Загальні відомості

Електрики, які працюють в проектних бюро, займаються переважно схемами. Але схеми – це лише маленька частина електротехніки. І схеми, і розрахунки – тільки допоміжні засоби, щоб будувати машини, добувати електроенергію, розподіляти її, перетворювати в інші види енергії. Основа електротехніки, її фундамент – це матеріали.

Різноманітні матеріали, що застосовуються в електротехніці. Деякі елементи періодичної системи Менделєєва використовуються в електротехніці в чистому вигляді. Інші входять в різні хімічні сполуки, важливі для електротехніки.

У минулому столітті говорили, що електротехніка тримається на «трьох китах»: міді, залозі, вугіллі. З міді – обмотки; із заліза – сердечники, а вугілля – для щіток і дугових ламп.

У наш час на службу електротехніці поставлені всі елементи системи Менделєєва.

Перший елемент періодичної системи – найлегший газ водень. Їм охолоджують потужні турбогенератори, наповнюють тиратрони, розрядники. У водневих печах отжигают деталі електровакуумних приладів.

За воднем йде гелій. Він, як і решта інертні гази – неон, аргон, криптон, ксенон, -ідет для наповнення різних електровакуумних приладів. Багряним вогнем світяться наповнені неоном скляні трубки. Вони горять у рекламних написах, на аеродромах, в маяках. Наповнені криптоном лампи розжарювання відрізняються високою економічністю і малими розмірами.

У електровакуумному виробництві застосовуються всі лужні і лужноземельні метали. Натрій, калій і цезій йдуть для фотоелементів. Барієм, кальцієм і стронцієм у вигляді оксидів і чистих металів покривають катоди електронних ламп.

Третя група таблиці Менделєєва починається з бору, з’єднання якого йдуть на виготовлення міцного і тугоплавкого боросилікатного скла. З такого скла виконують колби для генераторних ламп, Газотрон.

Про елемент, з якого починається четверта група таблиці Менделєєва, – про вуглець – не переказати навіть самого головного.

Вуглець йде і в чистому вигляді: графітові електроди для дугових печей, нагрівачі печей опору, мембрани і порошок для мікрофонів, вугілля для прожекторів, сітки і аноди тиратронів і потужних ртутних випрямлячів. З сполук вуглецю виходить незліченну кількість ізоляційних матеріалів. З вуглеводнів виготовляють і тверду ізоляцію, і лаки, і емалі.

Азотом наповнюють освітлювальні лампи. Стисненим азотом ізолюють високочастотні конденсатори. Багато сполуки азоту використовуються також як ізоляційних матеріалів.

Кисень в електротехнічних конструкціях рідко застосовується в чистому вигляді. Але він входить до складу всіх стекол, в фарфор. Застосовуються в електротехніці з’єднання всіх галоідов: фтору, хлору, брому, йоду.

Дорогоцінні метали вельми важливі для електротехнічних споруд: зі срібла роблять контакти для реле, обкладки конденсаторів (керамічних, наприклад), сріблом покривають резонатори і хвилеводи для сантиметрових хвиль. У попередньому розділі було вже сказано про застосування срібла в друкованих схемах.

Ртуть – важливий електротехнічний матеріал. Її парами наповнюють перетворювачі струму.

Тонкі шари золота наносять на сітки деяких ламп, щоб зменшити з них емісію електронів. Платинові дроту, платинова жерсть, платинові тиглі в багатьох випадках застосовуються в електротермії і для інших цілей.

Останній з природних елементів – 92-й елемент уран [3] – І той застосовується в спеціальних опорах, які повинні знижувати свою електроопір з температурою. Це термістори – пускові і регулюючі опору.

Важко назвати матеріал, який би не відносився до «будівельним матеріалам електротехніки».

Розріджений газ, пронизує потоками електронів, – світиться плазма, кубічний метр якої важить незначні частки грама, для електрика – важливий конструкційний матеріал. Він означає не менше, ніж сталь і чавун.

Електровакуумщікі викроюють з цієї плазми «рукава» в потужних перетворювачах, заповнюють цієї плазмою розрядні камери, проціджують плазму крізь сітки. Докладні графіки і таблиці вказують, через які діри плазма просочиться, а в якій сітці вона загрузне.

Електрика цікавлять дуже багато властивостей тих будівельних матеріалів, з яких він створює свої конструкції. Як і інженеру-механіку, йому важливо знати механічну міцність матеріалів. Як і теплотехнік, він повинен знати теплопровідність і вогнестійкість матеріалів.

Але є три специфічні електротехнічні характеристики всіх матеріалів. З них і треба почати.

2- 2. Епсілон, мю, сигма

Електротехніка має справу з рухом електричних зарядів, з їх накопиченням, з порушенням магнітних сил, з поширенням електромагнітних хвиль, зі взаємними перетвореннями електричної та магнітної енергії.

Різні речовини по-різному впливають на ці процеси. У повітрі і в сильно розріджених газах електромагнітні коливання будь-якої частоти поширюються з однаковою швидкістю. Це швидкість світла 300 000 км / сек – Еерхній межа для швидкостей всіх можливих в природі процесів. У всіх формулах цю швидкість позначають буквою с.

Багато тверді і рідкі речовини також пропускають через себе електромагнітні хвилі. Це речовини, в яких ускладнено рух електричних зарядів. Ті ж речовини, в яких електричні заряди рухаються вільно, непрозорі для електромагнітних хвиль. Падаючи на такі тіла, електромагнітні хвилі розтрачують свою енергію на розгойдування зарядів і загасає в тонкому шарі речовини.

Але і в прозорих середовищах, в яких заряди пов’язані і міцно сидять на своїх місцях, електромагнітні хвилі рухаються інакше, ніж в повітрі і розріджених газах. Швидкість поширення хвиль тут менше. Величину, що показує, у скільки разів ця швидкість менше с, називають коефіцієнтом заломлення п. Він зазвичай залежить від довжини електромагнітної хвилі. Для променя жовтого світла вода має п = 1,33, оптичне скло кронглас п = 1,5, а алмаз п – 2,4. Це дуже високий коефіцієнт заломлення для світлових хвиль, і тому так «грають» промені світла на гранях алмазу.

Для сантиметрових радіохвиль, що застосовуються в радіолокації, вода має коефіцієнт заломлення ^ = 9. Не тільки ‘коефіцієнт заломлення, але і прозорість залежать від довжини хвилі. Безліч матеріалів, непрозорих для світлових хвиль, пропускають з малим загасанням більш довгі електромагнітні хвилі – це фарфор, ебоніт, багато смоли.

У повсякденній мові словом промінь звикли називати щось тонке, що не має відчутної ширини і товщини. Поняття промінь часто асоціюється з поняттям геометричної лінії.

Але фізик визначить промінь інакше. Він скаже, що промінь – це потік енергії, потік хвиль. Такий потік може існувати, тільки коли розміри його перетину в багато разів більше довжини хвилі.

Хвилі видимого світла мають довжину близько половини мікрона. У світловому промені поперечником в 1 міліметр вкладеться дві тисячі довжин хвиль. У радіолокації застосовуються сантиметрові хвилі і там про промені можна говорити, коли розміри його перетину вимірюються метрами. В апаратурі менших розмірів закони геометричної оптики незастосовні, поняття про промені тут нічого не може дати для розрахунку.

Для струму з частотою 50 гц мінімальний перетин променя – це десятки тисяч кілометрів Все рішуче установки, з якими працюють електрики-низкочастотники, мають розміри, у багато разів менші довжини електромагнітної хвилі. Говорити про променях таких хвиль зовсім не доводиться. Променю просто ніде утворитися в такій установці.

У цих випадках поняття коефіцієнт заломлення п не застосовується. Замість нього говорять про діелектричної постійної речовини. Вона приблизно дорівнює квадрату коефіцієнта заломлення. Ось цю-то величину і позначають грецькою буквою епсилон ε.

Можна підійти до визначення величини г, і зовсім не зачіпаючи хвиль і променів. У просторі навколо електричних зарядів існують електричні сили. Ці сили слабшають, якщо розріджений газ замінити какимлибо твердим або рідким речовиною. Діелектрична постійна показує, у скільки разів зменшується величина електричних сил, коли електричний заряд, що знаходився до того в газі, оточують цікавлять нас речовиною.

Для більшості електроізоляційних матеріалів, що застосовуються в електротехніці, величина діелектричної постійної дорівнює кільком одиницям. У парафіну ε ^ 2. Порцелянові маси мають ε = 6. У цих же межах знаходиться діелектрична постійна слюди, ебоніту, трансформаторного масла. Для накопичення електричної енергії в конденсаторах застосовують часто матеріали з більш високими значеннями ε. Наприклад, керамічні маси, що містять двоокис титану, мають ε ^ 60. Діелектрична постійна залежить ще від агрегатного стану речовини. Лід має е = 3.1, а вода ε = 81. Але взагалі справа з водою не так просто, про неї ще буде мова в наступному параграфі.

Існують речовини і зі значно більшим діелектричним коефіцієнтом – така, наприклад, сегнетова сіль, що має ε кілька тисяч. Такого ж порядку ε у сполук титану з барієм – титанатів барію. Радянські вчені посилено досліджують ці сполуки. Передбачається багато їх цікавих застосувань в науці і техніці.

Друга буква, що стоїть в заголовку цього параграфа – грецьке «мю» (μ). Рух зарядів або рух електричних силових ліній – це електричний струм, він незмінно породжує магнітний потік. Ставлення магнітних сил до породив їх току характеризує магнітну проникність середовища. Проникності ■ мость повітря прийнято вважати за одиницю і величина μ показує, у скільки разів проникність даної речовини відрізняється від проникності повітря.

Нарешті, третя характеристика речовин – це здатність їх проводити електричні заряди. Питому електропровідність прийнято позначати грецькою ж буквою сигма (σ).

Ідеальний ізолятор повинен мати сигма, рівну нулю, а ідеальний провідник – сигма, рівну нескінченності. Часто користуються зворотною величиною ^ -її називають питомим електричним опором. Для нього стандартне обозначеніе- буква ро (р).

Для механічних конструкцій часто користуються матеріалами, які у всіх напрямках мають однакову міцність. Така, наприклад, добре вироблена сталь. Але є й інші матеріали, як дерево, приміром, які в одному напрямку (вздовж волокон) добре тримають навантаження, а в іншому (поперек волокон) мають незначну міцність.

Так і з електротехнічними властивостями матеріалів. Мідь, наприклад, має електропровідність, однакову у всіх напрямках. Однакова діелектрична постійна у всіх напрямках для парафіну, скла, бурштину. Інші матеріали поводяться по-іншому. Кристали часто мають різну провідність і різну діелектричну постійну по різних осях. Трансформаторна сталь, застосовувана для сердечників трансформаторів, має різні магнітні проникності в різних напрямках.

У таблицях, де наводяться характеристики електротехнічних матеріалів, зазвичай робляться застереження, в якому напрямку ті або інші величини виміряні. Коли ж таких застережень немає, то значить мова йде про однорідному у всіх напрямках матеріалі-изотропном матеріалі, як іноді називають.

1- 3. Класифікація за ро

Ні речовин, які б зовсім не проводили електричного струму, як немає і таких, що не оказьт вали б проходженню струму ніякого опору. Кожен матеріал має своє характерне електроопір.

На фіг. 2-1 по горизонтальній шкалі нанесені електроопору кубика зі стороною ребра в, 1 см. Опору виражені в Омасі, тисячних і мільйонних частках ома (мілліомах і мікроомах), в тисячах ом (кілоомах) і мільйонах ом (мегом). Кожне ділення шкали відповідає зміні опору в 1000 разів.

Фіг. 2-1. Залежність опору різних матеріалів від температури.

В електротехніці застосовуються різноманітні речовини не тільки в твердому, але І в рідкому і в газоподібному стані. Багато зберігають свої властивості тільки у вузькому інтервалі температур. У сильних електричних полях все ізоляційні матеріали пробиваються, починають проводити струм. Гази в дуже короткий термін після припинення пробою повністю відновлюють свої ізоляційні властивості. Рідкі ізолюючі матеріали також відновлюються після пробою. Пробій же твердих ізоляторів супроводжується їх механічним пошкодженням. Твердий ізолятор може вийти з ладу після одного єдиного пробою.

Всі відомі матеріали, все різноманіття навколишнього світу може бути укладено на подібному графіку. Тут можуть бути розміщені і всі елементи, і всі хімічні сполуки, і всі мислимі суміші.

Але на фіг. 2-1, щоб не створювати надмірної тісноти, дано місце тільки деяким, як мені здавалося, найбільш характерним речовинам.

По вертикальній осі графіка нанесена температура. Електроопір від неї сильно залежить.

У самих жарких країнах температура будь-якого тіла не перевищує під прямими променями сонця 100 °. А в полярних областях у найлютіші морози температура не падає нижче -70 °. У цих межах температур работаег безліч електротехнічних конструкцій. Інші електротехнічні прилади та апарати працюють в ще більш вузьких межах температур – при температурах, які іноді називаються кімнатними, т. Е. Від 10 до 30 °. Але є й такі електротехнічні пристрої, які повинні витримувати температури в сотні градусів, а деякі повинні надійно і стійко працювати при ще більш високих температурах, часто вище 2000 °.

У лівій частині графіка-область малих питомого електроопору. Тут тісняться метали. Поблизу них розташувалася одна з модифікацій вуглецю – графіт.

Крайня права частина графіка – це високі електроопору. Тут розміщуються деякі сполуки металів, більшість окислів. Тут же міститься і вуглець, але вже в іншій модифікації – у вигляді алмазу. Багато матеріалів могли б зайняти по два і навіть більше місця на графіку. Це ті, що існують в різних аллотропических формах, як селен, сірка.

Зі зміною температури електроопір змінюється у всіх матеріалів. У металів та їх сплавів електроопір зростає з температурою. Метали мають, як кажуть, позитивний температурний коефіцієнт. Є, правда, сплави, які в деякому інтервалі температур мало змінюють своє електроопір. Такий сплав константан – це давньогрецьке слово означає «постійний». Константан – специфічний електротехнічний сплав. Ще великою постійністю електроопору має сплав манганин. Подібні сплави застосовуються у вимірювальній техніці для виготовлення еталонів опору, для додаткових опорів до вольтметрам і шунтів до амперметрів (про ці пристрої мова буде в наступному розділі).

Мідь і залізо з підвищенням температури порівняно сильно збільшують свою електроопір. Провідність заліза при нагріванні від кімнатної температури до червоного свічення падає в 10 разів. Ця властивість використовується іноді в термометрах опору. Тонкі залізні дротики закладаються в досліджуваний об’єкт, і по зміні їхнього опору судять про зміну температури.

У міру наближення до абсолютного нуля – до мінус 273 ° – електроопір всіх металів поступово зменшується, а у деяких металів при певних температурах електроопір різким стрибком падає до невловимо) малої величини. Це – явище надпровідності. При найбільш високою температурі-всього лише на 7 ° вище абсолютного нуля – надпровідність настає у танталу, ніобію, свинцю. Але і ця «висока температура» лежить нижче точки кипіння самого важко-сжижаемого газу гелію.

Технічне використання надпровідності утруднюється ще тим, що при великих токах, в сильних магнітних полях це явище зникає.

У речовин, що займають праву частину графіка, їх високу електроопір падає з нагріванням – ці речовини мають негативний температурний коефіцієнт. Зміна опору тут відбувається значно різкіше, ніж у металів. При нагріванні, наприклад, скла його електроопір змінюється в мільйони разів.

З підвищенням температури різниця в електроопору різних матеріалів зменшується.

Джерело: Електрика працює Г.І.Бабат 1950-600M