АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС ИНСТИТУТЫ

Электр станциялар, жүйелер мен тораптар кафедрасы

  

ЭЛЕКТРОТЕХНИКАЛЫҚ МАТЕРИАЛТАНУ

 

Дәрістер жинағы

(050718 – Электорэнергетика мамандықтарындағы барлық оқу түріндегі студенттер үшін)

  

Алматы 2008 ж.

ҚҰРАСТЫРУШЫЛАР: Қ. Х. Бекмағамбетова, Р.М. Күзембаева.

Электромеханикалық материалтану. 050718 – Электроэнергетика мамандығының барлық оқу түрлерінің студенттері үшін. Дәрістер жинағы. – Алматы: АЭжБИ, 2007. – 38 б.

        

         Дәрістер жинағында диэлектриктерде, жартылай өткізгіштерде, өткізгіштерде магниттік заттарда электрмагнит өрісінің әсерінен болатын негізгі физикалық құбылыстар көрсетілген. Материалдарды топтастыру және олардың физика  -химиялық, механикалық, электрлік мінездемелері және пайдаланылатын салалары туралы мағлұматтар берілген.

         Без. 8, кесте. 1, әдеб. көрсеткіші. – 7 атау.

  

         Пікірберуші: техн. ғыл. канд., проф. Р.М. Шидерова.

  

         «Алматы энергетика және байланыс институтының» коммерциялық емес акционерлік қоғамының 2008 ж. баспа жоспары бойынша басылады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

               Ó «Алматы энергетика және байланыс институтының»КЕАҚ, 2008 ж.

Кіріспе

 

«Электроникалық материалтану» пәні электр магнит өрісінің әсерінін заттарда өтетін негізгі физикалық құбылыстарды, материалдардың сипатта-масын, олардың өндіріс технологиясын оқытады. Қазіргі уақытта мағынасы зор. Бұл мәселе электротехниканың жалпы дамуына сәйкес. Жаңа бұйымдарды өндіру осымен байланысты.

Қазіргі деңгейдің проблемасы - жаңа талаптпрға сай, сапасы өте жоғары электротехникалық заттарды шығару.

Бұлар жоғары жылулыққа төзімді майысқақ полимерлер, жұмыс кезінде сенімді жартылай өткізгіштер, форромагнетиктер, магниттік мінездемелері жоғары ферриттер, асқын өткізгіштер.

Бакалавр дайындайтын бағдарламаға «Электротехникалық материалтану» курсын енгізу себебі қазіргі заманғы электротехниканы жоғарғы сапалы материалдармен қамтамасыз ету.

 

1 Дәріс Негізгі түсініктер. Электротехникалық заттарды топтастыру

 

Дәрістің мазмұны:

- электротехникалық материалдарды топтастыру.

 

Дәрістің мақсаты:

- электротехникалық материалдардың қазіргі классификациясын оқып білу.

 

1.1 Электр материалдардың негізгі түсінігі. Топтасуы

 

Электротехникалық материал деп электр магниттік өрісте белгілі сипаттармен иінезделедін және техникада сол сипаттарға сай қолданылатын материалдарды айтамыз. Электр өрісіндегі мінездемелері бойынша материалдар мынандай түрлерге бөлінеді: диэлектриктер немесе электр оқшаулайтын материалдар; жартылай өткізгіштер, өзгерткіштер. Ал магниттік өрістегі мінездемелері бойынша материалдар диамагнетиктерге, прамагнетиктерге және ферромагнетиктерге бөлінеді.

Электр өрісінде материалдарды мінездейтін физикалық тұрақты шама – ол меншікті электр кедергісі , ал магниттік өрісте – магниттік өтімділік (). Диэлектриктер деп, меншікті кедергісі () өте жоғары болатын заттарды айтамыз. Олар электр оқшаулағыш ретінде қолданылады. Олардың мақсаты – электр тізбектегі бір - бірінен ажырату және өткізу. Бірқта, тоқ жүрмейтін заттарды тоқ жүретіндерден оқшаулау. Конденцаторларда диэлектриктер электр сыйымдылығын тудыру үшін қолданылады. Активті диэлектриктер жай диэлектриктен өзгеше, олардың сипаттамаларын реттеуге болады. Бұл заттармен электр сигналын өндіру, ұлғайту, модуляциялауға, өзгертуге болады.               Активті диэлектриктерге жататындар, лазерлер мен мазерлардың материал-дары, сегнетоэлектриктер, пьезоэлектриктер, электроптикалық және қисық-сызықты оптикалық материалдар, электреттер т.б.

Жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі () кернеумен, температурамен,  жарық-тықпен, т.б. факторлармен реттеледі және өзгертіледі. Ол материал-дардан диодтар, транзисторлар, фоторезисторлар және де басқа жартылай өзгерткіш аспаптар жасалынады.

Өткізгіштер электор тоғын өткізу үшін қолданылады. Олардың меншікті кедергісі () төмен. Өткізгіштерге меншікті кедергісі төмен (кирогенді) температурада өте аз болып төмендейтін асқын өткізгіштер мен крио өткізгіштер және кедергісі жоғары резисторлар мен қыздыратын элементтер жатады.

Магниттік материалдарға магниттелу қабілеті бар заттар жатады. Кейбір заттар магниттік өрістің жұмысы аяқталғаннан кейін магниттелгенін сақтайды. Олар да магниттік заттарға жатады. Бұл заттардан индуктивті катушканы және трасформаторлардың өзектерін, электр машиналардың магниттік жүйелерін, информацияны есте сақтайтын құрылғыларды, тұрақтымагниттерді және т.б. бұйымдарды жасайды.

 

1.1 Заттардың құрлысының негізі. Химиялық байланыстардың типтері және олардың материал мінездемелеріне әсері

 

Әртүрлі химиялық байланысты заттардың электрлік және басқа сипаттарының бір-бірінен айырмасы зор. Заттардың бөлшектерінің мынандай-химиялық байланыстары бар: иондық, атомдық (немесе коваленттік), металл-дық және молекулярлық.

Иондық байланыстар қарама - қарсы зарядталған иондардың Кулон тартымдары арқылы байланғандар. Бұл байланыстар құрамында қарама – қарсы белгілі иондары бар аноганикалық диэлектриктерде өтеді.

Атомдық (коваленттік) байланыстар деп әр атомнан бір  бір валенттік-электроннан қосылып шығарылған байланысты айтамыз.

Металдық байланыстар деп металдардың оң зарядталған иондарымен атомдардан үзілген бір топ валенттік электрондардың арқасында жүретін байланыстарды айтамыз. «Электрондық газ» металдардың кристалдық құрлысына цементтейтін (қатыратын) әсер көрсетеді де, металдардың электр және өткізгіштіктерін анықтайды.

Басқа молекулалардың ішіндегі қарама – қарсы белгіленген зарядтардың электростатикалық тартылуының арқасында байланған байланыстарды молекулалық байланыстар дейміз. Олар Ван-дер-Ваальс күші. Мұндай байланыстар ішкі молекулалар коваленттік байланысқан кейбір заттардың молекулаларының арасында болады. Молекулалардың бір –біріне таратылуы, көрші молекулалардың валенттік электрондарының қозғалысы шарттас болғанда өтуі мүмкін. Бұл заттардың молекулярлық байланыстары әлсіз болғандықтан, олардың құрамы молекулалардың қызу қозғалысында жеңіл бұзылады және балқу температурасытөмен болады.

1.2                      Заттардың агрегаттық күйі

 

Агрегаттық күйі бойынша электротехникалық заттар қатты, сұйық және газ тәріздес болады. Қатты денелердің формасы серпінді, олар бір қалыптытемпературада формасы мен мөлшерін сақтайды.

Қатты денелер өткізгіштерді, диэлектриктерді, жартылай өткізгіштерді, пьезоэлектриктерді, сегнетоэлектриктерді, магниттік заттарды жасап шығару үшін қолданылады.

Сұйық денелер, бір жағынан белгілі көлемі бар, ал екінші жағынан белгілі формасы жоқ. Бірінші жағдайы оларды қатты денелермен, екіншісі – газдарға жақындатады. Сұйықтардың ең маңызды ерекшелігі молекулалар аралығы қатты әрекеттестігінде (атм.-1судың қысылу коэффиценті). Сондықтан сұйық денелерді қысу өте қиын. Сұйықтардың ішіндегі қысым барлық бағыттарды біркелкі таралады (Паскаль заңы).

Ең көп таралған, бөлшектері бір – біріне әсер ететін күйі әлсіз болатын заттарды газдар деп атаймыз. Соның әсерінен, сыртқы қысатын күш болмаған кезде, газдар бос көлемді еркін толтырып, бір тығыздыққа ие болады. Бұл               3 негізгі агрегатты заттардың күйінен басқа сұйық және қатты заттардың арасында өтпелі агрегаттық күйі: балауыз типті заттар, парафиндер, гудрондар және т.б. және сұйықтықпен газдардың арасында: сұйықтың булар болады.

 

1.3 Қатты дененің аморфты және кристалды структуралары

 

Структурасы бойынша, қатты денелер монокристалды, поликристалды, аморфты және аралас болады. Аморфты күй дегеніміз – қатты дененің изотропты болуы. Бұл жағдайда заттың сипаттамалары әр бағытта бірдей және балқу температурасының нақты нүктесі жоқ.

Кристалды структура элементарлы кристалды бөлшектерден тұрады. Кристал – біртектес анизотропты көп қырлы дұрыс дене. Бұл дененің ішіндегі атомдар дұрыс реттелуімен сипатталады және бірдей элементарлы қайта – қайта кездесетін бөлшектерден құралады. Электрлік және магниттік мінездемелері кристалдардың түрлі тораптарында әр түрлі. Кристалды заттардың құрлысы-ның «дефектері», ерекше физикалық қасиеттерді анықтайды және әр-түрлі материалдар мен аспаптарды алу үшін қолданылады. Кристалды қатты заттардың дефектеріне кристалды торлардың электростатистикалық өрісінің қандай да болса бұзылуы жатады.

 

1.4 Электротехникалық материалдардың қатты денелердің зоналық теориясы бойынша топтасуы.

 

Электр қасиеттеріне тәуелді барлық заттар диэлектриктерге, өткізгіштерге немесе жартылай өткізгіштерге жатады. Олардың айырмашылығы қатты заттардың зоналық теориясының энергетикалық диаграммасы көмегімен көрсетуге болады. Осытеория бойынша барлық атомдар белгілі бір энергетикалық күйде немесе бір деңгейде болады. Қалыпты күйде осы денелердің кейбір бөлшектері қоздырылмаған электрондарментолы, кейбір бөлшектерде электрондар тек қана сыртқы факторлардың әсерінен ғана пайда болады. Қатты денелерде жеке энергетикалық деңгейлерден біртұтас жолақ пайда болады, ол энергетикалық деңдейлердің зонасы деп аталады. Бұл зоналар үшке бөлінеді: 1- шісі электрондардан бос зона; 2- шісі электрондардың өтуіне тыйым салынған зоная; 3–шісі электрондармен толтырылған зона. Сонымен, диэлектрик деп тыйым салынған зонасы өте үлкен жай жағдайда электрондық өткізгіштік байқалмайтын заттарды атаймыз. Ал тыйым салдырылған зонасы жіңішке, электрондар сыртқы факторлардың арқасында толтырылған зонадан бос зонаға өтуі жеңіл болатын заттарды жартылай өткізгіштер дейміз. Өткізгіш заттардың тыйым салдырылған зонасы жоқ, олардың тотырылған зонасымен бос зонасы түйісіп тұр, сондықтан электрондар кедергісіз бір-біріне өте береді.

 

1.5                        Магниттік қасиеттері бойынша заттардың топтасуы.

 

Магниттік қасиеттеріне қарай заттарды диамагнитті, парамагнитті жәнеферромагнитті болып бөлінеді.

Диамагниттерге магниттік өтімділігі ()< 1 болған заттар жатады. Олардың магниттік өтімділігі магнит өрісінің кернеулігіне () тәуелсіз. Прагмагнит-тердің магнит өтімділігі () 1-ге тең немесе сол мөлшерге болады да, ()- қа тәуелсіз келеді. Ферромагнетиктер (магнитті заттар) – магниттік ()<< 1 болса, салыстырмалы магнит өтімділігі () магнит өрісінің кернеулігіне () тәуелті заттар. Материалдардың магнитті қасиеттері элементарлы шеңбер тоқтары болып келетін, электр зарядтардың ішкі формаларымен анықтплады. Классикалық ферромагнетиктерге темір, никель және олардың балқымалары жатады.

Магнитті заттар үш топқа бөлінеді: магниттік жұмсақ заттар, магниттік қатты заттар және арнайы магнит заттар.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 дәріс.  Диэлектриктердегі физикалық процестер.

 

Дәрістің мазмұны:

-         диэлектриктердің өрістенуі, олардың сандық мінездемелерімен   

өтімділігі.

 

Дәрістің мақсаты:

      диэлектриктің  өрістенуі және оның электр өтімділігімен байланысты оқу.

 

Әрбір диэлектрикте, электр кернеуінің арқасында болатын, ең негізгі процесі – диэлектрикте өрістенуі - кедергілі зарядтардың шектелген ығысу немесе дипольды молекулалардың өріспен бағыттасуы.

Өрістенудің әсерінен диэлектриктерде болатын құбылыстардың диэлектрик өтімділігімен анықтауға болады, ал егерде өрістенуге қоса диэлектрикті қыздыратын қуат серпілісі қабаттасса, онда диэлектриктің шығынымен анық-талады. Аздаған диэлектрикті тесіп ішімен не сыртымен өтетін тоқ та техникалық диэлектриктерді қыздырады. Ол тоқ заттың бейнесіндегі еркін электрондар мен иондпрдың әсерінен пайда болады.  Сонымен, техникалық диэлектриктерде электр өткізгіштік құбылыстар болады. Бұл қасиеттерді анық-тайтын меншікті беттік не көлемдік кедергілер.

Әрине әрбір диэлектрикті шек мағынасынан аспайтын кернеуге дейін пайдалануға болады. Ол кернеудің мағынасы түрлі - түрлі заттың табиғатына және басқа факторларға байланысты. Егерде өрістің кернеуі осы шек мағына-дан асып түссе, онда диэлектрик мүлдем тесіледі де ол тоқ өткізбейтін қасиетін жоғалтады. Тесіп ету болған кездегі кернеудің мәнін тескіш кернеу (Uт) деп атауға болады, ал соған сәйкес біртұтас сыртқы электр өрісінің кернеулігін – диэлектриктің электр беріктігі дейміз (Е).

 

2.1 Диэлектриктің өрістенуі және оның электр өтімділігімен  байланысты

Барлық диэлектриктер байланысқан электрлік зарядтарға ие: автомдардың сол зарядталған электрондық қабыршықтары және оң зарядтталған атомдық ядролар. Электр өрісіне диэлектриктер қосылмаған кезде осы зарядтар концентрикалық күйде орналасқан, сондықтар атомдар электрлік нейтралды.

Электр өрісінің (Е) әсерінен диэлектриктегі бөгелмелі электр зарядтар әсер еткен күштің бағытымен ығысады. Ол ығысудың шамасы өріс кернеулігінің мөлшерімен байланысты. Егер электр өрісінен ажыратса, онда жаңағы зарядтар өз қалпына қайтадан оралады да, қайтадан оралады да, қайтадан атомдар электр нейтралды болады. Дипольды молекулалар немесе полярлы диэлектриктер, электр өрісінің арқасында өріспен бағыттасады. Егерде өрістен сондай диэлектриктерді ажыратсақ, жылулық қозғалыстың әсерінен дипольдар бейберекет болып бағытын жоғалтады. Диэлектриктер зарядтарының көбісінің ығысуы өріс-тің кернеулігімен сызықты байланысады. Өрістену негізгі екі үлкен топқа бөлінеді.

Біріншісіне - лезде, серпімді, электр қуатын шашыратпай, диэлектрикті жылытпай өтетін өрістенулер жатады. Олар электрондық және иондық өріс-тенулер, нәтижесінде ығысу тогы (Iығ) пайда болады.

        Электрондық өрістену атомдар мен иондардың электрон қабыршығының деформациясы және серпінді ығысуы арқасында пайда болады. Бұл өрістену диэлектриктің құрамымен агрегаттық күйіне қарамай барлық диэлектриктерде 10-15 сек ішінде өшеді де, сыртқы қуаттың шығынына әсер етпейді. Қоршаған ортаның жылулығына да тәуелсіз, бірақта термиалық ұлғаюдың әсерінен өзіндік көлемінің ішінде атомдардың саны азаяды деп, өрістену де азайған сияқты көрінеді. Бұл көрінудің түрі тек қана полярлы емс диэлектриктерге сәйкес.

Электрондардың ығысуы серпімді болады, электр өрісін алып тастағанда, электрондар бұрынғы қалпына келеді.

Иондық өрістену- құрамы иондық қатты денелерде өтеді. Өрістенудің бұл түрі серпінді байланысқан иондардың өз орнынан ығысқанымен шарттасады, өтетін уақыты 10-13  сек арасында, қуат шығынын шығармайды. Иондық өрістенудің мәні - сол зарядты иондардың өріске қарсы қозғалуында, ал оң зарядты иондардың өріспен бағыттасуында. Серпімді иондық өрістену практикалық жиілікке байланысты емес /жиілік спектрінін инфрақызыл торауына дейін/.

Екінші тобына, баяу ағатын, ұлғаюы да, кемуі де ақырын болатын, диэлектрикті қыздыратын қуаттың сейілуі бірге жүретін, өрістенуді жатқызамыз. Оларды релаксациондық өрістену дейміз. Ол тобқа жататындар: дипольды - релаксациондық, ионды – релаксациондық, электронды – релакса-циондық, спонтандық, резонанстық, миграциялық, жоғары вольттық және қалдық өрістенулер. Осы өрістенулердің арқасында диэлектрикте активті және реактивті ток (Iа  абс., Iр  абс.) жүреді. Ол токтардың аты абсорбциялық токтар. Техникалық диэлектриктерде баяу өтетін өрістенулер 1 мин уақыт арасында бітеді, электр өрісінің қуатын шығындатады, өйткені диполдар өріспен бағыт-тасу үшін тұтқыр ортаның кедергісін басып өту керек. Эквиваленттік схемада мұндай өрістенуді сыйымдылық пен активті кедергіні тізбектеп қосады.

Полярлы диэлектриктердің өтімділігі температураға және жиілікке байланысты.

Ерекше топқа сегноэлектриктер жатады. Сегноэлектрик деп, белгілі бір температурадан төмен, немесе белгілі температура аралығында сыртқы өріс жоқта өздігінен өрістеніп тұратын заттарды айтамыз/ спонтанно- самопроиз-вольно - өзінен - өзі/, олардың электр ығысуы кернеуліктің өзгеруімен қисық сызыққа тәуелді. Ондай байланыс бірінші рет сегнет тұзында байқалған, сондықтан осы топқа сәйкес келетін диэлектриктерді «сегнетоэлектриктер» дейміз. Осындай диэлектриктердің бір түрі – барий титанаты BaTiO3, оның кристалдары бөлек-бөлек бөлшектерден (домндерден) тұрады. Әрбір доменнің ішінде электрлік моменттер бір жаққа қарай бағытталған. Егер кристалды электр өрісіне енгізсек, онда электрлік моменттер өріспен бағыттала бастайды. Осының нәтижесінде кейбір домендердің өсуі басталады, домендердің арасындағы шекаралар ығысады да, бір мезгілде доиендердің бәрі бір тұтас электрлік дипольге ұқсайды. Сонымен, сегнетоэлектриктердің ерекшелігі сол сыртқы өріспен өзіндік байланыста болады.

 

2.2 Диэлектриктердің өтімділігі

 

Диэлектрлік өтімділік () – заттан қандай сыйымдылық алуға болатынын және өрістенудің дәрежесін көрсетеді. Диэлектрик өтімділігінің () макроскопиялық шамасымен диэлектриктердің өрістену дәрежесі анықталады.

                                                                                                                    (2.1)

мұнда С – диэлектрик толтырылған конденсатор сыйымдылығы;

С0 - электродтардың арасында вакуум бар конденсатордың сыйымдылығы. Ал, конденсатор дегеніміз екі жағына электрод қосқан диэлектрик. Электр өрісінде конденсатордың заряды болады

 

                                                                                                                     (2.2)

мұнда С – сыйымдылық;

U – кернеу. Белгілі кернеудің мағынасы конденсатордың заряды, немесе электр мөлшері

                                                                                                               (2.3)

мұнда – электродтардағы заряд егерде электродтардың арасында болса вакуум;

 - өрістенген диэлектриктің заряды.

Сонда  .                                                               (2.4)

Әрбір заттың диэлектрик өтімділігі «1»-ден көп болуы керек.

Жоғарыда көрсетілген (2.2) теңдікті былай деп көрсетуге болады

                                                                                                (2.5)

мұнда С0 - электродтардың арасында вакуум бар конденсатордың сыйым-дылығы.

Диэлектриктің өтімділігі заттың табиғатымен және сипатымен байланысты. Құрамы күрделі қатты диэлектриктердің диэлектрлік өтімділігін (компоненттердің қоспалары) ығысуы логарифмдік заңының негізімен анықтауға болады.

                                                                                                   (2.6)

мұндағы    ,  - жеке компоненттердің диэлектрлік өтімділігі;

θ1, θ2 – компоненттердің көлемдік мөлшері;

х – компоненттердің диэлектрикте бөліп тарату тұрақтысы, мағынасы (+1)-ден (-1)-ге дейін, жалпы .

Диэлектриктен құрастырылған конденсатордың сыйымдылығы және онда жиналған зарядтар, өрістенудің түрлі-түрлі механизмдеріне шарттас келеді.

Полярлы емес нейтралды диэлектрик өтімділігі () онша үлкен емес және өрістің жиілігімен байланысты емес, ал температура ұлғайған сайын ( ) азаяды.

 Иондық диэлектриктерде температураны көбейткенде, иондық байла-ныстың әлсіреуінің арқасында өрістену өседі, осының әсерінен иондық диэлектрик-тердің () аз мөлшерде ұлғаюы мүмкін, немесе иондық өрістену электрондық өрістенумен қабаттасқанда () кемуі де мүмкін.

Полярлы диэлектриктерде жиілікті өзгерткен кезде () басында тұрақты болып тұрады, себебі өрістің полярлығын ауыстырған кезде дипольдар орын ауыстырып үлгереді. Ал, барынша үлкен жиіліктерде дипольдық молекулалар өрістің бағытына қарай ауысуға үлгермейді, бағытталуы әлсірейді де, () азаяды. Сол мезгілде, жиіліктің өте жоғарғы санында, электрондық өрістену ғана байқалады. Температура өзгерген сайын өзінің ең жоғарғы шегіне жетеді де, сонан соң максимумнан өткеннен кейін азая бастайды. Төменгі темпе-ратураларда  электрондық өрістену арқылы ғана анықталады. Температура ұлғайған сайын, дипольдардың тербелу амплитудасы көбейеді де бір тепе-теңдік қалыптан, екінші тепе-теңдік қалыпқа өтіп кету мүмкіндігі туады. Температура үлкейген сайын өту уақыты азаяды. Сондықтан белгілі бір темпе-ратура мен жиілікте электр өрісіндегі диэлектрик өтімділігі максималды /шек/ мағынасына жетеді. Әрі қарай температураны көбейткенде, жылулық қозғалыстың деформациялық күші релаксациялық өрістенуге әсер етеді де, () кеми бастайды. Ал жиілікті көбейткен сайын () жоғарғы шегі үлкен температуралар жаққа қарай ығысады.

Электр өрісімен бағыттасқан дипольдардың, өрісті алып тастағаннан кейін, жылулық қозғалыстың арқасында, қайту уақыты бастапқы қалыптан            2,7 есе айырмашылықтан қалған азаю уақытын  релаксация уақыты () дейміз.

Ерекше топқа сегнетоэлектриктер жатады, олардың электр ығысуы кернеу-ліктің өзгеруімен қисық сызыққа тәуелді. Ондай байланыс бірінші рет сегнет тұзында байқалынған, сондықтан осы топқа сәйкес келетін диэлектриктерді «сегнетоэлектриктер» дейміз. Спонтандық өрістену белгілі ең жоғарғы темпе-ратураға дейін сақталады, оны Кюри нүктесі дейді. Диэлектрик өтімділігі () өте жоғары мәндерге ие болады /1000-ға дейін\. Бұл материалдардың (), өріс кернеулігінен сызықсыз байланыстылығымен сипатталады. Бір кезде, домен-дердің электр моментерінің бағытталуы қанығады. Техникада сегнетоэлектрик-терден сиымдылығы айнымалы конденсаторлар (варикондтар) жасайды. () тәжірибе жүзінде анықталады.

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Дәріс. Диэлектриктердің электр өткізгіштігі. Дэлектрлі   шығындары

 

Дәрістің мазмұны:

     - диэлектриктердің электр өткізгіштігі;

     - диэлектрлі шығындардың мінездемелері.

 

Дәрістің мақсаты:

     - диэлектрлі шығындар мен электр өткізгіштікті оқып білу.

 

3.1 Диэлектриктердің электр өткізгіштігі

 

Диэлектрик бойында өрістену процестері біткеннен кейін тек өткінші ток қана ағады. Диэлектриктің өткізгіштігін өлшегенде өрістену токтарды бірге қарастырған жөн, себебі жоғарғы айнымалы кернеуде өте аз уақыттың ішінде, бұл диэлектриктен тек қана өткізгіш ток емес жәнеде ығысу мен абсорбция токтары жүруі мүмкін. Тұрақты кернеуге қосқан диэлектриктің өткізгіштігі өткінші токпен ғана анықталады. Жалпы тұрақты кернеуде диэлектриктен өтетін өткінші ток екі түрлі токтан құралады.

                                                                                                              (3.1)

мұнда – көлемдік ток;

 – беттік ток, А;

Сонда диэлектриктің өткізу қабілеті () /проводимость/

                                                                                                                    (3.2)

мұнда  – кернеу, В;

                                               ,     ,                                   (3.3)

мұнда , – диэлектриктің көлемдік және беттік өткізу қабілеті.

Өткізу қабілетінің кері шамасын ток өткізбейтін заттың электр кедергісі (R) дейміз; көлеміне сәйкес кедергіні– , бетіне сәйкес кедергі–.

Сонда жалпы

                                             .                                                             (3.4)

Сонымен өткінші тоқты анықтайтын диэлектриктің кедергісі мына формуламен есептеледі

                                                                                               (3.5)

мұнда  – қарастырылып отырған ток, А;

 – берілген кернеу, В;

– жәй ағатын өрістену токтарының қосындысы.

 Жәй ағатын өрістену токтарының мөлшері 1 минуттың ішінде бітеді, сондықтан өткінші ток (Iөт) өлшеу үшін диэлектрикті 1 минут кернеуде ұстап, жалпы диэлектриктен өтетін тоқты өлшейді де кедергіні кернеудің сол токқа қатынасы арқылы есептейді. Қатты электр айыратын заттардың көлемдік және беттік электр өткізгіштігін жеке қарастыру керек. Әр түрлі заттарға салыстырмалы баға беру үшін меншікті көлемдік кедергі ρк мен меншікті беттік кедергінің ρб мәндерін табу керек. Жазық заттың біртекті электр өрісінде меншікті көлемді кедергісін мына формуламен есептейміз.

                                                      (Ом ·м)                                               (3.6)

мұнда - меншікті көлемдік кедергісі, (Ом*м);

- көлемде өлшеп алған жалпы кедергі ( Ом);

-  электродтың ауданы, (м2);

-  қалыңдық (м).

Меншікті беттік кедергіні мына формуламен есептеуге болады.

                                                     (Ом)                                                    (3.7)

мұнда - бір-бірімен  қашықта параллель қойылған / жалпақтығы / электр-одтардың арасындағы өлшеп алынған беттік кедергі.

Сонда меншікті беттік және көлемдік өткізу қабілетін мына формулалармен есептеуге болады

  

                                                    ,                                               (3.8)

                                                    .                                       (3.9)

 


                                c            d2


 

 


 


                                  d4                    B

                                                    

3.1 Сурет- Беттік және көлемдік өткізгіштерді анықтайтын, үш электродтық диэлектрик

 

                                   ρ=Rб·π(d1+d2)/ (d1-d2)(Ом),                                   (3.10)

                                   ρк=Rк·S/h   (Ом*м).                                                  (3.11)

Бұл суретте: А – жоғары вольтты электрод;

В – жермен жалғастыратын электрод;

С – қоршау сақинасы; d1, d2, d3, d4  - диаметрлер.

Егерде кедергісін өлшейтін зат коксиалды цилиндр болса

 

                                   ρ=2· π·R/ln(d2/d1) (Ом)                                            (3.12)

мұнда d1, d2 екі /ішкі және сыртқы/ цилиндрдің диаметрлері.

  Электрайыратын заттардың электр өткізгіштігі берілген заттың күйімен         (газ, сұйық не қатты) сипатталады. Одан басқа да қоршаған ортаның ылғалды-лығымен, температурасымен, электр өрісінің кернеулігінің мәні және түрімен тағы басқа факторлармен байланысты болады. Газ сияқты диэлектиктерде, электр өткізгіштік сыртқы факторлардың әсерінен (түрлі-түрлі сәуле шығару т.б себептер) газдың иондануымен анықталады. Ионданудың нәтижесінде бос ток тасымалданушылары пайда болады, олар- иондар мен электрондар. Электр өрісінің кернеулігі 0,1-1 В/см болғанда газдарда ток бір қалыпқа жетіп қанығады. Ол тоқты қанығу тоғы дейміз. Ал одан жоғары кернеулікте еркін электрондардың лек-лек пайда болуы байқалады, айтқандай пәрменді иондану басталады. Сұйық диэлектриктерде электр өткізгіштік иондық болып  сипатталады, әріде полярлы сұйықтардың электр өткізгіштігі полярлы емес сұйықтарға қарағанда үлкен болады.

Қатты диэлектриктерде электр өткізгіштігі әлсіз өрістерде иондық болып сипатталады.Электр өткізгіштің мәні температура өзгерген сайын ток тасымал-даушылардың концентрациясының өзгерумен де олардың қозғалысымен де анықталады. Күшті электр өрістерінде /105-106 В/см-дан жоғары/ диэлектрик-тердің электр өткізгіштігі электрондық болып табылады.

 

3.2 Диэлектриктішығындардың негізгі мәліметтер

 

Электр өрісінің арқасында диэлектрикте уақыт бірлігінде сейіліп, диэлектрикті қыздыратын қуатты диэлектрлі шығын дейміз. Диэлектрлі шығыны айнымалы да, тұрақты да кернеудің арқасында өтеді, себебі тұрақты кернеудің әсерінен диэлектрикте өткінші ток пайда болады. Бұл ток активті, диэлектрді қыздыратын ток, диэлектрлі шығынды анықтайтын негізгі ток. Тұрақты электр өрісіне қарағанда айнымалы электр өрісінде диэлектриктік шығын жоғары. Айнымалы кернеуде өткінші токтан басқа диэлектрдің шығынын шығаратын себептер бар. Олар: поляризация процестері, иондану, үлкен кернеуде диэлектриктің ішіндегі өтетін прцестер, заттардың құрамы бір текті еместігі. Техникада диэлектрлі шығындар диэлектрлі шығындардың бұрышымен мінезделеді, немесе осы бұрыштың тангесіне тең.Идеалдық конденсаторда тоқ кернеуден 900 озып отырады. Егер энергияның шашырауы болған жағдайда тоқ пен кернеу арасы 900 аз, ол бұрышты фазаның ығысу бұрышы (φ) дейміз. Диэлектрлі шығындардың бұрышы деп ток пен кернеудің арасындағы фазалардың ығысуын 900- қа дейін толықтыратын бұрышты (δ) айтамыз. Диэлетриктен өтетін токтардың векторлық диаграммасын салғанда Iығ, Iр арб – реактивті ток құрастырушылары, ал Iаабс, Iк + Iб= Iөт бұлар активті тоқ құрастырушылар (сурет 3..2) Диэлектриктегі энергияның шашырау қуаты мына формуламен анықталады.

                                                         Рдп= U2·ω·C· tgδ                                  (3.13)

мұнда U- кернеу, В;

ω=2πf – шеңберлік жиілік;

С- сыйымдылық, Ф. Гц;

tgδ- диэлектрлі шығындар тангенсі.

Диэлектрлі шығындардың табиғаты әртүрлі. Бұл шығындарға себеп болатын – материалдардың өрістенуі, электр өткізгіштері, үлкен кернеуде диэлектриктің ішіндегі өтетін процестер, заттардың құрамы бір текті еместігі.

Полярлы емес диэлектрикте өріс диэлектрлі шығындарға әсер етпейді, шығындар электр өткізгіштікпен сипатталады.

Іа абс   Іµт= ­Ікб

 


Ір абс                І

δ


Іыѓ           φ               U

3.2 Сурет- Диэлектриктердегі тоқтардың векторлық диаграммасы

                                                            tgδ = Ia/ Ic                                                                  (3.14)

мұнда Ia – тоқтың актив құраушысы;

      Ic – тоқтың реактив құраушысы.

Осыларға қарай шығындардың мынадай түрлері болады: релаксациондық, электр өткізгіштік, ионизациялық, құрамы әр текті заттағы шығындар.

Электр өткізгіштік экспонента арқылы температурамен байланысқандықтан температура жоғарылаған сайын tgδ - да экспонентамен өседі және де жиілік көбейген сайын tgδ азаяды. Жылулық қозғалыспен байланысқан дипольді – релаксициондық өрістену дейміз. Температура жоғарылаған сайын диполь-дардың бір тепе-теңдік күйден екіншісіне өтуіне кететін электр өрісінің энер-гиясы жұмсалған сайын tgδ өседі. Бұл процесте дипольдардың саны неғұрлым көбейген сайын, солғұрлым tgδ жоғарылайды. Интенсивті жылулық қозғалыс-ының әсерінен дипольдар бір жағдайдан екінші жағдайға өтеді, сол кезде tgδ төмендейді. Бұл жылулық қозғалыстың энергиясы температура өскен сайын көбейе береді де электр өрісінің тарауы азаяды. Сосын температураға қарай tgδ қайтадан өседі, бұл көбеюі электр өткізгіштікпен байланыс. Ал жиілік көбейген сайын tgδ - ның максимумы жоғары температураға қарай ығысады.

Ионизациялық шығындарда tgδ кернеудің белгілі бір мәнінен бастап өсе бастайды да максимум мәнге жетеді. Ионизациялық диэлектрлі шығындар газдың изоляция мен қатты дене арасында газ қосқышы бар заттарда байқалады.

Сегнетоэлектриктердің диэлектрлі шығындары спонтандық өрістену арқылы түсіндіріледі. Сегнетоэлектриктердің жасалған конденсатордың электр-одтарында зарядпен кернеудің қатысында электрлік гистерезис байқалады. Бұл шығындардың шамасы гистерезистік ауданымен сипатталады.

Құрамы әртекті, күрделі заттарға жататын: негізі қағаз немесе мата қатқабат пластиктер, пластмассалар, саңлаулы керамика, ақықтың туындылары – мика-нит, микалекс. Бұл заттардың құрамы күрделі болғандықтан диэлектрлі шығынның мөлшерін санайтын жалпы формула болмайды. Диэлектрлі шығынмен диэлектрик өтімділігін тәжірибе бойынша табады.

4       Дәріс. Диэлектрикті электр өрісімен тесіп өту. Электрлік                      

беріктікті анықтаудың тәсілі

 

Дәрістің мазмұны:

- диэлектрикті электр өрісімен тесіп өту;

- газдарды тесу;

- сұйық диэлектрикті тесіп өту;

- қатты диэлектриктерді тесіп өту;

- электрлік беріктікті анықтаудың тәсілі.

 

Дәрістің мақсаты:

- диэлектриктерді тесіп өту мен электрлік беріктікті анықтау;

- электлік беріктікті анықтаудың экспериментті тәсілін үйрену.

 

4.1 Диэлектрикті электр өрісімен тесіп өту

 

Электр өрісіне қосқан диэлектиктің электродтарының арасындағы потенциалдар айырымы белгілі мәнге жеткенде, диэлектрикті тоқпен тесіп өтеді. Сонда диэлектрик тоқ өткізеді және электр тізбегінен айыратын қасиетін жоғалтады. Тесіп өткен кездегі кернеу- тескіш кернеу  (Uт). Бірыңғай өрістегі электр беріктігі тескіш кернеулікке (Ет) тең. Ол мына формуламен есептеледі

 

                                                            Ет =Ut/d    (В/м)                                          (4.1)

мұнда Ut – тескіш кернеу;

d – қалыңдық, не болмаса екі электродтың арасы.

Газдарды тесіп өту фотонды және пәрменді соқпа ионданулармен анықталады. Сұйық заттар жылулық ионизация процестердің арқасында өтеді. Қатты денелерді тесу үшін электрлік процестермен жылулық процестер бірге жүру керек, осы процестердің қуаты өте жоғары болады.

 

4.2 Газдарды тесу

 

Газдарды азғана ғарыш сәулесінің, жер бетінің радиоактивтігінің әсерінен бір секунд ішінде көлемі 1см3 –де 10÷20 бос электрондар, оң және теріс иондар пайда болады. Олар бейтарап молекула сияқты, бейберекетсіз жылулық қозғалыста болады. Өріс әсер еткеннен кейін жаңағы бөлшектер қосымша жылдамдық қабылдап, өріс бағытымен немесе оған қарама – қарсы қозғала бастайды. Бөлшектердің бағыты олардың зарядының таңбасына байланысты. Сол кезде газдағы бөлшектер қосымша энергияға ие болады

 

                                                            W = qUλ                                            (4.2)

мұнда q – заряд;

U – кернеу;

λ – еркін жүру жолының ұзындығы.

Егерде өрістің тектестігі жеткілікті болса, онда болады да зарядталған бөлшектердің қосымша энергиясы соқтығысқан молекулаларға беріледі.

 

                                                           Uλ = Eλ,                                                       (4.3)

                                                          W = Eqλ                                                       (4.4)

 

Егерде осы энергияның өлшемі үлкен болған жағдайда атомдар мен электрондардың қозуы басталады. Бұл жағдайда электрондардың ядродан біршама жердегі орбитаға көшуімен байланысты, ал кейбірде молекулалардың иондануымен де байланысты болады. Ионизация  /иондану/ дегеніміз молекул-аның оң иондануымен электрондарға немесе оң және теріс иондарға бөлінуі. Иондану шарты: W≥Wн, бұл жерде Wн- жылулық қозғалысты қосып алған молекуланың қосымша энергиясы.

Газдың қысымы және температурасының берілген мәндерінде, өрістің анықталған кернеулігінде пәрменді соқпа иондануы басталады, себебі q мен λ әрбір газдарға тұрақты болады. Бұл өріс кернеулерін ( Еб) бастапқы кернеулік дейміз. Кейбір жағдайларда өрістің әсерінен өтеген электрондар молекуланы ыдыратпайды, бірақ қоздыруы мүмкін.

Келесі жағдайда қоздырылған молекула өзінің артық энергиясынан сәулесін таратып - фотон ретінде шығарады. Фотонды басқа молекула қабылдауы мүмкін соның нәтижесінде сол молекула ионданады. Осындай ішкі фотондық газдың иондануы, сәуле шығару тез өткендіктен, газдың өткізгіш-тігін көбейтеді. Газды тесіп өту құбылысы электр өрісінің тектестігінің дәрежесіне байланысты.

Қалыпты өрісте тесіп өту, температура мен газ қысымына байланысты мағынасы қатаң белгіленген кернеуде өте тез болады. Егерде кернеу көзінің қуаты үлкен болған жағдайда электродтардың арасында ұшқын пайда болады, содан кейін сол ұшқын доғаға ұласады. Қалыпты жағдайда қысым 0,1 МПа, температура 200С электродтардың арасы 1см болса, ауаның электрлік беріктігі шамамен 3,2 МВ/м (32 кВ/см). Газдың электрлік беріктігі көптеген факторлармен байланысты. Біртектес емес өріс кернеулігінің кризистік мәндер-інде тәж тәріздес бөлшектену разрядтар пайда болады, сонан соң кернеулік ұлғайған сайын тәж ұшқынға, ары қарай доғаға айналады. Екі электродтың арасындағы ауа разрядына қарағанда, қатты диэлектриктің бетіндегі ауа разряды (беттік разряд) кішірек кернеуге өтеді. Разрядтық кернеуге электр-одпен диэлектриктің бейнесімен анықталатын электр өрісінің түрі, өрістің жиілігі, диэлектриктің бетінің жәйі, ауаның қысымы, ылғалдығы әсер етеді.

 

4.3 Сұйық диэлектрикті тесіп өту

 

Қалыпты жағдайда сұйық диэлектриктердің газдарға қарағанда, электр беріктігі бірнеше есе жоғарырақ кернеуге өтеді. Кірмелер болғандықтан, бұл заттардың тесіп өту теориясын қалыптастыру қиын. Сұйықтарды электрлік тесіп өту теориясы тек кірмелерден тазартылған сұйықтарға ғана байланысты. Сол электр өрісінің кернеулігінің өте үлкен мәндерінде электродтардан электрондар ыршып (жұлынып) шығуы мүмкін және зарядталған бөлшектердің келіп соқтығуынан, газдардағы сияқты сұйықтың молекуласы ыдырайды.Бірақ газға қарағанда сұйықтардың электрлік беріктігінің жоғарылығы электрон-дардың еркін жолының қысқаруымен анықталады. Газ қосқыштары бар сұйық-тарды тесіп өтуі, сұйықтың бір жерінің қатты қызумен түсіндіріледі, өйткені газдың көбіршіктері сұйыққа қарағанда, өте жеңіл ионданады да, қосымша энергия туғызады. Осы энергияның арқасында екі электродтпрдың арасында газ каналы пайда болады.

Сұйық диэлектриктің электрлік беріктігін азайтатын, оның құрамындағы ылғалдылығы мен температурасы осыларға қосылып электр беріктігін азайта-тын және өрістің түрін өзгертетін қатты түрлі ластар, кірлер. Сұйық диэлек-триктерді осы кірмелерден тазартса, электр беріктігі жоғарылайды.

 

4.4 Қатты диэлектриктерді тесіп өту

 

Қатты диэлектрикті тесіп өтудің бірнеше түрі байқалады: электрлік, электр жылулық, электр химиялық, электр механикалық ионизациялық макроскопия-лық бір текті емес денелерді тесіп өту. Диэлектриктердің электрлік тесіп өтуі туралы көптеген теориялар бар, бірақ олардың бірде - біреуі толық аяқталма-ған. Қазіргі уақытта қатты диэлектриктер құрамында соқпа иондану бар екені туралы сөздер айтылып жүр. Бұл сөздер қатты диэлектриктерде электрлік тесіп өтуін мінездеу үлкен эксперементальды материалға сүйенеді. Егерде диэлек-триктің химиялық қасиеті өзгермесе және жылулық тесіп өтуінің мүмкіндігі болмаса, онда электрлік тесіп өту пайда болады. Электр өрісінің кернеулігі белгілі мәніне жеткенде тоқтың өсуі секірмелі түрде пайда болады да, диэлек-триктің механикалық бұзылуы басталады. Тесіп өтудің электрлік түрі жылулық пен химиялық тесіп өтулерге қарағанда, тесу кернеулігі температурамен әлсіз байланыста болады.

Электр өткізгіштігінің нәтижесінде диэлектрлік шығындар арқасында шыққан жылу қоршаған ортаға берілетін жылудан асып етсе, жылулық тесіп өту пайда болады. Диэлектриктің қызуы электр беріктігінің жоғалуына, материалдың жылуы арқасында бұзылуына әкенліп соғады.

Айнымалы кернеуде жиілік өскен сайын жылулық тесіп өтуінің мүмкіндігі ұлғаяды. Жылулық тесіп өту диэлектриктің электр беріктігінің температура мен қалыңдығының арасындағы қатынасына байланысты.Диэлектриктің қалыңдығы өскен сайын және жылудың шығуына кедергі ұлғайған сайын Еm кемиді. Жылу шығарғыш пен бергіш тең деп қарастырсақ, онда жұмыс істейтін айнымалы кернеудің шамасының мәнін шығарып алуымызға болады. Егерде tgδ – ның температураға қатынасы экспотенциалды заңға сүйенсе, онда

 

                                   P=U2wCtgδ0еα(Т0-Т00)                                               (4.5)

 

мұнда Т0- қоршаған орта температурасы (0С);

tgδ – диэлектриктілік шығындар бұрышы;

Т0 – диэлектрик температурасы (0С);

α – температуралық коэффициент мұны былай да жазуға болады

 

                                   Q=0.24U2w Ctgδ0еα(Т0-Т00).                                    (4.6)

 

мұнда Q – диэлектриктің көлеміндегі жылу.

Электрохимиялық тесіп өту тұрақты және айнымалы жиілігі аз кернеу-лерде, ылғалдылығы жоғары, диэлектриктерде, өткізгіштік өскен жағдайда байқалады. Бұл тесіп өтудің түрі заттарды кернеулердің әсерінен химиялық дестукцияларға әкеліп соғады.

Газдар мен сұйықтар тесілгеннен кейін кернеуден ажыраған соң, молекулалардың жылдамдылығына сай, өздерінің алғашқы сипаттамаларын орынына түсіреді. Қатты денелерде тесілген жерде із немесе тесік қалады. Іздің аты – трекинг. Электр оқшауламаның номиналдық кернеуі ( Uн) тесу кернеуден (Uт) аз болу керек

                                          (Uт) /(Uн) = Кт.                                                              (4.7)

Бұл қатынасты (Кт) электр беріктігінің қоры дейді.

Ұзақ уақытта әсер ететін жоғары кернеулі электр өрісі диэлектрикті тоздыратын процесстерге алып келеді, соның арқасында тесілу кернеу (Uт) төмендейді, оқшаулауда электр тозу байқалады. Бұл жағдайда электр оқшаулаудың жұмыс мерзімі шектеледі. Тесіп өту кернеудің (Uт) кернеу (U) қосылған уақытқа қатынасының қыйсығын электр оқшауламаның өмірінің қыйсығы дейді.

 

4.5 Электрлік беріктікті анықтаудың тәсілі

 

Диэлектриктердің электр беріктігін зерттеу үшін типі АИИ – 70 немесе осындай құрылғылар пайдаланылады.

1 – сұйық диэлектрикті зерттейтін ыдыс; 2,3 – тұрақты және айнымалы кернеуді қосатын нүктелер.

4.1 Сурет – Құрылғының принципиалдық сұлбасы

 

 

 

 

5       Дәріс. Диэлектриктердің химиялық, физикалық және механикалық   

қасиеттері. Диэлектрик заттарға кіріспе. Газ тәріздес диэлектриктер

 

Дәрістің мазмұны:

-  ылғалдылық қасиеттері;

-  механикалық мінездемелері;

-  жылулық қасиеттері, химиялық қасиеттері;

-  жоғары энергияның сәуле шығаруының заттарға әсер етуі;

-  диэлектрик заттарға кіріспе. Газ тәріздес диэлектриктер.

 

Дәрістің мақсаты:

- электротехникалық материалдардың қолдануының таңдалуын есепке алу  

үшін, мінездемелерді оқып үйрену.

 

Қолданылатын диэлектриктерде кейбір факторлардың әсер етуінен оқшау-лау қасиеті бұзылады. Электрооқшауланған материалды таңдап алуда, қалыпты жағдайдағы оның электриктік қасиеттерімен қоршаған ортаның температура-сының өсуі, механикалық қасиеттері, аяз бен радиоактивті сәуле шығару қуатының әсері де қарайды. Электр машиналары мен аппараттар қондырғылар-ды жасағанда олардың физикалық, механикалық қасиеттерін, химиялық және радиацияға төзімділігін де қарастырған жөн.

 

5.1 Диэлектриктердің ылғалдылық қасиеттері

 

Электрлік изоляцияларды қолдануда қоршаған ортаның жоғары ылғалдығы теріс әсер етуі мүмкін, әсер ету дәрежесі гигроскопиялық қасиетіне байланысты. Атмосфералық ауаның құрамында су буының бөлшектері бар. Ауаның абсолют ылғалдылығын су буының 1 см3 ауа көлеміне келетінімен бағаланады. Әрбір температураға белгілі ылғалдылықтың абсолют мәні сәйкес келеді. Ауада су буы сирек келеді, сондықтан ол шық түрінде түседі. Ауаның салыстырма ылғалдылығы деп мына пайызды қатынасты айтамыз.

 

                                  φ=m/mкан·100%=р/ркан·100%.                                    (5.1)

 

Қазақстанда қалыпты ауа ылғалдылғының орнына салыстырмалы ылғалдылықты алады (φ=65% (Т0=200С Р = 760мм сынап бағанасы = 0,1 МПа)).

Су өте полярлы диэлектрик, меншікті кедергісі ( 103 -104 Ом ·м) аз.

Сондықтан қатты диэлектриктер су буының әсеріне түскенде электрлік қасиеттерін төмендейді. Ылғалдылықтың әсер етуі әсіресе тропикалық жағдайларда мол болады. ( Т = 300 -400 С; φ=98-100%).

Ылғал өтімділік деп – электроизоляция материалдардың өзінің бойымен су буын өткізу құбылысын айтады. Электр бұйымдарды қорғайтын  қабықшалар үшін пайдаланатын заттарға бұл мінездеме өте маңызды Қалыңды h белгілі бір беті S оқшаулау заттан су буының екі жақтан қысу айырмасының әсерінен (р1 –р2) t уақытта өтетін ылғалдық мөлшері m тең болады келесі теңдікке

                                      m = П×( p1 – p2) ×S×t/h                                                      (5.2)

 

мұнда П – материалдық ылғал өтімділігі коэффициенті, (с)

Изоляцияланған материалдардың гигроскопиялық ылғал өтімділігін азайту үшін суланбайтын таспалар, қабыршықтар қолданылады

 

5.2 Механикалық мінездемелері

 

Электрооқшауланған материалдардың бөлшектеріне механикалық күштер әсерлейді, сондықтан механикалық мінездемелер практикалық үлкен мәнге ие болады. Үзілу беріктігі, қысуы мен майысу мынандай формулалармен анықталады.

                                                                                           (5.3)

                                                                                           (5.4)

                                                                                        (5.5)

 

мұнда - созылу күші; - қысу күші;

S- кескінің ауданы;

       -қисаюы моменті;

       W –  заттың кедкргі моменті.

Морттық. Көптеген материалдар шартты болып келеді. Ал кейбіреулер статистикалық күштерге төтеп беретін өте берік тілекпен сипатталғанымен динамикалық күштерге тез-ақ морт сынады.

Қатты заттың кішкентай дене арқылы (болаттан жасалған диаметрі 5 мм шар) берілетін күштің қысуына қарсы тұру қабілетін – Бриннель қаттылығы

                                                                                      (5.6)

мұнда D- қатты дененің бетіндегі іздің диаметрі;

        h-іздің тереңдігі.

 

Тұтқырлық. Сұйық және қою электроизоляцияланған материалдар үшін бағалы механикалық мінездеме болады. Динамикалық тұтқырлықты – ішкі үйкеліс коэффициенті  Пуазель немесе Стокс заңдары арқылы анықтауға болады. Пуазель заңы бойынша тұтқырлық капиллярлы қуыс трубкадан ағатын сұйықтардың өту уақытын  сол трубканың тұрақты шамасына (с) көбейтуіне тең

                            (ή=с∙τ), (Ст).                                                                    (5.7)

Стокс заңы бойынша тұтқырлық бір ортада шардың тұрақты күштің әсерінен ығысу жылдамдығына  тең.

                                                                                                 (5.8)

мұнда F-күш;

r- шардың радиусы;

- сұйықтың динамикалық тұтқырлығы.

Кинематикалылық тұтқырлық сұйықтық динамиталық тұтқырлығының  сұйық тығыздығына  қатынасына тең

                                                                                                       (5.9)

СИ системасында тұтқырлықтың өлшем бірлігі

 

5.3 Диэлектриктердің жылулық қасиеттері

 

Қызуға шыдамдылық электроизоляцияланған материалдардың аз немесе көп уақыт бойы өте үлкен температураларға шыдауын қызуға шыдамдылық деп атаймыз. Халықаралық электротехникалық комиссия мен ГОСТ бойынша әрбір электр құрылғыларға жасауға қолданылатын электроизоляцияланған материалдардың қалыпты жұмыс температурасын белгілейді.

 

I К е с т е – Қызу шыдамдылығының класы

Қызу шыдамдылығының класы

 

У

 

А

 

Е

 

В

 

F

 

H

 

C

Ең үлкен жұмыс температурасы,

 

90

 

105

 

120

 

130

 

155

 

180

> 180

 

Изоляцияланған материалды қай класқа жатқызу туралы сұрағы ГОСТ арқылы ғана шешеді. Сұйық диэлектрикті бағалауға келесі мінездемелер: оталу температурасымен, оталғыштық температуралар жатады.

Сұйыққа төзімділік. Суыққа төзімділік деп материалдың өте аз температураларда өзінің электрлік қасиеттерін жоғалтпауын айтамыз. Атауда материалға механикалық қасиеттерін жоғалтпайтын етіп төмен температура беріледі.

Жылу өткізгіштік. Жылу өткізгіштіктің техникалық мәні изоляцияланған материалдарды қоршап тұрған проводтар мен магнит проводтарда және диэлектрлік шығындар арқылы, материалдар арқылы қоршаған ортаға өтіп кетуінде. Материалдардың жылу өткізгіштігі Фурье теңдеуіне кіретін жылу өткізгіштігімен мінезделеді 

 

5.4 Химиялық қасиеттері

 

Диэлектриктер көп уақыт жұмыс істегенде бөлінетін қосалқы заттардың кесірінен бұзылмауы және тиіп тұрған металдарды коррозияға ұшыратпауы керек, әр түрлі заттармен рекацияға түспеуі керек. /газ, су, қышқыл/. Кейбір негіз диэлектриктердің осы жоғарыда айтылғандарға төтеп беруі сұйық пен қатты материалдарда ерігіштік болып табылады. Ерігіштік қаныққан ерітінді концентрациясы ерітіндіге уақытқа байланысты ерітіндімен меншіктігімен бағаланылады.

 

5.5  Жоғарғы энергияның сәуле шығаруының заттарға әсер етуі

 

Қазіргі техникада электроаппаратураны қолдану аз не көп уақыт жоғарғы энергиялы радиоактивті сәуленің әсерінің астында қалуы мүмкін. Бұған материалдардың сәуленің әсер еткендігі орнықты дәрежесін білу, олардың механикалық және электрлік қасиеттерінен сақтап қалады. Радиациялық қарсы тұру болып табылады.Сәуле шығарудың әсері молекулалардың ауысуы мен химиялық реакцияларға әкеліп соғады. Сәуле шығарудың әсері молекулалардың ауысуы мен химиялық реакцияларға әкеліп соғады. Сәуле шығаруға төтеп беретін материалдарда екі қасиет болуы керек.

1.Үлкен ионданусыз-ақ энергияны жұту.

2.Үлкен дәрежеде екі- реттік байланыс түзу керек ( үзілмеуі керек).

Сәуле шығарудың материалдарға әсерін оның электрлік, физикалық, химиялық және механикалық мінездемелердің өзгеруінен анықтайды

.

5.6 Диэлектрик заттарға кіріспе

 

Электр тоғын өткізбейтін заттар ( оқшаулаулар- изоляция) агрегаттық күйі

бойынша 3 түрге бөлінеді: газ тәріздес, сұйық және қатты. Ерекше топқа қататын заттар жатады. Ол заттар бастапқы кезде сұйық болады да, ал дайын бұйым кезінде қатты зат болып шығады- лактар, эмальдар, компаундтар.

Қатты изоляциялық заттар химиялық табиғаты бойынша органикалық және бейорганикалық заттарға бөлінеді.

Органикалық заттардың көбісінің маңызды мынадай қасиеттері бар: майысқақтық, иілгіштік және талшықтар, таспалар, басқа да түрлі бұйымдарды жасауға келетіндігі. Бұл заттардың кемшілігі қызуға төзімділігінің төменділігі. Бейорганикалық заттардың көбісі қызуға төзімді келеді, бірақ оларды өндіру технологиясы қиын.

 

5.7 Газ тәріздес диэлектриктер

 

Газдардың ішіндегі ең жиі кездесетін диэлектрик ол ауа, себебі ауа барлық сұйық және қатты заттармен бірге әрбір электр құрылғыларында қосымша айырғыш. Ауаның кемшілігі оның электр беріктігінің төмендігінде. Сондықтан электротехникада ауадан басқа электр беріктігі көбірек, ішіне галогендер қосылған газдарды пайдаланады. Ол газдардың молекулаларының салмағы ауыр болғандықтан, ионизация болу үшін өрістің қуаты жоғары болатын электр құрылғыларда қолданады. Электр беріктігі жоғары газдарға перфторланған көмірсутектері ( формуласы CxFy) жатады.

  

6 Дәріс. Сұйық және қатты диэлектриктер. Өткізгіш материалдар

 

Дәрістің мазмұны:

- сұйық диэлектриктер;

- қатты диэлектриктер;

- өткізгіш материалдар.

 

Дәрістің мақсаты:

- электроқшаулағыш материалдардың рационалды топтастыру туралы           түсініктеме беру;

- электроқшаулағыш материалдардың жиі қолданылатын түрлерін құрастыру;

- өткізгіш материалдар негізгі сипаттамаларын оқып білу.

 

6.1 Сұйық диэлектриктер

 

Сұйық диэлектриктердің көлемі бар, бірақ пішіні болмайды.

Сұйық диэлектриктер 3 топқа бөлінеді:

- мұнайдан жасалынған;

- синтетикалық сұйықтар;

- өсімдік майлары.

 

6.1.1 Мұнайдан жасалынған майлар.

Минералды майды,мұнайды бөлшектеп айыру әдісімен алады. Олардың

химиялық құрамы мұнайдан алынған майлар көмірсутектерінің қоспасы болып табылады.

Мұнайдан май дарялау- физика- химиялық операциялардың бірнешеуінен

құралған күрделі тенологиялық процесс. Мұнайдан құрамында болатын оның жекелеген бөлімдері әртүрлі температурада қайнайды. Сондықтан одан ваку-умда әр түрлі температурада қоздырғанда аталған бөлімдер бөлініп қалып отырады. 3000С-тан төменгі температурада мұнайдан жеңіл өнімдер: бензин, керосин, лигроин бөлінеді. 3000С-тан жоғары температурада мазут деп атала-тын қалған бөлігінен солярлы май бөлінеді. Осы солярлы майда қышқыл және сілтімен өңдеп, одан химиялық тұрақсыз қосылыстарды бөліп шығарады. Сонан соң сумен жуып, кептіріп электроизоляциялық майларды алады.

Электроизоляциялық майдың белгілеуі мен эксплуатациялық шарттарды электротехникалық қондырғылардыәрбір жеке жағдайларда қолданған кезде; оларға физика-химиялық қасиеттер қатынасында ұсынылатын талаптар да өзгешеленуі тиіс.

Мұнайдан жасалынған майлар үш топқа бөлінеді:трансформаторлық, конденсаторлық және кабельдік.

Трансформаторлық майлар күш трансформаторларында, майлы айырғыш-тарда, май толтырылған жоғары вольттік өткізгіштерде /ввод/, реактор, реоста-ттарда т.б. электр құрылғыларында пайдаланады.

Жаңа трансформаторлық майда трансформаторлар мен аппараттарға құюдан бұрын ГОСТ-982-80 талаптарына сәйкес сынақтан өткізіледі.

6.1.2 Синтетикалық сұйық диэлектриктер.

Трансформаторлық мұнай майлары өртке қауіпті қасиетке ие.

Бұл жағдайдан шығу жолы құрғақ трансформаторлар және өртенбейтін электрооқшаулағыш сұйықтарды қолдану. Оған жататындар: хлорланған дифенил (совол,совтол және басқалары), бірақ олар айтарлықтай қымбат (200-1000есе трансформаторлық майдан). Бұл олардың қолдануын шектейді.

6.1.3 Өсімдік майлары

Электрооқшаулағыш техникада өсімдік майлары  тұтқырлы сұйықтар, маңызды мәнге ие және оларды лак, эмаль және қатты заттарды сіңдіруде қолданылатын әр түрлі өсімдік тұқымдарынан алады (зығыр, тунг, майсана-ның).

 

6.2 Қатты диэлектиктер

 

Барлық қатты диэлектриктер химиялық құрамына сәйкес 2 топқа бөлінеді: органикалық және бейорганикалық.

6.2.1 Смола лактардың, пампундтардың, пластикалық массалардың, пленкалардың, жасанды және синтетикалық талшықты материалдың негізгі құрамы ретінде кең қолданылады. Электротехникада негізгі қолданылатын, полимеризациялық диэлектриктерге полистирал, полиэтилен, поливинин хлорид және басқалар жатады.

6.2.2 Полимер мен басқа да шайырлардың негізінде алынатын жасанды материалдарды пластмассалар деп атаймыз. Олар қыздырғанда және қысымда жұмсарады да, иілгіш болып, берілген пішінді қабылдайды.

6.2.3 Электроизоляциялық лак және компаундтар қататын электроқшау-лағыш материалдарға жатады.

6.2.4 Талшықты электрооқшаулағыш материалдар ұзартылған пішінді талшықтан тұрады. Олар табиғи жасанды, синтетикалық талшық.

6.2.5 Тоқыма материалдарды ұзын талшықты шикізатты арнайы өңдеу әдістері арқылы алады. Маталар қазағаздан құрылғысы арқылы ажыратылады.

6.2.6 Қатты бейорганикалық оқшаулағыш материалдарға электроқшау-лағыш шынылар  бейорганикалық, аморфты термопластикалық заттар; жоғарғы температурада күйдіру арқылы алынатын керамика; ақық маңызды табиғи электрооқшаулағыш материал; асбект бейорганикалық талшық және кейбір материалдардың қышқалдануы кезінде пайда болатын оксидті оқшаулағыш-тың, жоғары электроқшаулағыш және термиялық қасиеттері бар.

6.2.7 Активті диэлектик деп электр сигналдардың генерациясы, күшейткіші, модуляциясы және түрленуіне арналған диэлектриктерді айтады.

Оларға сегнетоэлектриктер, пъезоэлектриктер, пироэлектриктер электреттер  жатады.

 

 

6.3 Өткізгіш материалдар. Өткізгіштердің топтасуы

6.3.1 Өткізгіш материалдардың анықталуы, топтасуы және      тағайындалуы

 

Өткізгіш материалдар ретінде қатты денелер, сұйықтар және газдар (иондаған жағдайда) қолданылады. Әдетте электротехникада қолданылатын қатты өткізгіш материалдар – металдар мен олардың қорытпалары.

Металл өткізгіш материалдар мынындай топтпрға бөлінеді:

а) өткізгіштігі жоғары металдар (қалыпты температура кезінде меншікті кедергілерді  Олар электр машиналардың орамдарына және аз шығынмен үлкен қашықтықтарға электр энергиясын тасылмалдау үшін қолданылады;

б) кедергілері жоғары қорытпалар, элекрэнергияны жылу энергияға айналдыруға, электротехникалық көмірден жасалатын кедергілерге, компазициялық резисторларда, прожекторларда, электролиттік ванналарда, микрафондарда пайдаланылады;

в) өте төмен ( криогендік) температура кезінде меншікті кедергілері тым аз болатын материалдар – асқын өткізгіштер және криогендік өткізгіштер;

д) электротехникада пайдаланылатын әр түрлі металдар және олардың балқымалары, яғни дәнекерлер және термоқостар.

 

6.4 Электроөткізгішті металдардың табиғаты, негізгі электрлік және  физикалық қасиеттері

 

Металдардың – қатты өткізгіштер, электрондық теорияға сәйкес олар, кристаллды торлардан құрылған. Кристалдық тордың түйінінде оң иондар орналасқан, арасында еркін- электрондық газ. Металлдың электр және жылу өткізгіштігі электрондардың еркін жылжуымен анықталады.

Металдардың электрондық теориясы бойынша өткізгіштігі эксперимен-талды жолмен табылады және электрондық заңдардың негізінде аналитикалық түрде баяндауға және түсіндіруге болады.

Металл өткізгіштердің негізгі мінездемелеріне мыналар жатады:

- меншікті өткізгіштігі және меншікті кедергісі (и);

- меншікті кедергінің температурасы коэффициенті(Т);

- меншікті жылуөткізгіштік ( );

- потенциалдар айырмасының контакті және термоэлектр қозғаушы күші;

- созылу кезіндегі беріктік шектігі және салыстырмалы созылу.

Тұрақты қимасы (S) және ұзындығы (1), (р) өткізгіш үшін мына өрнек бойынша есептеледі

                                                           p=RSI.                                                (6.1)

 

Металл өткізгіштік   200С температурадағы (р) мәндер диапазоны күміс үшін 0.016 бастап және кейбір балқымалар үшін 10 мк Ом  дейін құрайды.

Металл өткізгіштердің (р) меншікті кедергісі, металдардың электронды теориясына негізделіп, былай көрсетлуі мүмкін

 

                                  ρ =2mvT/etорт                                                           (6.2)

 

мұнда m-электронның массасы;

        v- электронның жылу қозғалысының орташа жылдамдығы;

        - электронның тор түйінімен екі рет қақтығысуының арасындағы еркін өтуінің орташа ұзындығы;

        е- электрон заряды;

N- өткізгіштің бірлік көлеміндегі бос заряд тасымалдаушылардың саны.

Әр түрлі өткізгіштерге (v) жуықтағанда бірдей. Аздап N-де ерекшелінеді, мысалы, Cu және Ni үшін бұл ерекшелік 10%. Өткізгіште (N) саны температура жоғарылағанда өзгермейді. Температура (t) артқанда тордың түйіндеріндегі тербелістің амплитудасы үлкейеді. Бұл бағытталған электрондардың қозғалыс-ының жолында көп мөлшерде кедергі келтіреді, () азаяды және электрон-ның қозғалғыштығы төмендейді. Сондықтан металдардың кедергісі (р) температура (t) жоғарылаған сайын өседі.

 

                                           ρt = ρ0 (1+αρ ∆t)                                                           (6.3)

 

мұнда р мәні (6.3) теңдіктегі () шамасы меншікті кедергінің орташа температуралық коэффициенті деп аталады

 

                                Ткρ= αρt- ρ0/ ρ0∆t  [град-1].                                      (6.4)

 

Қатты таза металдардың  сан мәні идеал газ үлкеюінің температуралық коэффициентіне жақын,

6.4.1 Термо ЭҚК. Екі металдың түйісуінен олардың арасында патенциал-дар айырмасы пайда болады. Металдардың электрондық теориясынан, А және В металдардың түйісу потенциалдар айырмасы мынаған тең

 

                                 UAB=UB-UA+КТ/е ln(n0A/n0B)                                     (6.5)

 

мұнда -потенциалдар айырмасы;

   А және В металдарда электрондардың шоғырлануы.

Егер дәнекерлердің температуралары бірдей болса, онда тұйықталған тізбектегі потенциалдар айырмасы 0 тең. Егер бір түйісу Т, ал екіншісі Т, онда термо ЭҚК пайда болады.

 

       U=UAB+UBA=UB-UA+КТ1/е ∙ln(n0A/n0B)+ UA-UB+КТ2/е∙ln(n0A/n0B),             (6.6)

         U=К/е(Т12)ln(n0A/n0B)=А(Т12).                                                     (6.7)

7 Дәріс. Жоғары өткізгіштік материалдар. Жартылай өткізгіштер

 

Дәрістің мазмұны:

- жоғары өткізгіштік , өткізгіштік материалдар;

- жартылай өткізгіштердің физикалық өткізгіш негіздері.

 

Дәрістің мақсаты:

- жоғары өткізгіштік, өткізгіштік материалдардың мінездемелерін оқып білу;

- жартылай өткізгіштердің физикалық өткізгіш негіздерін білу.

 

7.1 Жоғары өткізгіштік, өткізгіш материалдар

 

Көп таралған жоғары өткізгіштік материалдар – мыс пен алюминий.

7.1.1 Мысты сульфидті рудуларды қайта өңдегеннен алады. Қатты мысты беріктігі жоғары болатын қажетті жерлерде қолданады: бұл трамвай сымдарының түйісуі, троллейбустар және электрлі машиналардың коллектрлі пластиналары. Жұмсақ мысты иілгішті маңызды орын алатын, ал беріктігі  маңызы аз кезде, машиналардың, трансформаторлардың орамаларында сым ретінде қолданады. Мыс бағалы және тапшы материал. Сu жер қабатында 0.01% ғана. Сондықтан мысты қолдануға шек қойылған, оны тек электр машиналардың орама сымдарын, коллектрлі пластиналарын, өткізгіш сымдар-дың майысқақ кабельдерін және радиотехникадағы, электротехника-дағы, т.б. монтаждық сымдардың түйісу сымдары түрінде қолданылады.

7.1.2 Алюминий- көп тараған элемент. Жер қойнауында мөлшері бойынша 8.8 %. Өте көп минералдардың құрамында Al O қышқыл түрінде кездеседі. Таза күйінде – жылтыр-ақ металл. Техникалық таза металдың құрамында 99.5 – 99.7% алюминий бар. Меншікті кедергісі рбұл мыстан 60% жоғары, бірақ алюминийдің мыстан 3.3 есе жеңіл екенін ескерсек , алюминий-дің электрөткізгіштігі  мыстан 2 есе артық. Алюминиді электроникада әуе желілерінің сымдарын, құрама шиналарын, трансформатордың орамаларын, кабельдердің сымдарын және қорғаныс қабыршақтарын, т.б. жасауға қолданы-лады.

7.1.3 Темір (Fe) ең арзан және қолайлы, жоғары механикалық беріктігі бар, кейбір жағдайларда  = 0.098 мкОм м меншікті кедергісімен өткізгіш материал ретінде қолданылатын метал.

 

7.2 Жартылай өткізгіштер

 

Бөлме температурасында меншікті кедергісі 10-6 - 109 Ом.м құрайтын жартылай өткізгіштер, материалдар мен диэлектриктердің арасында орын алады. Жартылай өткізгіштердің  меншікті кедергісі сыртқы факторларға, түріне және құрамындағы қоспалардың мөлшеріне, тәуелді. Жартылай өткізгіштердің меншікті кедергісінің температуралық коэффиценті теріс, ал меншікті өткізгіштігі оң.

Жартылай өткізгіштерге химиялық элементтер тізбегі жатады (жай жартылай өткізгіштер): германий Ge, кремний Si, селен Se, бор В, көміртегі С, фосфор Р, мышьяк As, сурьма Sb, сера S, теллур Те, қалайы Sn, йод I.

Күрделі жартылай өткізгіштер бинарлы қосылған АВ(GaP, GaAs, және басқалары) бастап, АВ дейін ( ), үш қосынды АВВ

(CuSbS2 және басқалары) бастап, АIV BV BVI (PbBiSe2 және басқалары) дейін, қатты ерітінді: GeSi; GaAs 1-xPx, және басқалары.

Көп фазалы жартылай өткізгіштерге кремнидің карбиді, графит, арнайы керамикалық немесе басқа байланыс ( тирит, силит және т.б.), қазіргі уақытта шынытәрізді және сұйық жартылай өткізгіш жасалуда. Жартлай өткізгіштердің ерекше қасиеттеріне орай, техникалық кең қолданылуы әр түрлі аспаптардың – жартылай диод, транзисторлар, тиристорлар, фотодиодтар, фототранзисторлар, светодиодтар, жартылай өткізгішті лазерлер, қысым датчиктерін, магнитті өрістерді, температура, сәулелену, және т.б. жасалуында қолданылады. Жарты-лай өткізгішті электроника, электрондық жабдықтардың микроминиатюр-изациясына жол ашты. Жартылай өткізгіштерден жасалған аспаптар бір қатар артылықшылықтары бар: ұзақ мерзімді қызметі, көлемі және салмағы аздығы, констукцияның оңайлығы және сенімділігі, механикалық беріктігі үлкен жар-тылай өткізгішті аспаптар, қыздыру тізбектерінің жоқтығы, төмен қуатты қолданылуы және инерциялығының аздығы. Көп мөлшерде өндіргенде олар экономикалы орынды.

 

7.3 Жартылай өткізгіштердің электрөткізгіштігі

 

Өздік деп құрамында қоспалары болмайтын жартылай өткізгіштерді айтады. Қоспалы деп құрамында донорлы және акцепторлы қоспалары бар жартылай өткізгіштерді айтады. Егер Si және Gе – ға қоспа ретінде 5 валенттік электрондары бар, Менделеев кестесіндегі V топ элементі мышьякты Аs қоссақ, онда бесінші электрон Аs коваленттік байланыста болмайды. Ол өзінің атомдарымен кулондық күшпен байланысты.

Жақындағы атомдармен байланысын біріктіру үшін керек валенттік электрондары көп қоспа донорлы деп, ал мұндай қоспасы бар жартылай өткізгіш – электронды электрөткізгіштігі бар жартылай өткізгіш деп аталады (немесе n-типті). Егер IV топтағы жартылай өткізгішті III топ элементіне қоспасын қосса, мысалы А1, онда алюминийдің барлық үш валенті электрон-дары ковалентті байланысқа қатысады. Мұндай қоспа акцепторлы деп, ал мұндай қоспасы бар жартылай өткізгіш – тесік электрөткізгіштігі баржартылай өткізгіш деп аталады (немесе р-типті).

 

7.4 Жартылай өткізгіш электрөткізгіштігінің шоғырлануы мен зарядтың жылжымалы тасымалдауышымен байланысы

 

Сыртқы электр өрісін есептегенде, жартылай өткізгіш арқылы ағатын тоқ тығыздығы

                                                        In=nevn                                                             (7.1)

 

мұнда  n – электрондардың өткізгіш зонасындағы шоғырлануы;

е – электрон заряды;  vn – электрондардың жылдамдығы.

Жартылай өткізгіш арқылы ағатын толық тоқ тығыздығы

 

                                                      I=In+Ip=(neun+peup)Е,                                       (7.2)

                                          γсоб= γn+γp= neun+peup=eni(un+up)                                (7.3)

 

мұндағы n=p=ni (і – intristing – собственный).

Электронды жартылай өткізгіштіктің меншікті өткізгіштігі, меншікті электрлі өткізгіштігі γпр және γсоб суммаларына тең.

 

                                                          γn=γпрсоб                                                      (7.4)

мұнда γпр=nдeun;

nд – донорлы қоспалардың есебі бойынша бос электрондардың шоғыр-лануы.

Тесік жартылай өткізгіште

 

                                                        γр = γпр + γсоб                                                    (7.5)

 

мұнда γпр = paeup; ра – акцепторлар арқасында тесіктердің шоғырлануы.

 

7.4.1 Жартылай электрөткізгіштің сыртқы факторлардың әсеріне тәуелділігі

 

Зарядтың тасымалдаушыларының қозғалғыштығы температура жоғарла-ған сайын, мына теңдікпен жартылай өткізгіштің электр өткізгіштігіде жоғарылайды

                                               u~T3/2                                                              (7.6)

γф

                                                       lnγ

                                            uд1                                   

 


                                            uд2                                                        1

                                        uд3

                               Ф                        104          107    108            E В/кл             Ф

 

а) Т температурадан (қоспаның шоғырлануы n2>n1);  әр түрлі температурадағы (Т21) Е электр өрісі кернеуінің; L жарықтануға тәуелділігі.

7.1 Сурет – Жартылай өткізгіштің меншікті өткізгіштігі

7.5 Жай жартылай өткізгіштер. Күрделі жартылай өткізгіштер

 Жартылай өткізгішті аспаптардың өндірісінде кең қолданыс тапқан ең алғашқы жартылай өткізгіш – германий (Gе). Оны түзеткіш және импульсті диодтарды, транзисторларды, фотодиодтарды, фоторезисторларды, тиристор-ларды, тензометрлерді және т. б. жасау үшін қолданады. Кремний (Si) – бұл Менделеев кестесіндегі IV топ элементі. Технологиялық қатынаста кремний германийға (Gе) қарағанда күрделі, оның балқу температурасы 14200С және балқытылған күйінде айтарлықтай активті. Кремнийді әр түрлі диодтар, тран-зисторлар, тиристорлар, стабилитрондар, фотодиодтар, Холлдың датчиктері, тензометрлер, интегралды сұлбалар және т. б. жартылай өткізгішті аспаптар үшін қолданады. Жай элементтерден жартылай өткізгішті аспаптарды жасау үшін IV топ элементтері (Se) және (Те) қолданады.

Күрделі жартылай өткізгіштерге жатады; SiC кремний карбиді – бұл IV топ элементтері – кремний және көміртегінің қосындысы, үйлесімді формуласы SiCх(х = 1), құрамында (салмағы бойынша ) 70% Si және 30% С бар. SiC-ді  доғалы электр пештерде кварц құмы Si2O мен кокстан (С) жасайды. SiC таза кристалдары түссіз, қоспа мен Si басымдығын немесе С-ні әр түрлі түстерге бояйды. SiC кристалдарының (γ) электрөткізгіштігі 200С – та қоспалы және кең шектерде тербеледі. Ынталындырылған кернеудің үлкейуіне қарай электр-өткізгіштік (γ) тез өседі де, жұқа резисторда сызықты емес ВАХ-ны себебтейді. Ол аспаптың аты варистор. SiC электротехникада: ЭТЖ-ны (ЛЭП) асқын кернеуден қорғайтын вентильді разрядтауыштардың резисторлары үшін; жоғары температуралы электрпештерін қыздыру үшін; игнитронды тұтатуыштар үшін және т.б. қолданылады. SiC варистордағы дәндер байланыстырушы затпен қатырылады. Байланыстырушы зат ретінде саз балшық, ультрафарфор, сұйық шыны және т.б. қолданылады. SiC варистордағы дәндер байланыстырушы затпен қатырылады. Байланыстырушы зат ретінде саз балшық, ультрафарфор, сұйық шыны және т.б. қолданылады. Жалпы түрде SiC дәндерінен тұратын резистордың эквивалентті сұлбасы 7.2 суретте көрсетілген.

 

 


                                                                      I                                         15 I мА   

                                                                                                                                                                              10

                                                                                                                                                                              5 40     В

                    U                                                                                          -5

                                                                                                                                                                                -10

                                                                                                                                                                                -15

 


 


                                                                    U1  U2  U3 U4

                             а)                                             б)                                     в)

7.2 Сурет –Резистордың эквивалент сұлбасы

8,9 Дәріс. Магнитті материалдар

 

Дәріс мазмұны:

- магнитті материалдар классификациясы, магниттелу процессі;

- жұмсақмагнитті және қаттымагнитті материалдар.

Дәріс мақсаты:

- ферромагнитизм табиғатын ұғыну;

- магнитті материалдардың негізгі сипаттамасын, қолдануын білу.

 

8.1 Магнитті материалдар

 

Магнитті материалдар, электр энергияны генерирлеу кезінде, жоғары

кернеулі тоққа төменгі кернеулі тоқты трасформациялауға және керісінше, электр энергияны механикалық және т.б. энергияға айналдыру кезіндегі магнитті ағынды лезде үдету үшін керек.

Табиғаттағы барлық заттар элементар магнетиктер болып келеді, яғни магниттік қасиеттерге ие және магниттік өріс тудырады. Атомдардың магниттік қасиеттері электрондардың магниттік қасиеттерімен анықталады. Басқа бөлшектер магнетизмі салыстырмалы аз. Қорытындысында феромаг-нетиктердің доменді құрылымы пайда болады. Ферромагнетика көлемі өздігінен локальді облыстардың көлемді санына  домендерге бөлінеді, олардың әрқайсысы техникалық қаныққан магнитті көрсетеді. Домендерде атомдардың элементар магнетиктер өздігінен немесе тосын бір бағытта бағдарланған. Домендердің болуы эксперимент жүзінде дәлелденген. Домендердің сызықтық мөлшері 0.001 ден 0.1 мм құрайды. Домендердің магниттік моменттерінің бағыты, магниттік емес ферромагнетика көлемінде тең ықшамдалды. Сондықтан макро бөлшектің қорытқы бір доиеннің екінші доиенге магниттелу векторының бағытының біртіндеп өзгеруі жүретін шекаралық қабырғалармен өзара бөлінген.

Магниттелудің қисығын анықтауыш доменді құрылымдардың пайда болу теориясы және олардың магниттік моменттердің қайта құрылуы, магнитизм теориясының ең негізгі бөлім болып келеді және де ол магнитті материалдардың техникалық қасиетімен байланысқан.

Магниттелудің қисығын анықтауыш доменді құрылымдардың пайда болу теориясы және олардың магниттік моменттердің қайта құрылуы, магнитизм теориясының ең негізгі бөлім болып келеді және де ол магнитті материалдардың техникалық қасиетімен байланысқан.

Магниттелудің негізгі қисығының және гистерезис жібінің фигуралары түрі бойынша барлық магниттік материалдар 3 топқа бөлінеді:

- жұмсақ магнитті ( ЖМ) материалдар;

- қатты магнитті (ҚМ) материалдар;

- арнайы белгіленген магниттік материалдар.

Жұмсақ магнитті материалдардың өзіндік қасиеттері, олардың әлсіз магниттік өрістерде де қанығуына дейін магниттелуі мен қайта магниттелу кезіндегі кішігірім шығындары болып табылады. Жұмсақ магнитті материал-дардың бұл қасиеттері оларды электр машиналардың магнитөткізгіштігі үшін, өлшеуіш приборларда, телефондарда және магниттік өріс шоғырлануымен көрсетеді.

Қатты магнитті материалдар тұрақты магнетиктер үшін қолданылады, үлкен меншікті энергиямен, гистерезис тұзағының үлкен ауданы мен қайта магниттеудің үлкен шығынына ие.

 

8.2 Магнитті материалдардың негізгі сипаттамасы

 

Магниттік индукцияның (В) магниттік өріс кернеулігінен (Н) материал-дарда тәуелділігін магниттелу қисығы деп аталады.

Барлық магниттік материалдар химиялық құрамы мен кристалдық құрылуына тәуелді өзінің магниттелу қисығына ие.

Магниттік өрістегі магнитті домендердің бамагнитті домендердің бағдар прцесі магниттік заттың бөлшектерінің сызықтық өлшемінің бойымен сәйкес еледі, және магнитструкция деп атлады. Магнитструкция көлемі кристалл металындағы түрлі бағыттар үшін әртүрлі. Ферромагниттік заттар моно-кристалы әр түрлі кристалдың осьтер бойымен жеңіл магниттелу түрлілігіне келетін, магниттік анизатропиямен сипатталады.

 

           В                                                      100000 μ

                                1                                         μ мах

                1.2

                                   2          4                         50000           4

               0.8                                3                                                 2

 

                 0.4                                                              0     16  32   48   64    80  А/М

                                                         5   6

                   0 А/М

                       а)                                       б)

 

1 – аса таза темір; 2 – таза темір (99.88%);

3 – техникалық таза темір ( 99.92% ); 4 -  пермаллой ( 78% Ni);

5 – никель ( 100%); 6 – темір мен никельдің балқымасы ( 26%Ni).

8.1 Сурет – магниттелу қисығы (а) және магнитті өткізгіштік қисығы (б)

 

Поликристалдық магнетиктерге анизотропия анағұрлық күрт сақталғанда, ферромагнетиктер магниттік текстураға ие деп атағанымыз жөн. Магниттік текстура үлкен мағынаға ие және материалдың көтеріңкі магниттік сипаттама-ларының белгілі бір бағыты үшін техникада қолданылады. Айнымалы магнит-тік өрістердегі ферромагнетиктердің сипаттамасы, магнит индукциясының амплитудалық мәнінің Вm магниттік өріс кернеулігініңі амплитудасына Нm қатынасын көрсететін динамикалық магнитті өтімділік μ, айнымалы магниттік өрістегі ферромагнетиктердің сипаттамасы болып келеді

 

                                                    Μ = Вm/ Нm.                                                        (8.1)

 

Магнетизим териясының практикасы үшін аса маңызды сипаттамалар-ының біріне гистерезис тұзағы кіреді. Егер сыртқы магниттік өрісте ферромаг-нетиктің магниттелуін жасаса, содан – соң негізгі магниттеу қисығының кез –келген нүктесінен бастап, Н азайта бастаса, онда көлем В азаяды, бірақ негізгі қисық бойымен емес, бояуырақ, гистерезистің салдарынан ( қалуынан) азаяды (кішірейеді).

                                      В

 


                                   Вr

                                                   Вmax

 

                              Нс                       Н

                                      0

 

                                             Нmax

 

8.3 Сурет – Магниттеудің бастапқы сызығы және ферромагнетик материал үшін гистерезистің шектік тұзағы

 

Қарама –қарсы бағыттағы магниттік өріс кернеулігінің үлкеюінде нұсқа (үлгі) магнитсізденуі, жаңа бағыт Н ауысуында қайта магниттелуі, В қайтадан бастапқы нүктеге келуі мүмкін. В Н=0 болғандағы нұсқаның (үлгінің) магнитсізденуі процесінде қалдық индукция (Вr) деп аталады. Индукцияны Вr мәнінен нөлге дейін азайту үшін, кідірткіш (коэрцитті) күш деп аталатын өрістің кері бағытталған кернеулігін Нс басу керек.

 

8.3 Жұмсақ магнитті материалдар (ЖМ)

 

Түрлі жұмсақмагниттік материалдардың жиілік диапозоны едәуір дәрежеде олардың меншікті қарсылық ρ-мен анықталады. Ол неғұрлым үлкен болса, соғұрлым жоғары жиілікте (f) жұмсақ магнитті материалдарды қолдануға болады.

 

Болат.

Үндетілген электротехникалық болат – негізгі кең ауқымды қолданылатын жұмсақ магнитті материалы. Болат құрамына кремнийдің екеуі ρ- ді көбейтеді (үлкейтеді), яғни РВ-ға шығынын азайтады. Бұдан басқа, Si болат құрамында болуы С көміртегіні ерітеді. Бұл жағдай μа көбейтеді, не кішірейтеді, Pr азайтады. Бірақ кремнийдің болаттағы қосындысы оның сынғыштығын көбейтеді де лестер құюға кедергі жасайды. Текстурленген болат анизатропты және орама жолымен жасалған трансформаторлар жүрекшелері үшін қолданады, олардың салмағы мен габаритті өлшемдерін 40% -қа дейін кішірейтуге мүмкіндік береді.

 

Пермаллои.

Пермоллейлер деп аталатын темір- никельдің қорытпалар әлсіз өрістердегі облыстарда μбаст  бастапқы үлкен мәніне ие. Бұл жағдай оларда анизатропия мен магнитостукцияның жоқтығына байланысты. Жоғары никельділер құрамында никель Ni -72 – 80 % және төмен никельді пермаллоялар – құрамында Ni – 40 -50 % деп оларды айырады.

Жоғары никельді пермаллойлар аз габритті дроссельдер жүрекшелерінде, дыбысты диапозонның аз габаритті транзисторларында, импульстік трансфор-маторларда, дроссельдерде және т.б. жоғары концентрациялы магнитті ағын-ның құрал жабдықтарында, импульстік трансформаторларында, магниттік үдеткіштерде қолданылады.

Төмен никельді пермаллой жоғары никельділерге қарағанда 2 есе жоғарым қанығу индукциясына ие, яғни төменгі никельді пермаллойды күшті трансформаторларда, дросселдерде және т.б. магнит ағының жоғарғы концент-рациясы приборларда қолданылады.

 

Альсифирлер.

Қорытпалар FE, Si ;және Al – үштік қорытпалар альсиферлер деп аталады. Олардың оптимальді құрамы 9.5% Si; 5.6 % Al; қалғаны – Fe құрамында көп мөлшерде кремний болғандықтан бұндай қорытпа қатты және сынғыш, бірақ фасондық ағызулар ретінде қолданылады.

Альсифирдан жасалғандар: приборлар корпусының магнитті экраны және т.б. Альсифирді порошок түрінде үгітіп, жоғары меншікті престелген өзектер жасау үшін қолдануға болады.

 

Ферриттер

Магнитті материалдардағы РВ құйындық нүктелерге шығыны f2 жиілігіне пропорционалды, сондықтан магнитті материалдар жоғары және өте жоғары жиіліктерде аз электрлік өткізгіштің және жоғары меншікті кедергіге ρ ие болуы керек.

Бұл заттар спиндердің кейбіреулерімен антипараллельді орналасуын бірінің бағытын бірі тәуелденуіне ие – бұл ферромагнетиктер. Олар домендік құрылымды Кюри нүктесіне ие; оларға ферромагнетиктергекелтірілген барлық сипаттамалар қолданылған. Ферриттер деп аталатын күрделі оксидті материалдар – ферримагнетиктер деп аталады.

 

8.4 Қатты магнитті материалдар ( КМ)

 

Өте үлкен коэрцитивті күшіне НС ие, енді гистерезис тұзағы бар ферромагниттік материалдар қатты

магнитті материалдар (КМ) деп аталады. Әлсіз магнитті фазалар арасында арналған магниттелмеген домендердің суу процесінде ғана НС  жоғары мәндері кейбір қорытпаларға (40000 А/м астам),

Мұндай материалдарда домендердің қосылу процесі күрделі, және де домендердің магнитті моменті магнитті өріс бағытымен бағдарланған болып қалады. Осылайша тұрақты магниттер пайда болады.

Қатты магнитті материалдардың сипаттамасы болып НС коэрцитивті күші, Wmax сыртқы Br қалдық индукция мен максимальді энергия қызмет атқарады. Қатты магнитті материалдық μ төмен. Сонымен қатар, НС  неғұрлым жоғары болса, соғұрлым Br төмен.

Тұйық жағдайдағы магнит (терроид түрі) сыртқы кеңістікке энергияны бермейді. Көлемі саңылаудың ұзындығына байланысты, сонымен бірге В1 индукциясының аралықта магнит полюстерінің магнитсізденуі әрекетінде

Br - дан аз болатын, ауадағы саңылау бар болғанда полюстердің арасында энергияны кеңістікке жіберу пайда болады. Бірлік көлемінде берілген ауадағы саңылау энергиясы – магнитті меншікті энергия ( энергия тығыздығы) келесі формуламен анықталады

                                                       W = B1H1/8π.                              (8.2)

 

Магнит ұзындығы және саңылауы кіші болған сайын, полюстердің магнитсізделу өрісі үлкен және В1 кіші болады. Тұйықталған магнитте B1 = Br және W = 0, яғни Н1 =0 тең. Егер саңылау үлкен болса, онда W →0, сөйтіп В1=0, Н1 = НС, кейбір мәндерде В1 мен Н1, W1 =max. Бұл Wmax мәні магниттің   қолдануын анықтайды және тұрақты магниттер үшін негізгі сипаттамалық қасиеті болып табылады.

Fе-Ni-Al - гі қорытпалар тұрақты магниттер үшін негізгі болып табылады. Жоғарғы коэрцитивті түзелуде, қорытпалардың бұл әлпетінде қорытпаның қаттығу механизмі үлкен роль атқарады. Ұнтақталу, металургия тәсілімен алынатын магниттер, металлокерамикалық, металлопластикалық, оксидті және микроұнтақтар болып бөлінеді. Металлокерамикалық магниттерді престеу арқылы металды ұнтақтарды да алады.

Металлопластикалық магниттерді металды ұнтақтардан престейді, ысытуды байланыстыру затының полимизациялануына дейін жасайды. Олар төмендетілген магнитті қасиеттерге, жоғарғы ρ, аз тығыздыққа ие және сәйкес-інше арзан.

Оксидті магниттер арасында практикалық мәнге барии ферриті мен кобальт негізіндегі магниттер ие.

Mn – Bi, Fe мен Fe – Cо микроұнтақтардан тұратын магниттер.

Mn – Bi ұнтақтың магнитті қасиеттері тұрақты магниттердің күшті металды материалдары үшін сәйкес келеді. Аса үлкен коэрцитивті күшке НС – ке ие. Бірақ бұл қасиеттер (+20) температураға дейін сақталады, бұдан төмен температурада олар құлайды және оларды қайта құру үшін қайта магниттеу керек болады.

Fe және Fe – Со магнитті ұнтақтардан 0.01 – 0.1 микрон өлшем бірлікпен химиялық әрекеттерді талап етеді. Мұндай ұнтақтардан керек формалы магниттерді престейді.

Мартенситте балқытылған, легирленген болаттар. Балқыту арқылы алынатын болаттың микроструктура түрі мартенсит деп аталады.

Тұрақты магниттер үшін мартенситті болаттар басқа материалдардан да ертерек қолданылған. Қазіргі уақытта оларды төмен магнитті қасиеттер үшін сәйкесінше аз қолданады. Бірақ олардан нақты бас тартпайды, өйткені олар арзан  және металл кескіш станоктарда механикалық түзетуге жібереді.

Қатты магнитті ферритер. Қатты магнитті ферритге ұнтақтан жасалған, яғни ұнтақталған металлургия әдісімен алынған магниттер жатады. Олар жоғарыда көрсетілген металлокерамикалық, металлопластикалық, оксидті магниттер және домен көлеміне тең микроұнтақтардан жасалған магниттер. Қатты магнитті ферриттерге барлық ферриттер, кобальтан жасалған ферриттер, Mn-Bi, Fe, Fe-Co микроұнтақтардағы магниттер. Пластикалық деформация-ланатын қорытпалар және магнитті ленталар. Жазып алу мен дыбысты қайта өңдіру үшін қатты материалдар – лента мен сым темір жасауға мүмкіндік беретін болат және қорытпалар, биметалды ленталар, ұнтақ тәрізді магнитпен олардың бетіне қорытпалар, биметалды ленталар, ұнтақ тәрізді магнитпен олардың бетіне қондырылған немесе магнит толтырғыштың көлемімен ендірілген  пластмассадан және целюлозадан жасалған ленталар қолданылады.

 

8.5 Құрастырылған материалдар – шойындар мен болаттар

 

Бұл материалдар, электро машиналар жасауда, аспап жасауда қолданыла-тын, жоғары механикалық қасиетімен және кең технологиялық мүмкіндіктері-мен ерекшеленуі керек. Магнитті қасиетіне қарай олар магнитті материалдар және магнитті материалдар емес болып бөлінеді. Біріншісіне сұр шойын, көмірқышқылданған және легирленген болаттар; екіншісіне – магнитті емес шойын және магнитті емес болат жатады.

 

 Әдебиеттер тізімі

 

1. Богородицкий Л.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. 2-е изд. - Л.:  Энергоатомиздат, 1985.- 304б.

2. Корицкий Ю.В., Электротехнические материалы. 3-е изд.- М.: Энергия, 1985. - 319б.

3. Пасынков В.В., Сорокин В.С., Материалы электронной техники. – М.:   Высшая школа, 1990. – 306б.

4. Антипов Б.Л., Сорокин В.С., Терехов В.А., Материалы электронной техники. Задачи  и вопросы. - М.: Высшая школа, 1990. - 308б.

5. Справочник по электротехническим материалам. Под. ред. Ю.В. Корицкого.-  т. 1-3. – М.: Энергия, 1987.

6. Бекмагамбетова К.Х. Электротехническим материаловедение. – Алматы: «Ғылым», 2000.- 256б.

7. Алиев И.И., Калганов С.Т. Электротехнические материалы и изделия. – М.: Academia, 2005. - 280б.

  

Мазмұны

 

Кіріспе.....................................................................................................................

3

1 Дәріс. Негізгі түсініктер. Электротехникалық заттарды топтастыру..........

3

  2 Дәріс. Диэлектриктердегі физикалық процестер...........................................

7

  3 Дәріс. Диэлектриктердің электр өткізгіштігі. Диэлектрик шығындары......

11

  4 Дәріс. Диэлектрикті электр өрісімен тесіп өту. Электрлік беріктікті анықтаудың тәсілі ........

15

  5 Дәріс. Диэлектриктердің химиялық, физикалық және механикалық   қасиеттері. Диэлектрик заттарға кіріспе. Газ тәріздес диэлектриктер ……….

19

 6 Дәріс. Сұйық және қатты диэлектриктер. Өткізгіш материалдар..................

23

7 Дәріс. Жартылай өткізгіштер.............................................................................

27

 8,9 Дәріс. Магниттікматериалдар.........................................................................

31

 Әдебиеттер тізімі....................................................................................................

37

 

                                                               2008 жылдың жинақтық жоспары, реті 157.

  

Бекмағамбетова Құралай Хамитқызы

Күзембаева Роза Меңдіханқызы