Электрические свойства металлов - 1 ч.

Электрические свойства металлов

Из металлических проводниковых материалов изготовляют обмоточные и монтажные провода и кабели. Поэтому такие материалы должны обладать большой проводимостью, чтобы не допускать больших потерь электрической энергии. В некоторых устройствах проводниковые материалы выполняют роль нагревателей. В этом случае такие материалы должны обладать малой проводимостью, т. е. более высоким электрическим сопротивлением. Отсюда ясно, что электропроводность металлов, предназначенных для проводников, является основным их свойством. Значительная электропроводность металлических проводников обусловливается наличием в них большого количества свободных электронов.

До воздействия на проводник электрического напряжения свободные электроны находятся в беспорядочном тепловом движении. Они передвигаются в разных направлениях, распределяясь равномерно по всему объему металла. Сами же атомы, потерявшие электроны, превращаются в положительные ионы, которые расположены в узлах кристаллической решетки. Таким образом, металлический проводник состоит из положительных ионов, колеблющихся около своих узлов, и их хаотично движущихся свободных электронов.

Если к концам металлического проводника приложить электрическое напряжение, то электроны будут двигаться (дрейфовать) от конца проводника, подключенного к минусу источника тока, к концу проводника, подключенного к плюсу источника тока *. Это направленное движение электронов и есть электрический ток в металлах. Так как количество свободных электронов в металлическом проводнике очень велико, то электрический ток в нем будет увеличиваться во столько раз, во сколько повысится напряжение, приложенное к проводнику. Это означает, что величина проводимости G или величина электрического сопротивления R металлов при изменении напряжения остается постоянной, что и является характерным свойством всех металлических проводников. Это свойство выражается линейной зависимостью тока от напряжения (законом Ома)

I=U\R=UG a,

где U — величина приложенного напряжения, В, R — сопротивление проводника, ом, G — проводимость проводника:

G=1\R * 1\oм

Условно принято считать перемещение зарядов от положительного полюса источника тока к отрицательному полюсу.

На величину электрического сопротивления любого металлического проводника оказывает влияние температура. С повышением температуры сопротивление проводника увеличивается, а с понижением температуры — уменьшается. Если довести температуру до абсолютного нуля, то проводник может превратиться в сверхпроводник, для которого характерным является весьма малое сопротивление, а у некоторых сверхпроводников (Pb, Al, Zn и др.) оно становится равным нулю.

Нагрев проводника повышает энергию ионов, составляющих его кристаллическую решетку, в результате чего их колебания в узлах кристаллической решетки усиливаются. Это усиление колебаний ионов в металле затрудняет движение электронов, которые чаще сталкиваются с ионами и в меньшем количестве участвуют в создании электрического тока. Поэтому при увеличении температуры проводника ток в нем уменьшается, хотя напряжение остается неизменным. Это свидетельствует об увеличении сопротивления проводника. Если через R0 обозначить величину электрического сопротивления проводника при некоторой начальной температуре to, а через Rt— сопротивление при температуре t, то это сопротивление можно подсчитать по формуле

R_t=R₀[1+a(t-t₀)],

где Rt — сопротивление проводника при температуре t,R0 — сопротивление проводника при начальной температуре (0°, 20° С или др.); а — температурный коэффициент электрического сопротивления при начальной температуре t0 проводника, а показывает, на сколько изменяется сопротивление проводника в 1 ом из данного материала при изменении его температуры на ГС**./

Величины R и G относятся к проводнику любых заданных размеров, поэтому они не могут характеризовать материал как таковой.

Величина, с помощью которой количественно оценивается электрическое сопротивление материала, называется удельным электрическим сопротивлением. Оно обозначается греческой буквой р. Эта величина определяется из формулы, хорошо известной в электротехнике:

R=p*l\s

где R — общее сопротивление проводника.

Общее электрическое сопротивление проводника R находят непосредственным измерением, а по формуле вычисляют величину удельного сопротивления проводника:

Рисунок 1.30. Отрезок металлического проводника для измерения удельного сопротивления

Если выразить R в омах, длину образца I в метрах, а площадь поперечного сечения S в квадратных миллиметрах, то удельное сопротивление проводникового материала будет выражаться в ом-мм2/м. Если же единицей измерения длины взять сантиметр, а площади — квадратный сантиметр, то удельное электрическое сопротивление выразится в более крупных единицах — ом-см (омсантиметрах): 1 ом-см=10 000 ом-мм²/м.

Удельное электрическое сопротивление р есть основная электрическая характеристика, так как Она позволяет оценить сопротивление, оказываемое материалом при протекании через него электрического тока. Чем меньше р, тем лучше проводниковый материал, так как он в большей мере способен проводить электрический ток. Так, у проводниковой меди р=0,0175-0,0182 ом-мм²/м, у проводникового алюминия р=0,0279.0,0283 ом-мм²/м*. Эти значения удельного электрического сопротивления показывают, что медь лучше проводит ток по сравнению с алюминием. Величины удельного сопротивления относятся к проводникам, имеющим длину 1 м и площадь поперечного сечения 1 мм².

Большие значения удельного электрического сопротивления (q) относятся к металлу в твердотянутых проводах, что вызвано пластической деформацией металла.

Формула зависимости удельного сопротивления от температуры будет такая же, как и для общего сопротивления R проводника:

где Qf — удельное сопротивление при температуре t, °С; q0 — удельное сопротивление при начальной температуре (0°, 20° С или др.); а — температурный коэффициент удельного сопротивления данного проводникового материала при начальной температуре t0 (0° С, 20° С или др.); t — заданная температура, °С, — начальная температура, °С.

Свойство различных металлов, в том числе и проводниковых, проводить электрический ток часто оценивается еще величиной удельной проводимости у. Эта характеристика есть величина, обратная удельному электрическому сопротивлению, т. е.

Удельная проводимость измеряется в ом~1-см~1 или (у проводниковых материалов) в м/ом-мме. Она непосредственно указывает, в какой мере тот или иной материал проводит ток. Так, у серебра удельная проводимость у = 65,8 м/ом-мм², а у меди у=57 м/ом-мм², т. е. серебро лучше проводит электрический ток, так как его удельная проводимость больше, чем у меди.

Факторы, влияющие на электрические и механические свойства проводниковых материалов

На величину удельного электрического сопротивления р и удельной проводимости у металлов оказывают большое влияние примеси. На рис. 1.31 показана зависимость величины удельной проводимости меди от количества введенных в нее примесей.

Процент примесей

Рисунок 1.31. Влияние примесей на удельную проводимость меди

Как видно, некоторые примеси (марганец Mn и алюминий Al) сильно снижают проводимость чистой меди даже при малом их содержании (4—6%). Золото (Аи) и цинк (Zn) снижают проводимость меди в меньшей степени, чем марганец, и алюминий.

На величину проводимости оказывает также влияние наклеп, т. е. пластическая деформация металла в результате его механической обработки (прокатка, волочение). С увеличением пластической деформации металла его проводимость падает (рис. 1.32). Наклепанная медная проволока, следовательно, имеет более высокое удельное электрическое сопротивление по сравнению с ненаклепанной медной проволокой. Устранить этот дефект молено отжигом металла при определенной температуре. Электрическое сопротивление металла при этом восстанавливается до прежней величины.

Следует учитывать, что излишне высокие температуры отжига могут ухудшить механические свойства отожженного металла.

Рисунок 1.32. Влияние наклепа на удельную проводимость меди

Поэтому отжиг проводника производят при оптимальной температуре, например, проводниковую медь отжигают при температуре 450—500° С, а проводниковый алюминий — при температуре 300—350° С. Однако в тех случаях, когда необходимо повысить механическую прочность на разрыв или твердость металлических проводниковых изделий, например проводов для воздушных линий, контактных проводов и др., используют холодную прокатку или холодное волочение этих металлов. Такие провода называются твердотянутыми.

Большое техническое и научное значение приобрели диаграммы, показывающие зависимость изменения электрических, механических и других свойств сплавов от их химического состава. Эти диаграммы получили название диаграмм «состав — свойство».

С помощью таких диаграмм можно установить желательные по свойствам сплавы определенного состава. Для проводниковых сплавов значительный интерес представляет изменение величины удельной проводимости в зависимости от процентного содержания сплавляемых металлов. В случае механической смеси двух металлов, когда в сплаве металлы находятся отдельно в виде зерен, проводимость сплавов будет изменяться по прямой линии.

Сплавы металлов отличаются от чистых металлов повышенной механической прочностью, твердостью и большей стойкостью к окислению на воздухе (коррозионная стойкость).

1.1. Диэлектрики

Диэлектрик – вещество, основным свойством которого является способность поляризоваться в электрическом поле. Диэлектрические материалы по ГОСТ 21515-76 – это материалы, предназначенные для использования их диэлектрических свойств. Процесс поляризации заключается в изменении расположения в пространстве частиц диэлектрика, имеющих электрические заряды, при приложении к диэлектрику электрического поля. После снятия поля частицы возвращаются в исходное состояние. При приложении электрического поля диэлектрик приобретает наведенный электрический момент, и в конденсаторе, образованном диэлектриком и электродами, образуется электрический заряд

Q = C U,
где Q — электрический заряд, Кл;
С — электрическая емкость конденсатора, Ф;
U - приложенное напряжение, В.

Энергия электрического поля, Дж, запасенная на участке изоляции, определяется как:

W = QU / 2 = C U² / 2.

При приложении к диэлектрику переменного синусоидального напряжения через участок изоляции, емкостью С (Ф) проходит емкостной ток:

I = U wC = 2pf C,

где U - действующее значение приложенного напряжения, В;

f - частота, Гц;

v - угловая частота, рад/ с.

При параллельном включении n конденсаторов их результирующая емкость Ср равна сумме емкостей каждого отдельного конденсатора, а при последовательном их соединении результирующая емкость Сs определится как:

1/ C_s = å(1/ C_s).

При последовательном соединении емкость С_s меньше, чем емкость каждого отдельного конденсатора, а при параллельном включении C_р будет больше, чем емкость каждого отдельного конденсатора или равна их сумме.

Поляризация диэлектриков

Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул в электрическом поле. Под влиянием силовых линий электрического поля заряды диэлектрика смещаются по направлению действующих сил в зависимости величины напряженности. При отсутствии электрического поля заряды возвращаются в прежнее состояние.

Различают два вида поляризации: поляризация мгновенная, вполне упругая, без выделения энергии рассеяния, т. е. без выделения тепла, за время 10^-15 — 10^-13 с; поляризация не совершается мгновенно, а нарастает или убывает замедленно и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагревает - это релаксационная поляризация за время от 10^-8 до 10² с.

К первому виду относятся электронная и ионная поляризации.

Электронная поляризация (C_э, Q_э) — упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и ионов за время 10 -15 с. Наблюдается такая поляризация для всех видов диэлектриков и не связана с потерей энергии, а диэлектрическая проницаемость вещества численно равна квадрату показателя преломления света n².

Ионная поляризация (C _и, Q _и) характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением (колебанием) упруго связанных ионов в узлах кристаллической решетки за время 10^-13 с. С повышением температуры смещение усиливается и в результате ослабления упругих сил между ионами, а температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ионных диэлектриков оказывается положительным.

Ко второму виду относят все релаксационные поляризации.

Дипольно-релаксационная поляризация (C_др, r_др, Q_др) связана с тепловым движением диполей при полярной связи между молекулами. Поворот диполей в направлении электрического поля требует преодоления некоторого сопротивления, выделения энергии в виде тепла (r _др). Время релаксации здесь порядка 10^-8 — 10^-6 с — это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных электрическим полем диполей после снятия поля уменьшится вследствие наличия тепловых движений в 2,7 раза от первоначального значения.

Ионно-релаксационная поляризация (C _ир, r _ир, Q _ир) наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых веществах с неплотной упаковкой ионов. Слабосвязанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых движений получают избыточные набросы в направлении поля и смещаются по силовой линии его. После снятия электрического поля ориентация ионов ослабевает по экспоненциальному закону.

Электронно-релаксационная поляризация (C_эр, r_эр, Q_эр) возникает за счет возбужденных тепловых энергий избыточных, дефектных электронов или «дырок» за время 10^-8 — 10^-6 с. Она характерна для диэлектриков с высокими показателями преломления, большим внутренним полем и электронной электропроводностью: двуокись титана с примесями, Са+2, Ва+2, ряда соединений на основе окислов металлов переменной валентности — титана, ниобия, висмута. При этой поляризации имеет место высокая диэлектрическая проницаемость и при отрицательных температурах наличие максимума в температурной зависимости ε (диэлектрической проницаемости). ε для титаносодержащей керамики уменьшается с возрастанием частоты.

Структурные поляризации различают:

Миграционная поляризация (C_м, r_м, Q_м) протекает в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях, слоях, границ раздела или наличии примесей за время порядка 10² с. Эта поляризация проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеянием энергии. Причинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических, сложных диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т.д. На границах раздела между слоями в диэлектрике и при электродных слоях идет накопление зарядов медленно движущихся ионов — это эффект межслоевой или структурной высоковольтной поляризации.

Для сегнетоэлектриков различают спонтанную или самопроизвольную поляризацию,(C_сп, r_сп, Q_сп), когда идет значительное рассеяние энергии или выделение тепла за счет доменов (отдельные области, вращающихся электронных оболочек), смещающихся в электрическом поле, т. е. еще в отсутствии электрического поля в веществе есть электрические моменты, а при некоторой напряженности внешнего поля наступает насыщение и наблюдается возрастание поляризации.

Классификация диэлектриков по виду поляризации

Первая группа — диэлектрики, обладающие электронной и ионной мгновенной поляризациями. Структура таких материалов состоит из нейтральных молекул, может быть слабополярной и характерна для твердых кристаллических и аморфных материалов таких, как парафин, сера, полистирол, а также жидкие и газообразные материалы как бензол водород и др.

Вторая группа — диэлектрики, обладающие электронной и дипольно-релаксационной поляризациями — это полярные органические жидкие, полужидкие, твердые вещества как маслоканифольные компаунды, эпоксидные смолы, целлюлоза, хлорированные углеводороды и т.п. материалы.

Третья группа — диэлектрики твердые неорганические, которые делятся на две подгруппы, отличающиеся по электрическим характеристикам:

1) диэлектрики, обладающие электронной и дипольно-релаксационной поляризациями, такие как кварц, слюда, каменная соль, корунд, рутил;

2) диэлектрики с электронной и ионной релаксационными поляризациями – это стекла, материалы со стекловидной фазой (фарфор, микалекс и т.п.) и кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой ионов.

Четвертая группа — это диэлектрики, обладающие электронной и ионной мгновенными и структурной поляризациями, что свойственно многим позиционным, сложным, слоистым и сегтоэлектрикам материалам.

Диэлектрическая проницаемость

О явлении поляризации судят по значению диэлектрической проницаемости e. Параметр e, характеризующий способность материала образовывать емкость, называется относительной диэлектрической проницаемостью. Слово “относительная” обычно опускается. Надо учесть, что электрическая емкость участка изоляции с электродами, т.е. конденсатора, зависит от геометрических размеров, конфигурации электродов и от структуры материала, образующего диэлектрик этого конденсатора.

Практическое значение диэлектрической проницаемости очень велико. Она определяет не только способность материала образовывать емкость, но и входит в ряд основных уравнений, которые характеризуют физические процессы, протекающие в диэлектрике.

Диэлектрики по виду поляризации делятся на четыре группы.

Первая группа — однокомпозиционные, однородные, чистые без добавок, диэлектрики, у которых в основном электронная поляризация или плотная упаковка ионов. К ним относятся неполярные и слабополярные твердые диэлектрики в кристаллическом или аморфном состоянии, а также неполярные и слабополярные жидкости и газы для таких материалов.

Вторая группа — технические диэлектрики с электронной, ионной и одновременно с дипольно-релаксационной поляризациями. К ним относятся полярные (дипольные) органические полужидкие и твердые вещества, например масляноканифольные компаунды, целлюлоза, эпоксидные смолы и композиционные материалы, составленные из этих веществ, для них.

Третья группа — технические диэлектрики с ионной и электронной поляризациями; диэлектрики с электронной, ионной релаксационными поляризациями делится на две подгруппы. К первой подгруппе относятся в основном кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов ε < 3,0. Ко второй подгруппе относятся неорганические стекла и материалы, содержащие стекловидную фазу, а также кристаллические вещества с неплотной упаковкой ионов.

Четвертую группу составляют сегнетоэлектрики, имеющие спонтанную, электронную, ионную, электронно-ионно-релаксационные поляризации, а также миграционную или высоковольтную для композиционных, сложных и слоистых материалов.

Электропроводность диэлектриков

Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в диэлектрике протекают во времени до момента установления равновесия и создают токи смещения. В случае электронной и ионной поляризаций эти токи практически не удается зафиксировать приборами. Токи смещения различных видов замедленной поляризации, наблюдаемые в большинстве технических диэлектриков, называют токами абсорбции. При приложении постоянного напряжения они наблюдаются при включении и выключении, меняя свое направление. Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свободных зарядов приводит к возникновению малых по величине сквозных токов.

По агрегатному состоянию все диэлектрики, как известно, делятся на твердые, жидкие и газообразные. Для твердых диэлектриков, используемых в качестве электроизоляционных материалов, различают объемную проводимость изоляции G v, определяемую как отношение сквозного тока смещения или утечки к приложенному напряжению и поверхностную проводимость Gs, изоляции, которая характеризует наличие слоя повышенной проводимости на поверхности раздела твердой изоляции с окружающей газовой средой - это воздух, где ток зависит от состояния поверхности: увлажнения, шероховатости и загрязнения. Для сравнительной оценки объемной и поверхностной проводимостей пользуются значениями удельного объемного rv и удельного поверхностного rs сопротивленияs, определяя по ним соответствующие удельные объемную и поверхностную проводимости.

Диэлектрические потери в диэлектриках

Основные понятия

Диэлектрическими потерями называется мощность, рассеиваемая в диэлектрике под действием приложенного к нему электрического поля и вызывающая его нагрев. Рассматривают полные диэлектрические потери, вызываемые как при переменном, так и при постоянном напряжениях за счет сквозных токов, обусловленного проводимостью.

Природа диэлектрических потерь в изоляционных материалах различна b зависит от агрегатного состояния вещества: газообразного, жидкого и твердого. При изучении диэлектрических потерь, связанных с явлением поляризации диэлектрик, можно отобразить в виде кривых зависимостей заряда Q на обкладках конденсатора с заданным диэлектриком от напряжения электрического поля (рисунки 1.33 — 1.34). Потери, вызванные мгновенными поляризациями, не разогревают диэлектрик и графическое отображение их — линейная зависимость (рисунок 1.34). Потери, вызванные любой замедленной поляризациями, выражаются площадью овала пропорциональной энергии рассеяния на тепло за один период напряжения (рисунок 1.34). Для диэлектриков со спонтанной поляризацией потери энергии за один период определяются площадью, ограниченной петлей гистерезиса (рисунок 1.35).

Схема замещения диэлектрика

В любом диэлектрике, помещенном в электрическое поле, наблюдаются явления: смещение зарядов различных видов поляризаций, перемещение зарядов или ток по объему структуры или по поверхности ее и нагрев диэлектрика от энергии рассеяния – все эти явления происходят в направлении силовых линий электрического поля. На рисунке 1.38 отображены эти явления и представлены как схема замещения изоляционного материала.

Рисунок 1.38. Схема замещения диэлектрика с учетом явлений поляризации, электропроводности и диэлектрических потерь

Виды диэлектрических потерь

Диэлектрические потери по своей природе и физической сущности или воздействию электрического поля делятся на четыре основных вида:

1) диэлектрические потери, обусловленные всеми видами мгновенной и замедленной поляризацией в диэлектриках;

2) потери от сквозной электропроводности;

3) ионизационные потери;

4) потери, вызванные неоднородностью структуры.

Таким образом, три явления электрического поля определяют или вызывают нагрев диэлектрика: поляризация, электропроводность и ионизация.

Пробой диэлектриков

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение, когда разрушаются молекулярные связи. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности; значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а значение напряженности электрического поля, соответствующее пробивному напряжению, — электрической прочностью диэлектрика. Пробой (длительный или кратковременный) диэлектрика приводит к потере диэлектрических свойств и образованию канала с высокой электрической проводимостью. Электрическая прочность диэлектрика определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя. Как правило, пробивное напряжение измеряется в киловольтах.

По физической природе различают несколько, видов пробоя диэлектриков, основными из которых являются следующие:

• электрический;
• электротепловой;
• электромеханический;
• электрохимический;
• ионизационный.