мере, три фирмы, разработавшие конструкции быстромонтируемых опор. Основой для этого прогресса является разработка и использование для изоляторов новых электротехнических материалов. Легкие изоляторы дают возможность облегчить опоры, тем самым уменьшается ветровая нагрузка, удешевляется изготовление, доставка и монтаж ВЛ.  


1.3. Основные типы материалов, применяемых в энергетике и электротехнике, композиционные материалы.  

в начало лекции


Основные материалы, которые используются в энергетике, можно разделить на несколько классов - это проводниковые материалы, магнитные материалы, диэлектрические материалы. Общим для них является то, что они эксплуатируются в условиях действия напряжения, а значит и электрического поля. В них протекают электрические токи, выделяется тепловая энергия, происходят потери электрической энергии, происходит нагревание материалов. Более специфичны магнитные материалы, в них запасается магнитная энергия, в них также происходят ее потери, выделяется тепло при работе в переменном электрическом поле.

Здесь также следует выделить целый громадный класс материалов не по признаку их функционирования, а по составу. Это композиционные материалы.

Композиционные материалы - материалы, состоящие из нескольких компонент, выполняющих разные функции, причем между компонентами существуют границы раздела.

Примеры композиционных материалов - стеклопластик (стержни и трубы), стеклотекстолит листовой, материалы для контактов (смеси электропроводного и тугоплавкого металлов). Сочетание двух или более материалов позволяет использовать сильные стороны каждого из материалов. При этом свойства композита, далеко не всегда являются промежуточными между свойствами  компонентов. В ряде случаев улучшаются характеристики, либо появляется материал с принципиально новыми характеристиками. Рассмотрим, например стеклопластик. Он состоит из волокон стекловолокна, пропитанных полимером, обычно эпоксидным полимером. Основное достоинство этого материала - высокая механическая прочность. Прочность эпоксидного компаунда недостаточно велика, этот материал достаточно хрупок. Прочность стеклянного волокна - значительна, но  у него хрупкость также значительна. После пропитки волокон и последующей полимеризации прочность стеклопластикового стержня на разрыв не уступает прочности волокон, тогда как хрупкость у стержней в принципе отсутствует.

Основными характеристиками материалов являются электропроводность или обратная величина - сопротивление, плотность, механическая прочность при различных нагрузках, теплоемкость, теплопроводность. Для диэлектрических материалов наиболее важны удельное электрическое сопротивление, диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери, электрическая прочность.

Большинство этих терминов вам неизвестно, в процессе изучения  настоящего курса вы с ними подробно познакомитесь. 

Характеристики композиционных материалов 

Для начала введем понятие обобщенной проводимости.

Оказывается удельные теплопроводность, электропроводность, диэлектрическая проницаемость, коэффициент диффузии являются близкими характеристиками, в том смысле что они описывают потоки (зарядов, вещества, тепла, электрического поля) в зависимости от сил, вынуждающих эти потоки.

Например плотность тока связана с градиентом потенциала через проводимость:

Индукция связана с градиентом потенциала через диэлектрическую проницаемость:

Поток тепла связан с градиентом температуры через теплопроводность

          Для композиционных материалов оказалось, что зависимость какого то параметра композиции (e, s, l )от аналогичных параметров компонентов (e, s, l) идентична для любого из параметров. Поэтому говорят об обобщенной проводимости, т.е. о зависимости обобщенной проводимости композиции от аналогичных проводимостей компонентов.

Существует достаточно большое количество выражений для  вычислений обобщенной проводимости композиционных материалов (диэлектрической проницаемости,  теплопроводности, диффузии и электропроводности) в различных случаях. Кроме  того, теоретически получена группа оценок сверху и снизу, причем  при использовании дополнительной информации о частицах, среде и  характере их взаимодействия интервал между оценками можно сделать  достаточно узким.

Для оценочных расчетов более удобен способ  непосредственного вычисления обобщенной проводимости, исходя из  характеристик компонентов. Поскольку нас интересует, в первую очередь, диэлектрическая проницаемость и электропроводность, при использовании известных выражений,  полученных для расчета других видов проводимости будем заменять соответствующие  физические характеристики на нужные.

Здесь нужно ввести еще два понятия о структуре. Существуют две принципиально различные структуры: матричная и взаимопроникающая.

Структура является матричной, если по одному из компонентов можно попасть в любую точку этого компонента, не пересекая границ раздела компонент.

Такая компонента называется дисперсионной фазой, или матрицей композиции. Компонента, частички которой окружены дисперсионной компонентой называется дисперсной фазой, или наполнителем.

Например, частички сажи в полиэтилене. Полиэтилен является матрицей, частички сажи - наполнителем. Другой пример - молоко. Вода является дисперсионной средой, микрокапельки жира в ней - дисперсной фазой.

Структура называется взаимопроникающей, если не выполняется условие матричности и геометрические характеристики обоих компонентов (форма частиц) одинаковы .

Например, материал, приготовленный методами порошковой металлургии, когда смешивают два, или несколько разных порошков и полученную смесь прессуют.

Матричные структуры.Расчет электрических характеристик гетерогенных систем  достаточно точен в случае разбавленных суспензий. Для этих условий применимы известные формулы Максвелла, Вагнера-Винера, Оделевского. В случае малых концентраций они дают близкие значения. При достаточно больших концентрациях, и при большом различии  параметров компонентов практически все известные выражения непригодны.

Наиболее правдоподобно описывает зависимости формула Нильсена, которая предложена для описания наполненных полимеров. Для случая наполнитель - керамика с диэлектрической проницаемостью eк, а матрица - жидкость с диэлектрической проницаемостью eж формулу Нильсена можно написать в виде

                                                                     

 где Vк -объемная доля керамики, А - характеризует форму частиц, А=1.5 для сфер, А=3 для  частичек нерегулярной формы с минимальной поверхностью, А=4 для  пластинок и чешуек различной формы. Pm - максимально возможная объемная доля твердой фазы, характеризующая укладку и  форму частиц.

Анализ зависимостей диэлектрической проницаемости от концентрации твердой фазы показывает, что при малых концентрациях все зависимости дают примерно одинаковые значения. Экспериментальные данные не противоречат расчетам. Однако при повышении концентрации до 25-30% все зависимости, кроме формулы Нильсена дают значительно меньшие значения чем эксперимент. До концентрации 50-55% формула Нильсена дает блестящее совпадение с экспериментом. Причем это проверено на ряде жидкостей, начиная с трансформаторного масла и заканчивая сульфоланом. После 50-55% формула Нильсена начинает давать значения, большие чем зарегистрировано в эксперименте.

Взаимопроникающие структуры. Для этого случая также предложено большое количество выражений. Наиболее популярна формула Лихтенеккера

e=e1v1×e2(1-v1)

Видно, что в этой формуле оба компонента равноправны.  


1.4.  Методические указания по курсу, литература. 

в начало лекции


          Мне бы хотелось подчеркнуть, что материаловедение заключается не в запоминании материалов и их характеристик, это можно сделать, пользуясь справочниками, но в первую очередь, в понимании процессов, происходящих в материалах под действием тех либо иных факторов при использовании материалов в электротехнике. Поэтому в нашем рассмотрении уклон будет в сторону физики. Я надеюсь, что это приведет к более глубокому пониманию электротехнических материалов.

Обязательная литература

1. Коробейников С.М. Диэлектрические материалы: Учебное пособие, Новосибирск, НГТУ, 2000, 67 с. (http://etm.power.nstu/trud/index

2. Богородицкий Н.П. и др. Электротехнические материалы: Учебник для электротехн. и энерг. спец. вузов / Н.П.Богородицкий, В.В.Пасынков, Б.М.Тареев. - 7-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. - 304 с. 

 3 .Справочник по электротехническим материалам: в 3-х т. / Под ред. Ю.В.Корицкого и др. - 3-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат

Том 1. - 1986. - 368 с.

Том 2. - 1987. - 464 с.

Том 3. - 1988. - 728 с.

 

Дополнительная литература

4. Мозберг Р.К. Материаловедение: Учеб. пособие. - 2-е изд., перераб. - М.: Высш. шк., 1991. - 448 с.

 5. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - Учебник для ВУЗов, 3-е издание, перераб. М.: Машиностроение, 1990, 528 с.

 6. Рез И.С., Поплавко Ю.М. Диэлектрики. Основные свойства и применение в электронике. - М.: Радио и связь, 1989. - 288 с.

 7. Неизвестный И.Г., Придачин Н.Б. Физика поверхности полупроводников: В 2-х ч. : Лекции /Новосиб. гос. техн. ун-т. - Новосибирск, 1994. - Ч. 1. - 184 с.

 8. Валеев Х.С., Квасков В.Б. Нелинейные металлоокисные полупроводники. - М.: Энергоиздат, 1983. - 160 с.

 9. Композиционные резисторы для энергетического строительства /Горелов В.П., Пугачев Г.А. - Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1989. - 216 с.

10. Мишин Д.Д. Магнитные материалы: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1991. - 384 с.

11. Дубровский В.Г. Введение в теорию сверхпроводимости: Конспект лекций /Новосиб. гос. техн. ун-т. - Новосибирск, 1993. - 72 с.  

Система обучения состоит в чтении лекций и подготовке лабораторных работ. Для студентов дневного отделения дополнительно проводятся семинарские занятия по решению задач из специально подготовленного задачника. Всего лекций 15, лабораторных работ 4, их можно выбрать из 8 различных работ. После первых 4-5 лекций предполагается небольшой тест. Затем, после последней лекции, также проводится заключительный тест.

Подведение итогов проводится согласно рейтинговой системе. На лекции раздаются карточки, на ней нужно указать группу и фамилию. За посещение лекций - 1 балл, за каждый нормальный вопрос, заданный на лекции - еще один балл. За лабораторную работу - до 4 баллов, за тест - до 10 баллов. Четыре лабораторные работы должны быть сделаны и сданы в течение семестра. Без этого нет допуска к зачету. Можно подготовить реферат по какой-либо теме - до 10 баллов. Если у кого-то есть желание заняться исследовательской работой - баллы выставляются по заслугам в неограниченном количестве.

  По окончанию баллы суммируются. В зависимости от набранной суммы при итоговой аттестации по предмету аттестуемые разделяются на 4 категории. В разных категориях аттестуемый получает различные комплекты аттестационных материалов. Технология состоит из нескольких этапов. Находится средний балл по потоку, подсчитывается средний балл верхней половины потока. Все, кто имеет баллы, выше этого балла - получают автоматический зачет. Остальные из верхней половины сдают упрощенный зачет. Во второй половине - аналогично. Верхняя часть сдает обычный зачет, нижняя часть - усиленный зачет.

Студент, набравший вышесредний уровень рейтинга, получает на итоговой аттестации 2 вопроса: определение какого-либо понятия и качественные соотношения между какими-либо величинами. Полный перечень зачетных вопросов для высшего уровня рейтинга дается преподавателем на лекциях по мере прочтения материала. Ответы на эти вопросы даются, как правило, без подготовки. При успешных ответах студент аттестуется.

При неуспешном ответе на один вопрос студент имеет возможность на вторую попытку, при которой отвечает на ранее заданный вопрос и получает два новых аналогичной формы.

При второй неуспешной попытке (один вопрос без ответа) или при неуспешных ответах на оба вопроса первой попытки студент получает задание среднего уровня рейтинга.

Студент, набравший нижесредний уровень рейтинга получает на итоговой аттестации экзаменационный билет с двумя вопросами и задачей. Билеты с вопросами этого уровня рейтинга выдаются студентам для ознакомления на консультациях в последние недели семестра. Для ответов дается время на подготовку в пределах получаса с возможностью использовать справочную литературу.

Студент, не справившийся с заданиями среднего уровня рейтинга, имеет возможность пересдать эти задания, и получить другой билет того же уровня для подготовки и ответов. Студент, не справившийся с повторной пересдачей, при последующих пересдачах получает билеты низшего уровня рейтинга. Студент, набравший низший уровень рейтинга, получает при итоговой аттестации билет с двумя вопросами и тремя задачами. Вопросы и задачи заранее студентам не известны, однако, по форме не отличаются от вопросов среднего уровня рейтинга.

 
Решение задач по физике, электротехнике, математике