Elektros medzžiagos

1. Medžiagų klasifikacija

Laidininkai, puslaidininkiai, dielektrikai ir magnetinės medžiagos. Ši klasifikacija yra sąlygine, kadangi tarp pirmųjų trijų grupių nėra griežtos ribos.

Laidininkai skirstomi į klasikines, kriogenines ir superlaidžias medžiagas. Medžiagos, kurios naudojamos reostatų ir vielinių rezistorių gamyboje vadinamos aukštos elektrinės varžos laidininkais. Vakuuminės technikos medžiagos, medžiagos kontaktams, medžiagos bimetalinėms plokštelėms. Kaip speciali medžiaga prie laidininkų priskiriamas ir grafitas.

Puslaidininkinės medžiagos skirstomos pagal cheminę sudėtį: cheminiai elementai (paprasti puslaidininkiai) ir cheminiai junginiai {sudėtingi puslaidininkiai). Elektroninis laidumas – n tipo puslaidininkiai, skylinis laidumas – p ttipo puslaidininkiais. Gali būti neorganiniai ir organiniai. Pagal struktūrą skiriami kristalinai ir amorfiniai puslaidininkiai.

Dielektrikai, elektroizoliacinės medžiagos, pagal agregatinę būseną skirstomi į dujinius, skystus ir kietus. Kieti dielektrikai skirstomi į gamtinius ir sintetinius, taip pat į organinius ir neorganinius. Svarbesnė klasifikacija pagal elektrofizikines savybes: neutralūs ir poliniai dielektrikai.

Magnetinės medžiagos pagal fizikines savybes skirstomos į feromagnetikus ir ferimagnetikus (feritai), pagal panaudojimą – į magnetiškai kietas ir magnetiškai minkštas. Magnetiškai kietų medžiagų grupėje galima išskirti grupes su specialiomis savybėmis: medžiagos su stačiakampe histerezės kkilpa, medžiagos su pastovia magnetine skvarba.

3. Kristalinės kietu kunų struktura. Erdvinės gardelės.

Medžiagų struktūrą galime nagrinėti mikroskopiniame ir .makroskopiniame lygyje.Atomai, jonai, molekulės – jei šios dalelės erdvėje išsidėstę sistemingai – tai kristalinė struktūra, jei dalelės išdėstytos chaotiškai – tai amorfinė struktūra.

Medžiagų ssavybių valdymas.keičiant jų struktūrą, leidžia pakeisti daugelį savybių, nekeičiant medžiagų sudėties.

Medžiagų struktūrą galima keisti terminiu apdirbimu.

Kristalinė struktūra gaunama tada, kai elementariosios medžiagos dalelės (atomai, jonai, molekulės) išsidėstę dėsningai kristalinės gardelės mazguose. Idealus kristalas – tai teorinis modelis, kuris žymiai paprastesnis už realų kristalą modelyje kristalinė gardelė ideali, o ją sudarančios dalelės stabilios.

Realus kristalas neturi nė vienos Šių savybių. Kristalinė gardelė yra tobula tik tam tikru laipsniu ir priklauso nuo defektų kiekio.

Kristalų klasifikacija: Pirmasis būdas yra aprašomojo pobūdžio. Jame aprašoma kaip išdėstytos dalelės kristale, bet nekalbama apie to priežastis. Tai geometrinis būdas.

Kristalinės struktūros tipo aprašymui pakanka nustatyti elementariąją kristalinę gardelę. Ji apibūdinama sąvokomis koordinatinis skaičius ir kristalinės gardelės pastovioji.

Antrasis kristalų aprašymo būdas yra fizikinis – cheminis. Kristalai skirstomi pagal ddalelių sąryšio jėgų charakterį. Iš šių pozicijų kristalai skirstomi į metalinius, kovalentinius (atominius), joninius, molekulinius.

Metalinių kristalų gardelę sudaro teigiamai įelektrintų jonų, susietų laisvaisiais elektronais, sistema. Laisvieji elektronai vadinami „elektroninėmis dujomis“.

Kovalentinių kristalų gardelę sudaro atomai, kurie susieti elektronų poromis, bendromis abiem susietiems tarpusavyje atomams.

Molekulinių kristalų gardelę sudaro molekulės, tarpusavyje susietos tarpmolekulinėmis jėgomis.

Labai stipriai nuo medžiagos kristalinės struktūros priklauso lyginamasis elektrinis laidumas. Tai svarbu medžiagoms iš kurių gaminami laidai. Vienas iš būdų pagerinti metalų laidumą- padidinti švarumo laipsnį.

7. Dielektrikų poliarizacija elektriniame lauke. DDielektrine skvarba

Daugumos dielektrikų poliarizacija – tai elektrinio (dipolinio) momento atsiradimas medžiagos tūryje, sukeltas suriStų elektros krūvių riboto poslinkio, veikiant išoriniam elektriniam laukui. Surišti elektros krūviai egzistuoja atomuose, molekulėse bei kristalų gardelėse.

Nesant išorinio elektrinio lauko, teigiami (protonų) ir neigiami (elektronų) krūviai atome išsidėsto taip, kad atomas su aplinka sąveikauja kaip elektriškai neutrali dalelė.

Veikiant išoriniam elektriniam laukui krūvių išsidėstymo erdvėje simetrija yra pažeidžiama ir atsiranda indukuotas elektrinis momentas: teigiamų krūvių (protonų) „svorio centras“ pasislenka išorinio elektrinio lauko kryptimi, o neigiamų krūvių (elektronų) „svorio centras“ – priešinga kryptimi. Dėl didelio protonų ir elektronų masių skirtumo elektronų poslinkis yra žymiai didesnis ir proporcingas išorinio elektrinio lauko stiprumui. Toks poliarizacijos mechanizmas vadinamas elektronine poliarizacija.

Santykinė dielektrinė skvarba yra vienas iš pagrindinių dielektrinių medžiagų savybių rodiklių. Santykinė dielektrine skvarba išreiškia aplinkos įtaką į sąveikos jėgą tarp dviejų taškinių krūvių, nutolusių tam tikru atstumu vienas nuo kito neapribotoje erdvėje:

F – sąveikos jėga tarp krūvių Q1 ir Q2; r – atstumas tarp krūvių.

Taigi, santykine dielektrinė skvarba rodo, kiek kartų sąveikos jėga tarp krūvių Šioje aplinkoje mažesnė negu vakuume.

Dielektrinę skvarba galima apibrėžti ir remiantis ryšiu tarp elektrinės slinkties D ir elektrinio lauko stiprumo E:

Patogiausia apibrėžti remiantis ryšiu su kondensatoriaus talpa:

C – kondensatoriaus talpa;r – kondensatoriaus dielektriko medžiagos santykine skvarba; S &– kondensatoriaus elektrodo plotas; d – atstumas tarp elektrodų.

Kondensatoriaus be dielektriko talpa C0:

Santykinę dielektrinę skvarbą galima apibrėžti:

Toks apibrėžimas taikytinas tik tiesiniams dielektrikams.

Netiesinių dielektrikų santykinė skvarba priklauso nuo to, kokio stiprumo elektriniame lauke dirba dielektrikas. Statiniame režime yra nustatoma statinė santykinė skvarba. Dinaminiame režime nustatoma amplitudinė santykinė dielektrinė skvarba.

Statinė santykinė. dielektrinė skvarba apibrėžiama išraiška:

D – elektrinės slinkties reikšmė netiesiniame dielektrike; E i elektrinio lauko stiprumo reikšmė.

D1 ir E1 – elektrinės slinkties ir lauko stiprumo reikšmės tame kreivės D  f(E) taške, kuriame šios kreivės liestinės kampas  su ašimi E yra didžiausias.

Diferencinė santykinė dielektrinė skvarba bet kuriame pasirinktame kreivės D = f(E) taške:

Amplitudinė santykinė dielektrinė skvarba lygi:

Dmax ir Emax – maksimalios elektrinės slinkties ir lauko stiprumo reikšmės vieno periodo ribose.

Santykine dielektrinė skvarba priklauso nuo elektrinio lauko stiprumo nevienalyčiuose dielektrikuose ir segnetoelektrikuose, t.y. netiesiniuose dielektrikuose.

Veikiant kintamam elektriniam laukui, segnetoelektriko priklausomybė D = f(E) dėl dielektrinės histerezės įgyja formą, pavaizduotą.

Didinant elektrinio lauko stiprumą, amplitudine santykinė dielektrinė skvarba taip pat didėja, kadangi krūvis auga greičiau negu įtampa ant segnetoelektrinio kondensatoriaus elektrodų. Pasiekus tam tikro lygio kintamą elektrini lauką, gaunama ribinė histerezės kilpa, pasiekiama soties būsena.

8. Polirizacijos rūšys ir charakteristika. Tiesiniai ir netiesiniai dielektrikai

Dielektrikų poliarizacija- tvarkingas surištu elect. kruviu išsidestimas dielek. viduje, veikiant prijungtai įtampai. <

Polarizacija gali buti: elektronine, jonine, dipoline, relaksacine, spontanine, migracine.

Prikl. nuo diel. skvarbos kitimo, keičiantis elect. laukui, dielekt. skirstomi į :

Tiesinius (E = f(E) = const);

Netiesinius.

E

tiesinis dielek.

D – diel. elektrine slinktis;

E-elek. lauko stipris

A-proporc. koefic.(ivertina alfa)

E

Netiesinio dielektriko priklauso nuo elek. lauko stiprumo E.

Ši histerezes kilpa charakter. segnetoelektr.

Est- statine diel. skvarba(nekintant E ir D)

11. Elektriniai nuostoliai dielektrikuose ir ju skaičiavimas

Jei prie dielektriko prijungta pastovi itampa, dielek. elektr. nuostoliai yra labai maži:

Tekant kintamai srovei, nuostoliai dielekt. priklauso nuo dažnio(dideja), todėl aukšto dažnio grand. reikia parinkti dielek. kuriu maži elektriniai nuostoliai:

– kampas tarp sroves ir itampos.

Dielektriniu nuostoliu rušys:

1. Nuostoliai del poliarizacijos (polin. diel.)

2. Nuostoliai del skersinio diel. laidumo

3. Jonizacijos nuostoliai (dujin. diel.)

4. Nuostoliai del dielek. strukturos nehomogeniškumo (sluoksniuoti diel.)

Pj- jonizacijos nuostoliai

Uj- jonizacijos itampa U- darbo itampa

Ukr- kritine (duju pramušimo) itampa

13. Kietųjų dielektrikų elektrinio laidumo fiz. mechanizmas ir temper. prikl.

Silpnuose elektriniuose laukuose kietose elektroizoliacinėse medžiagose dažniausiai sutinkamas nesavasis elektrolaidumas, kurį nulemia jonai, susidarantys disocijuojant priemaišoms bei teršalams.

Stipriuose elektriniuose laukuose visose elektroizoliacinėse medžiagose dominuoja elektroninis laidumas. Laisvieji elektronai atsiranda, vykstant smūginei jonizacijai, kaip ir dujose. Tačiau jonizacijai reikalingi žymiai stipresni laukai.

Kietose elektroizoliacinėse medžiagose yra išskiriamas paviršinis ir tūrinis

laidumai bei, atitinkamai, paviršinė ir tūrinė medžiagos dielektrinės varžos.

Paviršinis kietų .elektroizoliacinių medžiagų laidumas atsiranda dėl to, kad ant jų paviršiaus nusėda įvairūs teršalai, pavojingiausias iš kurių yra vanduo. Vanduo pavojingas tuo, kad pats gali disocijuoti, be to jame gerai tirpsta kiti teršalai, o kartais net ir pati elektroizoliacinė medžiaga.

Geresnės yra polinės elektroizoliacinės medžiagos, kurių paviršių vanduo drėkina, bet netirpdo. Užtikrinus reikiamą paviršiaus Svarumą, šios medžiagos pasižymi pakankamai aukšta paviržine varža.

Geriausi rezultatai gaunami naudojant neutralias elektroizoliacines medžiagas, kurių paviršiaus vanduo nedrėkina. JJos išlaiko didelę paviršinę varžą, dirbdamos drėgnoje aplinkoje net ir be specialių apsaugos priemonių.

14. Skysčiu ir dujinių dielektriku elektrinio laidumo fiz. mechanizmas ir temper. prikl.

Silpnuose elektriniuose laukuose esančias dujas sudaro elektriškai neutralios dalelės – molekulės arba atomai. Laisvieji krūvininkai dujose atsiranda veikiant išoriniams jonizuojantiems faktoriams. Tokiu būdu į dujas patenka dalelės, kurių energija viršija atomų ir molekulių jonizavimui reikalingą energiją. Susidūrus su tokiomis dalelėmis įvyksta tam tikro kiekio molekulių jonizacija.

Stipriuose elektriniuose laukuose jėga, kuri veikia laisvuosius krūvininkus, yra labai didelė iir gali tiek įgreitinti elektronus, kad jų kinetinė energija, įgyjama per laiką tarp dviejų susidūrimų su kita dalele, gali viršyti molekulių jonizavimo .energiją. Tokie greiti elektronai, susidūrę su neutraliomis molekulėmis, gali sukelti jų jonizaciją, t.y. suskaldyti jas Į elektronus ir tteigiamus jonus. Po kiekvieno susidūrimo atsiranda jau du elektronai, kurie gali jonizuoti dvi sekančias molekules ir t.t. Toks staigus laisvųjų elektronų kiekio augimas, susiduriant jiems su neutraliomis molekulėmis, vadinamas smūgine jonizacija.

Skystų elektroizoliacinių medžiagų laidumas silpnuose elektriniuose laukuose sąlygojamas daugiausia teršalų bei priemaišų jonų, kurie atsiranda vykstant disociacijai.

Kai kurios skystos elektroizoliacinės medžiagos, pavyzdžiui, mineralinės alyvos, yra iš esmės koloidinės sistemos. Tokias sistemas paprastai sudaro du komponentai, vieno iš kurių dalelės yra labai mažos ir išsibarstę pagrindinio komponento tūryje (naftos alyvoje gali būti išsibarstę vandens lašeliai). Išsibarsčiusio komponento dalelės Spontaniškai įgyja krūvį ir elektriniame lauke elgiasi kaip laisvieji krūvininkai. Veikiamos elektrinio lauko tokios dalelės kryptingai juda. Tai vadinama elektroforeziniu laidumu.

Stipriuose elektriniuose laukuose skystose elektroizoliacinėse medžiagose pasireiškia elektroninis laidumas. Laisvieji elektronai atsiranda smūginės jjonizacijos bei fotojonizacijos pasekoje, panašiai kaip ir dujose. Kritinis elektrinio lauko stiprumas skysčiams yra didesnis negu dujoms.

15. Dielektrinių nuostolių rušys izoliacinėse medžiagose ir ju skaičiavimas

Elektriniame lauke esantys dielektrikai šyla, nes dalis elektrinio lauko cnergijos išsklaidoma ir virsta šilumine energija. Per laiko vienetą išsklaidoma energija vadinama dielektriniais nuostoliais.

Pagrindiniu dielektrinių nuostolių susidarymo mechanizmu yra laikomas medžiagos šilimas dėl baigtinio elektrolaidumo. Elektrolaidumo nuostoliai egzistuoja visuose dielektrikuose ir labiausiai pasireiškia kylant temperatūrai.

Be elektrolaidumo nuostolių dar yra poliarizaciniai nuostoliai. Šie nuostoliai paprastai stebimi tik tam ttikrame temperatūrų intervale, kuriame vyksta relaksacinė poliarizacija.

Stipriuose elektriniuose laukuose pasireiškia trečias dielektrinių nuostolių mechanizmas •jonizaciniai nuostoliai, atsirandantys jonizuojantis dielektrikui.

Skaičiavimas (gal but)

Pirmenybė atiduodama tokiems rodikliams, kurie priklauso tik nuo medžiagos kokybės ir yra santykinai lengvai išmatuojami.Tai dielektrinių nuostolių kampo tangentas ir dielektrinių nuostolių koeficientas. Abu šie rodikliai nustatomi ir turi tikslią fizikinę prasmę tik tiesiniams dielektrikams ir tik veikiant sinusiniam kintamam elektriniam laukui.

Dielektrinių nuostolių kampo tangentas apibrėžiamas kaip tangentas kampo , papildančio kampą  tarp srovės ir įtampos fazių iki 90 –ties laipsnių (=90°-). Kampas  yra vadinamas dielektrinių nuostolių kampu (2.10pav.).

Ryšys tarp dielektrinių nuostolių kampo tangento tg ir dielektrinių nuostolių P aprašomas išraiška:

čia U- elektrinės įtampos veikiančioji reikšmė;I – elektros srovės veikiančioji reikšmė; – įtampos ir srovės fazių skirtumas; – nuostolių kampas; C -elektrinė talpa;  – kampinis dažnis.

Dielektrinių nuostolių koeficientas apibrėžiamas kaip kompleksinės santykinės dielektrinės skvarbos menamos dalies reikšmė. Jis lygus santykinės dielektrinės skvarbos ir nuostolių kampo tangento sandaugai, t.y. •tg

16. Dielektrinių nuotolių priklausomybės nuo temperatūros kietose dielektrikose

Dielektriniai nuostoliai priklauso nuo elektrinio lauko stiprumo, dažnio, santykinės dielektrinės skvarbos (jai proporcinga elektrinė talpa C) ir dielektrinių nuostolių kampo tangento. Tenka įvertinti, kad santykinė dielektrinė skvarba ir nuostolių kampo tangentas priklauso nuo temperatūros ir dažnio, o kai kuriais atvejais ir nuo įįtampos.

Analizuojant dielektrinių nuostolių kampo tangento tg temperatūrinę priklausomybę būtina atskirti polinius ir neutralius dielektrikus.

Neutraliuose dielektrikuose pasireiškia tik elektrolaidumo nuostoliai todėl dielektrinių nuostolių kampo tangentas eksponentiškai auga didėjant temperatūrai. Tokį pat charakterį turi ir dielektrinių nuostolių temperatūrinė priklausomybė, kadangi neutralių dielektrikų santykinė dielektrinė skvarba praktiškai nepriklauso nuo temperatūros.

Poliniuose dielektrikuose prie elektrolaidumo nuostolių (1 kreivė), kurie yra didesni negu neutralių dielektrikų, prisideda poliarizaciniai nuostoliai (2 kreivė), padidinantys bendrą nuostolių kampo tangento reikšmę. Galiausiai nuostolių kampo tangento temperatūrinė priklausomybė įgauna 3 kreives formą.

Dielektriniai nuostoliai paprastai didėja, augant temperatūrai, nepaisant to, kad tg tam tikroje srityje mažėja. Taip vyksta dėl to, kad temperatūrų intervale, kuriame tg mažėja, smarkiai padidėja polinio dielektriko santykinė dielektrinė skvarba. Pažymėtina ir tai, kad dažnai elektrolaidumo nuostoliai yra didesni hegu poliarizaciniai.

17. Dielektrikų elektrinis atsparumas ir pramušimo įtampa

Pramušimu vadinamas staigus elektroizoliacinės medžiagos izoliacinių savybių praradimas, veikiant išoriniam elektriniam laukui. Elektroizoliacinių savybių praradimas gali būti grįžtamas, kaip yra dujiniuose ar skystuose dielektrikuose, arba negrįžtamas kietų dielektrikų atveju. Ektroizoliacinės medžiagos elektrinis atsparumas yra viena iš svarbiausių jos savybių. Elektrinis atsparumas rodo medžiagos gebėjimą išsaugoti elekiroizoliacines savybes elektriniame lauke. Vienalyčio elektrinio lauko atveju elektrinis atsparumas turi tiksli¹ fizikinź prasmź. Jis atitinka įtampos reikšmei, prie kurios vyksta pramušymas:

20. Kietu dielektriku pramušimo rušys. Šiluminis pramušimas

Kietose ddielektrik. yra 3 pramušimo mechanizmai:

1. Elektrinis;

2. Šiluminis;

3. Elektrocheminis;

4. Jonizacinis.

Elektroizoliacinių medžiagų šiluminis pramušimas įvyksta tuomet, kai šilumos kiekis, susidarantis medžiagoje dėl dielektrinių nuostolių, viršija šilumos kiekį, kurį medžiaga gali atiduoti aplinkai, t.y. kai pažeidžiamas susidarančios ir atiduodamos aplinkai šilumos balansas.

Didėjant temperatūrai, dielektriniai nuostoliai auga eksponentiškai. Šilumos kiekis, kurį elektroizoliacinės medžiagos paviršius sugeba atiduoti aplinkai per laiko vienetą, išreiškiamas formule:

čia Q – šilumos kiekis, atiduotas aplinkai per laiko vienetą;  – • šiluminio laidumo koeficientas; S – elektroizoliacinės medžiagos paviršiaus plotas; T0 – aplinkos temperatūra; T – elektroizoliacinės medžiagos temperatūra.

Atiduodamos šilumos kiekis per laiko vienetą (šiluminio srauto galia) didėjant temperatūrai auga tiesiškai.

Esat tokiam elektroizoliacinės medžiagos darbo režimui, kai nuostoliai joje atitinka 1 kreivę nuolat sukuriama šilumos daugiau, negu medžiagos paviršius gali perduoti aplinkai, todėl medžiagos temperatūra pastoviai didėja, kol įvyksta šiluminė destrukcija (išsilydimas, apanglėjimas).

Kai medžiagos darbo režimas atitinka 2 kreivę, atsiradus elektriniam laukui, elektroizoliacinė medžiaga pradeda kaisti ir jos temperatūra nusistovi ties lygiu T3, kur sukuriamas šilumos kiekis atitinka aplinkai perduodamos šilumos kiekį. Tai yra nestabilios pusiausvyros temperatūra. Po to elektroizoliacinės medžiagos temperatūra nuolat didės iki pat šiluminės destrukcijos.

Palankiausias elektroizoliacinės medžiagos darbo režimas atitinka 3 kreivę. Atsiradus elektriniam laukui medžiagos temperatūra didėja dėl dielektrinių nuostolių iki lygio T1, kuomet nusistovi

stabili pusiausvyra. Jei dėl kokių nors priežasčių nuostoliai padidėja, elektroizoliacinė medžiaga kažkiek įkaista, bet po to vėl atvėsta, kadangi šilumos kiekis, kurį ji sugeba atiduoti aplinkai, yra didesnis negu nuostolių sukurtos šilumos kiekis. Ir tik tuo atveju, jai medžiagos temperatūra dėl nuostolių pasieks reikšmę T2 susidarys nestabili pusiausvyra ir toliau didėjant nuostoliams gali įvykti negrįžtama Šiluminė medžiagos destrukcija.

Iš pusiausvyros sąlygos galima apskaičiuoti šiluminio pramušimo įtampą:

,

.

Šiluminio pramušimo atveju elektrinis atsparumas priklauso ne tik nuo medžiagos savybių (santykinės dielektrinės skvarbos, nnuostolių kampo tangento, šiluminio laidumo koeficiento), bet ir nuo temperatūros, dažnio, o taip pat aušinimo sąlygų (aplinkos šiluminio laidumo, elektroizoliacinės medžiagos paviršiaus ploto, jos storio).