Материаловедение (стр. 2 из 3)

Наличие воды в жидком диэлектрике, даже в очень небольших количествах, сильно снижает его электрическую прочность. Вода при нормальной температуре не смешивается с жидким диэлектриком, а содержится в нём в виде мельчайших капелек. Под влиянием электрического поля эти капельки воды (сильно полярной жидкости) поляризуются и создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой.

Наблюдается своеобразная зависимость электрической прочности жидкого диэлектрика, содержащего воду от температуры. При повышении температуры выше комнатной, вода переходит из состояния эмульсии в состояние молекулярного раствора, в котором она более слабо влияет на величину электрической прочности. Вследствие этого электрическая прочность жидкого диэлектрика, в частности трансформаторного масла, возрастает до некоторого максимума. А дальнейшее снижение электрической прочности объясняется явлениями кипения жидкости. При снижении температуры при условии, когда вода не успевает испариться из масла, электрическая прочность изменяется по той же кривой. В сухом масле, не содержащем воды, электрическая прочность не зависит от температуры в пределах до 80 ^оС, когда начинается кипение лёгких масляных фракций и образование большого количества пузырьков пара внутри жидкости.

Увеличение электрической прочности трансформаторного масла при низких температурах связывают с увеличением вязкости масла и меньшими значениями диэлектрической проницаемости льда по сравнению с водой.

Твёрдые вкрапления (сажа, волокна и т. п.) искажают электрическое поле внутри жидкости и также приводят к снижению электрической прочности диэлектрических жидкостей.

Очистка жидких диэлектриков, в частности масел, от примесей заметно повышает электрическую прочность. Так, например, неочищенное трансформаторное масло имеет электрическую прочность примерно 4 МВ/м; после тщательной очистки она повышается до 20 – 25 МВ/м.

На пробой жидких диэлектриков, как и газов, оказывает влияние форма электродов: с увеличением степени неоднородности электрического поля пробивное напряжение при одинаковых расстояниях снижается. В неоднородных электрических полях, так же как и в газах, может быть неполный пробой – корона. Сколь либо длительная корона в жидких диэлектриках недопустима, так как она вызывает разложение жидкости.

Так же к факторам, влияющим на электрическую прочность, следует отнести частоту тока. С увеличением частоты электрическая прочность жидких диэлектриков уменьшается.

3. Что происходит при контакте двух полупроводников с разным типом проводимости. Начертите вольт-амперную характеристику полупроводникового диода с кратким объяснением этой характеристики.

В электротехнике особое значение получила односторонняя электропроводность пластинки, состоящей из половинок с разными типами электропроводности (p и n). На этом принципе основано действие полупроводниковых диодов.

Электроды, на которые может быть подана определённая разность потенциалов, наложены на торцы пластинки.

Без создания электрического поля за счёт поданных на электроды потенциалов на границе между половинками с разными типами проводимости в так называемом электронно-дырочном переходе (или p – n-переходе) образуется тонкий запорный слой, порядка 10^-5 см, через который не проходят ни электроны, ни «дырки». Механизм образования этого запорного слоя сводится к следующему физическому процессу.

В половинке с p-проводимостью концентрация «дырок» больше, чем в зоне с n-проводимостью; в последней же имеется повышенная концентрация электронов. Благодаря этому происходит диффузия «дырок» и электронов из одной половины в другую, приводящая к появлению отрицательного заряда у p – n-перехода в области с p-проводимостью и положительного заряда в области с n-проводимостью. Эти заряды создают внутреннее диффузное поле, прекращающее диффузию «дырок» и электронов через зону действия этого поля – через запорный слой. При приложении к электродам разности потенциалов, когда на электрод, присоединённый к половинке с p-проводимостью подсоединён отрицательный, а к электроду половинки с n-проводимостью – положительный полюс, создаваемое ими поле совпадает с диффузным полем, p – n-переход остаётся запертым – ток проходить не будет.

При приложении разности потенциалов противоположных знаков внешнее поле будет направлено против диффузного, в результате чего через p – n-переход будут свободно проходить электроны и «дырки», полупроводник повышает электропроводность – через пластинку пройдёт ток, p – n-переход будет открыт.

В реальных полупроводниках по сравнению с этой теоретической картиной будет следующее отличие: благодаря наличию неосновных носителей (в p-зоне некоторого количества электронов и в n-зоне некоторого количества «дырок») в запертом состоянии через p – n-переход при наличии разности потенциалов на электродах будет осуществляться слабое проникновение электронов и «дырок», будет некоторая остаточная проводимость, обуславливающая наличие слабого обратного тока.

Полупроводниковые диоды разных типов имеют примерно следующую вольт-амперную характеристику.

В правой части характеристики дана зависимость прямого тока от напряжения в пропускном (прямом) направлении. В левой части – зависимость обратного тока от напряжения в запирающем (обратном) направлении. Численные значения токов и напряжения изменяются в очень больших пределах в зависимости от свойств полупроводника.

4. Перечислите основные параметры магнитных материалов и начертите «петлю гистерезиса».

По особенностям магнитных свойств все материалы и вещества могут быть разделены на два вида: парамагнетики и диамагнетики. Парамагнетики отличаются тем, что при помещении их в магнитное поле они усиливают его внутри себя вследствие совпадения их намагничивания с направлением внешнего поля.

Диамагнетики ослабляют внутри себя магнитное поле, действующее извне, вследствие того что их намагничивание направлено против внешнего поля.

Магнитные свойства материалов связаны с вращением электронов в атомных ядрах вокруг собственных осей – электронные спины и орбитальным вращением электронов в атомах. Электроны, вращающиеся в атоме, являются элементарными магнитиками данного тела.

Кроме диамагнетиков и парамагнетиков, существуют ещё ферромагнетики– материалы, магнитная проницаемость которых значительно больше единицы и зависит от напряжённости магнитного поля (у диамагнетиков и парамагнетиков этой зависимости нет и величина их магнитной проницаемости постоянна). Поэтому у ферромагнетиков зависит от напряжённости также и намагниченность и индукция.

В качестве магнитных материалов в электротехнике применяются ферромагнетики и ферримагнитные химические соединения (ферриты).

Явление ферромагнетизма связано с образованием внутри некоторых материалов ниже определённой температуры (точка Кюри) таких кристаллических структур, при которых электронные спины в пределах определённых областей – магнитных доменов, оказываются ориентированны параллельно друг другу и одинаково направленными. То есть у ферромагнетика существует самопроизвольная (спонтанная) намагниченность без приложения внешнего магнитного поля. Но магнитные моменты отдельных доменов расположены неупорядоченно, вследствие чего суммарная намагниченность их равна нулю.

При наложении внешнего, даже слабого магнитного поля происходит рост доменов, намагниченность которых совпадает с внешним полем или близка к направлению внешнего поля, с одновременным сокращением размеров доменов, намагниченность которых сильно не совпадает с направлением внешнего поля. При достаточно сильном внешнем поле имеет место поворот векторов намагниченности некоторых доменов до их полного совпадения с направлением внешнего поля. В сильных полях завершаются рост доменов и поворот их векторов намагниченности, наступает магнитное насыщение.

Описанный выше процесс находит своё отражение на кривой намагничивания, представляющей собой зависимость магнитной индукции в материале от напряжённости магнитного поля. Магнитная проницаемость с ростом напряжённости магнитного поля проходит через максимум.

У ферритов физическая природа магнетизма несколько отличается от природы магнетизма обычных ферромагнетиков, но по основным техническим свойствам они во многом схожи друг с другом.

Если медленно производить намагничивание ферромагнетика во внешнем магнитном поле, а затем, начиная с какой – либо точки основной кривой намагничивания, начать уменьшать напряжённость поля, то индукция будет также уменьшаться, но не по основной кривой, а с отставанием.

То есть кривая изменения индукции примет форму замкнутой кривой – «петли гистерезиса».

В зависимости от значений напряжённости внешнего магнитного поля можно получить целое семейство петель гистерезиса. Выберем из этих циклов предельный цикл, при котором достигается намагничивание материала до насыщения В_макс. Значение В при Н = 0 в процессе размагничивания образца, намагниченного до насыщения, называется остаточной индукцией B_r . Для доведения остаточной индукции до нуля необходимо довести силу магнитного поля до значения - Н_с(приложить обратно направленную напряженность поля Н_с), называемого коэрцитивной (задерживающей) силой.