Опубликовано

Электропроводность керамики

Электрофизические свойства технической керамики

Важнейшими электрофизическими свойствами электроизоляционной керамики, как и всякого диэлектрика, являются диэлектрическая проницаемость ε, температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ТКε, удельное объемное и поверхностное сопротивление ρv и ρs, диэлектрические потери, выражаемые чаще всего через тангенс угла диэлектрических потерь tgδ, электрическая прочность или пробивная напряженность Uпр.

Электрофизические свойства керамики самым тесным образом связаны с составом и структурой кристаллических фаз, образующих данный вид керамики, с составом /стекловидного вещества и соотношением кристаллической и стекловидной фаз в керамике. Кристаллические фазы керамических материалов в подавляющем большинстве случаев характеризуются преимущественно ионными связями. Ковалентные связи присуши лишь определенным классам соединений, в основном некоторым бескислородным соединениям. Свободные электроны в керамических материалах в противоположность металлам почти полностью отсутствуют.

Специальные виды керамики, предназначенные для электрической изоляции в тех или иных условиях, отличаются, от массовых видов керамики и огнеупоров повышенными электрофизическими свойствами. Эти свойства получают, применяя сырьевые и искусственные материалы соответствующей чистоты, тщательно подготавливая и перерабатывая массы и обжигая изделия в строго регламентированных условиях.

Диэлектрическая проницаемость. Относительную диэлектрическую проницаемость определяют как отношение зарядов на обкладках конденсатора при замене пластин из данного диэлектрика на вакуум.

ε = Qm/Qb,

где Qm — заряд конденсатора с пластинкой из диэлектрика; Qb — заряд конденсатора с вакуумом.

Такое изменение электрической емкости конденсатора происходит в результате явления поляризации диэлектрика.

Поляризация представляет собой процесс смещения структурных элементов (электронов, атомов, ионов и др.) кристаллической решетки со своего нормального положения под влиянием электрического поля. В результате взаимодействия с внешним электрическим полем происходит нарушение и перераспределение электростатических сил, действующих внутри кристалла, при сохранении его общей нейтральности. Механизм поляризации может быть различен в зависимости от того, какие структурные элементы участвуют в процессе поляризации. В керамических материалах имеются следующие основные виды поляризации: электронная, ионная, электронно- и ионно-релаксационная, спонтанная (самопроизвольная). Степень поляризации керамического диэлектрика и его поляризуемость в целом складываются как сумма поляризаций каждого вида. Диэлектрическая проницаемость керамики отражает ее поляризуемость.

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение центра тяжести и деформацию отрицательно заряженного электронного облака под влиянием электрического поля. Электронная поляризация протекает практически мгновенно, не связана с потерей энергии и для большинства видов керамики не является характерной.

Ионная поляризация — это относительное смещение упругосвязанных ионов различных зарядов. Этот вид поляризации присущ всем видам керамики, содержащей кристаллические вещества ионного строения. Ионная поляризация также протекает мгновенно. Если же на возврат электронов или ионов требуется какой-либо заметный промежуток времени, т. е. релаксация протекает во времени, то различают электронно- и ионно-релаксационную поляризацию. Вещества с электронно-релаксационной поляризацией (например, титансодержащая керамика) обладают большой диэлектрической проницаемостью.

Спонтанная поляризация представляет собой направленную в отношении внешнего электрического поля ориентацию электрических моментов, расположенных хаотически в отдельных областях кристалла (доменах) до наложения электрического поля. Спонтанная поляризация связана со значительным рассеиванием энергии. Особенность спонтанной поляризации состоит в нелинейной зависимости диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля и наличия максимума при некоторой температуре. Спонтанной поляризацией обладает ряд кристаллов определенной структуры, например BaTiО3 и некоторые другие вещества, кристаллизующиеся в кубической системе перовскита.

Диэлектрическая проницаемость ε — важнейшее свойство, характеризующее строение керамического диэлектрика. В определенной степени е характеризует прочность электростатических связей кристаллической решетки того или иного вещества. По значению е керамические материалы весьма различны. В большинстве оксидных, силикатных и алюмосиликатных керамических материалов ε составляет 6—12. Однако е некоторых кристаллических веществ достигает нескольких тысяч (например, BaTiО3). Диэлектрическая проницаемость некоторых кристаллов различна по отношению к направлению главной оси кристалла.

С повышением температуры диэлектрическая проницаемость разных по природе керамических материалов меняется в разной степени. Кристаллы с прочными связями и малой поляризацией при повышении температуры значение е меняют незначительно. Легкополяризуемые кристаллы, наоборот, весьма чувствительны к температурным изменениям. Характер этих зависимостей представлен на рисунке:

Типичные кривые температурной линейной (1) и нелинейной (2) зависимости керамики от диэлектрической проницаемости

Диэлектрическая проницаемость некоторых материалов возрастает с температурой, снижается при повышении частоты, особенно в области повышенных температур. Пример такой зависимости для стеатитовой керамики дан на рисунке:

Изменение диэлектрической проницаемости стеатита в зависимости от его температуры при различных частотах (цифры на кривых даны в Гц)

Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ТКε. При повышении температуры значение е у керамических материалов меняется: у одних оно растет, у других снижается, у третьих в разных температурных областях растет или снижается. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, таким образом, имеет различный знак, а для некоторых материалов имеет переменное значение

Температурная зависимость температурного коэффициента диэлектрической проницаемости ТКε ионных диэлектриков

1 — рутил; 2 — цирконат бария; 3 — станнат бария; 4 — ортотитанат магния; 5 — цирконат стронция; 6— цельзиан; 7 — ZrO2 (стабилизированный СаО)

и приближенно связан следующей формулой:

Абсолютное значение ТКε керамических материалов очень различно:

Значение температурного коэффициента диэлектрической проницаемости ТКε некоторых керамических материалов

Понятно, что наибольшую ценность представляет керамика с низким ТКε, позволяющая обеспечить температурную стабильность электрических схем, включающих керамический диэлектрик.

Удельное объемное и поверхностное сопротивление ρv и ρs. Электропроводность керамики принято оценивать по обратной величине проводимости — сопротивлению. Чтобы можно было сделать сравнительную оценку свойств различных материалов, используют значение удельного объемного ρv и удельного поверхностного ρs сопротивлений. Удельное объемное сопротивление численно равно сопротивлению куба с ребром 1 см при условии, что ток проходит через две противоположные грани и имеет размерность Ом*см, что видно из следующего выражения:

ρv = Rv (S/n)

где S — площадь сечения, см2; n — толщина образца, см.

Удельное поверхностное сопротивление ρs, Ом, численно равно сопротивлению квадрата при условии, что ток проходит через две противоположные стороны квадрата:

ρs = Rs (d/l)

где d и l — стороны квадрата.

По удельным объемному и поверхностному сопротивлениям, определяемым экспериментально, вычисляют удельную объемную проводимость, Ом-1-см-1,

и удельную поверхностную проводимость, м-1,

Электропроводность керамики, как и всех твердых тел, зависит от концентрации носителей заряда, их величины и подвижности. При температуре Т эта зависимость выражается формулой

где γ — удельная электропроводность, Ом-1см-1; q — заряд носителя в кулонах; n — число носителей в единице объема (1 см3); υ, — подвижность, см2/(с•в).

Подвижностью зарядов называется отношение скорости их передвижения к напряженности электрического поля, см2/(с•в):

Электропроводность керамики складывается из электропроводности составляющих ее фаз. В подавляющем большинстве случаев электропроводность керамики носит ионный характер. Ионы, входящие в кристаллическую решетку, а также находящиеся в менее упорядоченном состоянии в стекловидном веществе, имеют определенную подвижность. Она тем меньше, чем прочнее внутрикристаллические связи.

Те ионы, которые находятся в межузлиях и дефектных положениях кристаллической решетки, более подвижны. Особенно подвижны ионы примесных соединений. Ионы стекловидной фазы всегда более подвижны, чем ионы кристаллической фазы. Именно они и являются основным источником электропроводности. Большой подвижностью обладают ионы щелочных металлов, особенно Na+, Li+. Она возрастает при повышении температуры. Установлено, что электропроводность стекла в общем случае прямо пропорциональна содержанию оксидов натрия. Поэтому во всех видах электроизоляционной керамики стремятся свести содержание щелочных оксидов к возможному минимуму.

Если содержание стекловидной фазы в стекле значительно, то стремятся понизить электропроводность этого стекла, вводя ионы щелочноземельных металлов, обладающих большим размером и таким же зарядом. Считается, что эти крупные ионы тормозят движение ионов щелочных металлов, понижая тем самым электропроводность всей системы. Такое действие вводимых ионов щелочноземельных металлов составляет сущность так называемого нейтрализационного эффекта.

Наиболее эффективное влияние на снижение электропроводности оказывают ионы Са2+ (ионный радиус 0,104 нм) и Ва2+ (ионный радиус 0,138 нм). Именно поэтому многие виды электроизоляционной керамики (стеатит, муллитокорундовая) содержат в своем составе ВаО, входящий в стекловидную фазу. Логарифмическая зависимость электропроводности керамики от ее температуры в случае, если ток обусловлен передвижением основных и примесных ионов, представлена на рисунке, из которого наглядно видно, что с увеличением количества примесей в керамике ее электропроводность возрастает:

Температурная зависимость собственной и примесной электропроводности керамики

n — концентрация примесей, причем n1>n2>n3…

Для характеристики керамического материала очень важна зависимость его электропроводности от температуры. С повышением температуры электропроводность увеличивается, так как подвижность ионов в результате нагрева возрастает. Изменение электропроводности в зависимости от температуры у разных керамических материалов не одинакова.

Изменение удельного объемного сопротивления керамики — корунда (1); муллитокорундовой (2), стеатита (3) — в зависимости от температуры

При низких (комнатных) температурах различие в электропроводности сравнительно невелико. Электропроводность керамики, содержащей большое количество стекловидной фазы, нарастает интенсивно, что вполне понятно. Температурная зависимость электропроводности выражается формулами:

где γ0, ρ0 — значения электропроводности и удельного объемного сопротивления при 0°С; α — температурный коэффициент.

Чисто кристаллическая керамика изменяет электропроводность сравнительно медленно и сохраняет свои электроизолирующие свойства до очень высоких температур. Для характеристики способности керамики к сохранению изолирующих свойств иногда пользуются условной величиной ТЕ. Эта величина представляет собой температуру, при которой удельное объемное сопротивление равно 1 МОм. ТЕ чисто корундовой керамики превышает 1000 °С, высокоглиноземистой — 700—900 °С, а фарфора — не превышает 400 °С.

Диэлектрические потери. При воздействии на керамический материал электрического поля поглощается некоторое количество электрической энергии. Эту энергию, затраченную на работу перемещения структурных элементов кристаллической решетки, называют диэлектрическими потерями. Диэлектрические потери в керамическом материале, как и в других диэлектриках, сопровождаются его нагревом. Эти потери могут быть значительны, и нагрев достигает такой степени, при которой электрический контур, включающий керамический диэлектрик, полностью расстраивается. Диэлектрические потери принято оценивать по так называемому углу диэлектрических потерь или тангенсу этого угла. Углом диэлектрических потерь δ называют угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз θ между током и напряжением в емкостной цепи.

Представим себе конденсатор, в котором диэлектриком является керамический материал. В результате емкостного и активного сопротивления конденсатором поглощается некоторое количество энергии. Поглощенная мощность Q составит

Q = Е J cos θ,

где Е — напряжение на обкладках конденсатора; J — сила переменного тока; θ — угол сдвига между током и напряжением.

В идеальном диэлектрике этот угол равен 90°, cos 90° = 0, следовательно, Q = 0. В реальных диэлектриках угол θ меньше 90° на некоторый угол δ, т. е. равен (90°-δ). Но cos (90°-δ) = sin δ. Тогда

Q = Е J sin δ

sin δ при малых углах практически равен tg δ. Этой величиной (tg δ) обычно и оценивают свойства диэлектрика. В некоторых случаях выражают диэлектрические потери непосредственно в градусах или минутах. Диэлектрические потери в керамических диэлектриках складываются из затрат энергии, связанных со следующими основными процессами: сквозной электропроводностью, поляризацией, ионизацией газообразной фазы. В общем случае источником диэлектрических потерь являются те же причины, которые обусловливают электропроводность. Диэлектрические потери возрастают у материалов, содержащих большое количество стеклофазы. Диэлектрические потери, связанные со сквозной электропроводностью, могут быть вычислены по формуле

tg δ = (1,8*1012)/(ε f ρ),

где ε — диэлектрическая проницаемость; f — частота; ρ — удельное сопротивление.

При повышении температуры диэлектрические потери этого типа возрастают по экспоненциальному закону согласно выражению:

Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией, наиболее значительны у легкополяризуемых видов керамики, обладающих релаксационной поляризацией. Особенно значительны эти потери у сегнетокерамики, для которой характерна спонтанная поляризация. Наконец, источником потерь является газовая фаза, на ионизацию которой затрачивается некоторое количество энергии.

На диэлектрические потери керамики кроме ее природы, строения, температуры оказывает влияние частота поля. Так как керамика в ряде случаев работает как высокочастотный диэлектрик, то необходимо знать частотную зависимость ее диэлектрических потерь. На рисунке в качестве примера приведена температурная зависимость при разных частотах для двух видов керамики.

Температурная зависимость tg δ керамики — титановой (а) и стеатита (б) — при различных частотах (цифры на кривых даны в Гц)

Абсолютное значение диэлектрических потерь керамики весьма различно. Наименьшими диэлектрическими потерями обладает керамика с кристаллической структурой плотной упаковки и минимальным содержанием стекловидной фазы. На следующем графике представлены кривые изменения диэлектрических потерь типичных материалов с развитой стекловидной фазой — типа фарфора, ограниченным количеством стекла — типа муллитокорундовой керамики и, наконец, корунда, почти лишенного стекловидной фазы.

Зависимость изменения диэлектрических потерь высоковольтного фарфора (1), муллитокорундовой керамики (2), спекшегося корунда (3) от температуры

Сравнительно низкими диэлектрическими потерями обладает клиноэнстатитовая, форстеритовая и цельзиановая керамика.

Электрическая прочность керамики оценивается по ее способности противостоять до разрушения действию электрического поля. Напряжение, при котором электрическая прочность. испытуемого изделия (или образца) теряется и происходит его пробой, называют пробивным напряжением. Напряженность поля, при которой происходит пробой, называют пробивной напряженностью.

Иногда пробивную напряженность отождествляют с электрической прочностью. Пробивная напряженность есть величина удельная, позволяющая сравнивать свойства различных материалов. Пробивная напряженность определяется как частное от деления пробивного напряжения, выраженного в вольтах или киловольтах, на толщину испытуемого образца в сантиметрах (или миллиметрах).

Пробой керамического материала в полях высокой напряженности может происходить путем так называемого электрического или теплового пробоя. Электрический пробой имеет электронную природу. Благодаря большой скорости движения электронов создается электронная лавина, в результате чего в каком-то направлении возникает возможность сквозной проводимости и материал (или изделие) теряет электроизолирующую способность. Тепловой пробой — результат резкого повышения температуры, сопровождающегося локальным проплавлением керамики под влиянием увеличения проводимости и вследствие повышенных диэлектрических потерь.

На электрическую прочность керамики очень большое влияние оказывает ее пористость. Наличие пористости керамики вызывает иногда резкое снижение ее пробивной напряженности. С повышением температуры пробивная напряженность также падает:

Изменение пробивной напряженности при различной температуре (слева)
Зависимость пробивной напряженности образца муллитокорундового (1) и титанового (2) от его толщины при 50 Гц (справа)

1 — шпинели; 2 — СаТiO3; 3 — ВаТiO3

Керамические материалы, обладающие повышенной электропроводностью и повышенными диэлектрическими потерями, как правило, имеют меньшую электрическую прочность. Установлено, что на электрическую прочность оказывает влияние размерный фактор. При малой толщине испытуемого образца значение пробивной напряженности всегда повышается (см. график «Зависимость пробивной напряженности образца от его толщины»). Поэтому в литературе часто встречается большое (до 30—40%) несоответствие в значении электрической прочности одноименных материалов.

  • Авторы
  • Файлы
  • Литература

Боркоев Б.М. 1 Жердев А.М. 1 Салиева К.Т. 1 Кыдыралиева А.К. 1 1 Кыргызско-Турецкий университет «Манас» 279 KB 1. Кингери У.Д. Введение в керамику. – М.: Стройиздат, 1967. 498 с. 2. Августинник А.И. Керамика. – Л.: Стройиздат, 1975. 592 с. 3. Немилов С.В. Оптическое материаловедение: Оптические стекла. Курс лекций. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. – 175 с. 4. Сканави Г.И. Физика диэлектриков. Область слабых полей. Часть 1. – М.: ГТТИ, 1949. – 500 с. 5. Зальманг Г. Физико-химические основы керамики. – М.: Госстройиздат, 1959. – 396 с.

Электропроводность сложных керамических материалов обычно складывается из электропроводности нескольких имеющихся фаз. Сюда относятся поры (с низкой проводимостью), стекловидная фаза (имеющая заметную электропроводность при высоких температурах) и кристаллы изоляторов (с низкой проводимостью).

Электропроводность керамических материалов определяется, в первую очередь, электропроводностью стеклообразной прослойки . Электропроводность многих диэлектрических кристаллов (слюда, кварц, муллит, алюминоксид – Аl2О3), мала. Поэтому керамический материал может обладать значительной электропроводностью, главным образом, за счет аморфной фазы. Следовательно, те практические выводы, которые были сделаны для стекол, можно с успехом применить к керамическим материалам. Керамический материал, содержащий большое количество аморфной фазы с щелочными оксидами (например, фарфор), должен обладать значительной электропроводностью; наоборот, керамический материал, содержащий малое количество аморфной фазы – мелкокристаллический – должен обладать малой электропроводностью. Введением оксидов двухвалентных металлов (например, ВаО, СаО) можно понизить электропроводность керамического материала, содержащего щелочные оксиды.

Керамики имеют различное содержание оксидов натрия, калия, кальция и магния, однако суммарное содержание в них оксидов одновалентных металлов не превышает 5%, такая же предельная концентрация и двухвалентных оксидов. Можно полагать, что при таких содержаниях заметно первые – не разрыхляют, а вторые – не уплотняют структуру аморфной фазы керамики . Следовательно, можно ожидать, что концентрация носителей заряда в керамике будет пропорциональна содержанию в ней оксида натрия.

Проведенные нами эксперименты имели целью выяснить, как влияет материальный состав (тип используемой глины и плавней) керамик и содержание в них оксидов металлов на энергию активации электропроводности. Эта информация необходима для оценки электроизоляционных свойств керамик из местных компонентов и выбора составов для изготовления подвергающихся нагреву изделий.

Для экспериментов по определению электропроводности на переменном токе использовали образцы масс М7 (пегматитом), М3 (с полевым шпатом) и М23 (на основе фарфорового камня).

Материальный состав изученных масс приведен в табл. 1.

Таблица 1

Материальный состав керамических масс для изучения температурной зависимости электропроводности

Компоненты

Состав массы, в масс.%

М7

М3

М23

Глина Кара-Киче

Глина Ново-Райская

Пегматит

Полевой шпат

Фарфоровый камень ТП-5

Волластонит

Шамот

Бой фарфора

Стекло

3+2% ZnO

Температура обжига, °С

1140, 2ч.

1130, 2ч.

1120, 2ч.

Масса М7 (использовавшаяся ранее в производстве) с пегматитом содержала, по сравнению с массой М3 с более высоким отношением K2O/Na2O, повышенное количество оксида натрия. В массе М23 с фарфоровым камнем и волластонитом обнаружена дополнительная кристаллизация стеклофазы при обжиге при 900 °С, представляло интерес выяснить, как кристаллизация связки отразится на электропроводности керамики. Для повышения связности к порошкам фарфоровым камнем добавлялось 10 % высокопластичной Ново-Райской глины и клей ПВА в качестве выгорающей временной технологической связки.

Подготовка образцов и техника проведения эксперимента. Из всех масс методом прессования готовились стандартные образцы (по 3-5 шт.) для определения удельного сопротивления. Обжиг образцов проводился в лабораторной муфельной печи при температурах, обеспечивающих их полное спекание (водопоглощение не более 0,2%). После обжига торцевые поверхности образцов шлифовались, и центральная часть их покрывалась слоем серебра для формирования контактных. Металлизированный слой закреплялся на керамике путем вжигания при температуре 850 °С с выдержкой 2 ч.

Для удаления сорбированной влаги образцы прогревались при температуре 150 °С, 2 ч. и теплыми помещались в установку. Нагрев печи производился с изотермическими выдержками через 20-50 °С до уменьшения разницы температур муфеля печи и центральной части образца не более 3 °С. Время достижения такого температурного равновесия колебалось от 30 (в интервале 40-200 °С) до 10-15 минут (при более высоких температурах). Температура внутри муфеля и в центре образца измерялась отдельными термопарами в комплекте с цифровыми приборами с точностью до 1 °С.

Установка для измерения электропроводности керамике. В проведенных исследованиях температурной зависимости электропроводности использовалась специально изготовленная печь, позволяющая нагревать керамические образцы, изготовленные согласно ГОСТ 24409-80, в интервале температур 20…800 °С. Измерения проводились на постоянном токе, сила тока через образец определялась по показаниям цифрового прибора В7-21.

Установка для измерения электропроводности керамик на переменном токе. Для реализации этого метода был разработан и изготовлен генератор низких частот. Эффекты, связаннее с электролизом керамики, могут быть устранены лишь при равенстве за период колебания зарядов, протекающих через образец в прямом и обратном направлениях. Для этого необходима строго одинаковая длительность действия прямого и обратного напряжений одной амплитуды.

Был выбран вариант – длительность действия на образец одной полярности напряжения 11-12 с, регистрация силы протекающего через образец тока производилась через 8-10 с после смены полярности.

Величина прилагаемой к образцу разности потенциалов выбрана равной 30 В. Выбор такого напряжения, с одной стороны, затруднял измерение очень малых токов через образец при низких температурах, но ограничивал, с другой стороны, силу тока (<15 мА) при высоких температурах.

Для повышения надежности контактов между прижимными электродами (нержавеющая сталь) и металлизированными участками на поверхности керамики, на металлизацию наклеивались (токопроводящим клеем на основе коллоидного серебра) отрезки тонкой серебряной проволоки.

Измерения электропроводности керамик. Отсчеты силы протекающего при данной температуре через образец тока проводился как при прямой, так и обратной разности приложенных к образцу потенциалов. Средние абсолютных значений силы тока I через образец за период использовались для расчета его электрического сопротивления R

R = U/I,

где U приложенная к образцу разность потенциалов, удельного сопротивления ρ = (Rπd2)/4h (Ом·см), где d – диаметр контактных площадок (см), h – толщина образца (см), и удельной электропроводности σ = 1/ρ.

Как и другие, термически активируемые процессы, удельное сопротивление ρ и проводимость σ стекол и керамик связаны с энергией активации экспоненциальной зависимостью: σ = 1/ρ = σ0·ехр (–Q/2RT), если энергия Q измеряется в Дж/моль (для молекул типа Na2O, содержащей два иона натрия) . Часто эту энергию относят к одному иону и измеряют в электрон-вольтах, тогда σ = 1/ρ = σ0·ехр(–Еа/кT), где к – постоянная Больцмана (0,8617·10-4 эВ/К). Логарифмируя последнее равенство, получим линейное уравнение

ln σ = (–Еа/кT) + ln σ0.

Логарифм сопротивления ρ также обратно пропорционален абсолютной температуре Т ln ρ = (А/кT) + С, где А и С – постоянные (закон Раша – Хинриксена ).

Фактически, из экспериментальной зависимости электропроводности как функции обратной абсолютной температуры рассчитываем некоторую эффективную энергию активации Еа, которая даже для твердых стекол имеет сложный смысл.

Обработка результатов экспериментов проводилась с использованием электронных таблиц Excell.

Если по экспериментальным данным построить зависимость Lnσ (σ = 1/ ρ) от 1/кТ (к – постоянная Больцмана (0,8617·10-4 эВ/К)), то угловой коэффициент аппроксимирующей прямой |k| равен Еа, в электрон-вольтах (энергия активации, по определению, величина положительная).

Значения Еа по результатам измерений температурной зависимости электропроводности на постоянном токе и переменном токе низкой частоты приведены в табл. 2.

Сопоставление данных температурной зависимости электропроводности образцов массы М7 и М3 при измерениях на постоянном токе и на переменном токе низкой частоты показывает:

– при измерениях на постоянном токе отчетливо выделяются две области зависимости Ln σ от 1/kT, с заметно различающимися углами наклона аппроксимирующих прямых, и соответственно, значениями Еа – низкотемпературная (до 300-400 °С) и высокотемпературная (с более низкими значениями Еа). Для большинства изученных в керамик в высокотемпературную область происходит, когда плотность тока через образец превышает 10 мкА/см2.

При измерениях на переменном токе низкой частоты во всем диапазоне температур зависимость ln σ от 1/kT достаточно хорошо (с коэффициентом определенности R2 выше 0,999) апроксимируется одной прямой. Изменения Еа в пределах изученного температурного диапазона не наблюдается.

– для масс М7 и М3 значения Еа по измерения на переменном токе, и на постоянном в низкотемпературной области, достаточно близки (табл. 2).

В то же время данные по энергии активации Еа, полученные на переменном токе для массы М23 (0,88 эВ), заметно ниже, чем на постоянном токе (1,0 эВ).

Следует отметить, что по данным табл. 2, воспроизводимость повторных определений энергий активации проводимости на переменном токе существенно выше, чем на постоянном токе.

Таблица 2

Значения Еа по результатам измерений температурной зависимости электропроводности на постоянном токе и переменном токе низкой частоты

Масса, № измерения

Постоянный ток

Переменный ток

температура

°С

Ea, эВ

Ea, эВ

температура

°С

М7-1

0,999

0,81

0,7702

0,9992

М7-2

0,999

0,7833

0,7621

0,9994

М3-1

0,9989

0,8435

0,8412

0,9991

М3-2

0,9957

0,8232

0,8338

0,9996

М3-3

0,8377

0,9992

М23-1

0,9996

1,01

0,9041

0,999

М23-2

0,9992

1,044

0,8823

0,9992

М23-3

0,8886

0,9997

М23-4

0,8866

0,9996

Из данных табл. 2 так же следует, что энергия активации носителей заряда в массе М3 с полевым шпатом (0.835 эВ) заметно выше, чем в массе М7 с пегматитом (0,79 эВ).

Таким образом, на основе проведенных исследований можно отметить следующее:

1. Энергия активации электропроводности в керамиках из местных компонентов (глина Кара-Киче, полевой шпат) несколько ниже, чем в типовом электрофарфоре.

2. Высокие значения энергии активации имеют керамики с фарфоровым камнем и добавками волластонита. Подобные массы можно рекомендовать для производства электроизоляционных изделий, предназначенных для работы при повышенных температурах (200-400 °С).

Библиографическая ссылка

Боркоев Б.М., Жердев А.М., Салиева К.Т., Кыдыралиева А.К. ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ КЕРАМИК ИЗ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ // Современные наукоемкие технологии. – 2013. – № 11. – С. 164-166;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=33544 (дата обращения: 04.05.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания» (Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления) «Современные проблемы науки и образования» список ВАК ИФ РИНЦ = 0.829 «Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252 «Современные наукоемкие технологии» список ВАК ИФ РИНЦ = 0.641 «Успехи современного естествознания» список ВАК ИФ РИНЦ = 0.741 «Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований» ИФ РИНЦ = 0.731 «Международный журнал экспериментального образования» ИФ РИНЦ = 0.460 «European journal of natural history» ИФ РИНЦ = 1.369 «Международный студенческий научный вестник» ИФ РИНЦ = 0.336 Издание научной и учебно-методической литературы ISBN РИНЦ DOI

Исполнение магнитной системы контакторов

• Электрооборудование •

  • Электрооборудование
    до 1000 В
  • Электрические аппараты
  • Электрические машины
  • Эксплуатация электро
    оборудования
  • Электрооборудование электротехнологических
    установок
  • Электрооборудование общепромышленных
    установок
  • Электрооборудование подъемно-транспортных
    установок
  • Электрооборудование металлообрабатывающих
    станков

ЭЛЕКТРОСПЕЦ ЭЛЕКТРОСПЕЦ

Контакторы серий КТ6000 и КТ7000 выпускаются только с катушками переменного тока, серии КТП6000 — с катушками постоянного тока, серии КТ6000/2 — с втягивающими катушками постоянного и переменного тока.
В контакторах КТ6023/2 якорь электромагнита укреплен на валу неподвижно. Плотное прилегание поверхностей кернов электромагнита обеспечивается за счет самоустанавливающегося сердечника. В контакторах КТ6032/2, КТ6033/2, КТ6052/2, КТ6053/2, наоборот, сердечник неподвижный, а якорь самоустанавливающийся.

Исполнение магнитных систем. Ниже приводятся описание исполнения магнитных систем некоторых контакторов. Электромагнит переменного тока (рис. 1,а—е) состоит из сердечника, втягивающей катушки и якоря.

Рис. 1. Магнитная система контакторов. а — электромагнит переменного тока контактора КТ6010; б — то же КТ6030; в — то же КТ6040; г — электромагнит постоянного тока контакторов серии КТП6000; д — электромагнит переменного тока контактора KT6020/1; в — то же КГ6030/2; ж —то же КТ6050/2; з-то же КТ6020/2. КТ6020/3;
1-пружина; 2 — прокладка резиновая; 3- колодка; 4 — сердечник; 5 — каркас; 5 — втягивающая катушка; 7 —якорь: 8 — упор; 3- шайба резиновая; 10 — сферическая опора; 11 -держатель; 12 ярмо; 13 полюсная шайба; 14 — немагнитная прокладка; 15 -втулка; 16— шпилька; 17 -скоба; 18 -экран; 19 — скоба-держатель; 20-ось; 21 —регулировочный винт; 22-катушка; 23-плунжер (якорь); 24 — блок-контакты; 25-валик (ролик); 26 — рычаг; 27-пружина отключающая; 28 — кольцо; 29 — рейка; 30 -резиновая прокладка; 31 — скоба; 32 — ось; 33 — скоба; 34 — упорный винт.

В контакторах на 100 и 160 А (рис. 1,а) сердечник самоустанавливающийся, амортизированный. Амортизаторами сердечника являются прокладка из теплостойкой резины и пружина. Пружина служит также для устранения гудения магнитной системы путем изменения давления на нижний керн сердечника. Упор ограничивает ход подвижной системы. Якорь, в контакторах на 100 п 160 А закреплен жестко на валу.
В контакторах на 250, 400 и 630 А якорь и сердечник самоустанавливающнеся. В контакторах на 250, 630 А (рис. 1,б) якорь крепится к скобе-держатслю с помощью пластмассовых колодок. Амортизатором якоря служат резиновая шайба и пружина. Для облегчения самоустановки шайба опирается на сферическую опору Пружина якоря обеспечивает давление на нижнем керне, так как короткозамкнутый виток здесь отсутствует. Якорь контактора на 400 А (рис. 1,е) выполнен без сферической опоры. Для облегчения самоустановки между якорем и колодками, крепящими якорь к держателю, помещены пластмассовые вкладыши, соприкасающиеся с колодками по цилиндрической поверхности. Амортизация якоря в контакторе на 400 А осуществляется рези новой прокладкой. В качестве амортизаторов сердечников применены также резиновые прокладки (рис. 1,е) Отсутствие жесткой связи между якорем и валом значительно уменьшает вибрацию контактов. Втягивающие катушки контакторов намотаны на каркас и имеют жесткие выводы, приспособленные для штырькового присоединения одного или двух проводов (без кольца).
Контакторы серии КТП6000 рассчитаны на управление от сети постоянного тока и в отличие от контакторов серии КТ6000 имеют электромагнит постоянного тока (рис. 1,г). состоящий из ярма, катушки, полюсной шайбы, магнитной прокладки и якоря. Втягивающая катушка намотана непосредственно на сердечник.
В контакторах на 100 и 160 А якорь укреплен на вал жестко. В контакторах на 250, 400 и 630 А электромагнит состоит из двух частей: якоря и держателя. Якорь и держатель соединены между собой с помощью трех шпилек, неподвижно укрепленных в якоре. Конические пластмассовые втулки свободно вставлены в конические отверстия держателя и являются направляющими для шпилек. Между якорем и держателем на шпильках Остановлены шайбы из теплостойкой резины, которые выполняют роль амортизаторов. Держатель якоря жестко связан с валом. Благодаря такой конструкции амортизатором поглощается избыток энергии подвижной системы при включении, а также обеспечивается соплоскостность якоря с полюсной шайбой сердечника, что повышает износоустойчивость.
Электромагнит переменного тока (рис. 1, д) состоит из самоустанавлнвающегося сердечника с экраном на верхнем керне, втягивающей катушки и якоря. Сердечник и якорь шихтуются из листовой электротехнической рали марки Э-310. Электромагнит устанавливается в контакторах серии КТ6020/2. Экран изготовляется в виде рамки из латуни марки Л62. Сердечник крепится на скобе с помощью пластмассовых колодок со сферичесой поверхностью, что облегчает самоустановку сердечника относительно кернов якоря. Амортизаторами сердечника служат прокладки из теплостойкой резины и пружины. В целях снижения потерь на нижнем керне сердечника экран отсутствует; нижний керн сердечника имеет провал и поджимается к якорю пружиной, силой затяжки которой можно регулировать давление на нижних кернах сердечника и якоря. Втягивающая катушка электромагнита намотана на пластмассовом каркасе, выводы катушки рассчитаны на присоединение прямых концов проводов (без колец). Якорь закреплен жестко на валу. Упор ограничивает ход подвижной системы. В контакторах КТ6030/2, КТ6040/2, КТ6050/2 применены электромагниты c самоустанавливающимся якорем.
Электромагнит переменного тока (рис. 1,е) состоит из сердечника с экраном на верхнем керне, втягивающей катушки и внедряющегося в катушку самоустанавливающегося относительно сердечника якоря. Сердечник и якорь шихтуются из листовой электротехнической стали марки Э-310. В контакторах КТ6030/2 экран выполнен в виде двух стержней из нержавеющей стали, которые приварены к сердечнику.
В контакторах КТ6040/2 и КТ6050/2 экран электромагнита выполнен в виде штампованной рамки из тонколистовой нержавеющей холоднокатаной стали марки Х18Н10Т, которая зачеканена в пазах и приклепана к сердечнику. Якорь крепится к скобе-держателю с помощью пластмассовых колодок со сферической поверхностью, что облегчает самоустановку якоря относительно кернов сердечника. Амортизаторами якоря служат резиновая шайба и пружина. Для облегчения самоустановки якоря резиновая шайба опирается на сферическую опору. В целях снижения потерь на нижнем керне сердечника экран отсутствует. Нижний керн якоря по отношению к сердечнику имеет провал и поджимается к нему пружиной. Скоба-держатель жестко крепится к валу. Отсутствие жесткой связи между якорем и валом значительно уменьшает вибрацию контактов. Сердечник крепится к скобе с помощью пластмассовых колодок. Амортизатором сердечника служат прокладки из теплостойкой резины. Втягивающая катушка электромагнита намотана на пластмассовом каркасе. Выводы катушки рассчитаны на присоединение прямых концов проводов (без колец). Упор ограничивает ход подвижной системы.
В контакторах КТ6030/2 (рис. 1,е) величина провала нижнего керна якоря регулируется за счет установки различного количества прокладок между скобой и колодками, а в контакторах КТ6040/2 и КТ6050/2—за счет установки шайб между рейкой и кольцом (рис. 1, ж ).

Токовые цепи воздушной ЛЭП-110 кВ

Для контроля и управления процессов передачи электроэнергии по концам ВЛ на подходе к шинам подстанции монтируются трансформаторы тока (ТТ).

Они в каждой фазе имеют первичную обмотку для подключения силовых цепей и несколько вторичных обмоток, обеспечивающих работу защит, автоматики и измерений.

Рассмотрим типовую схему работы токовых цепей. При монтаже ТТ важно соблюдать ориентацию подключения их к первичной и, соответственно, вторичной схеме для каждой фазы.

С этой целью завод маркирует контактные площадки для подключения проводов к обмоткам. Первичные выводы клеймят символами “Л1” и “Л2”, обозначающими вход и выход электроэнергии через трансформатор (их на практике определяют по направлению к линии или шинам), а вторичные — “И1” и “И2” в каждом керне.

Под термином «керн», здесь понимается собственная изолированная цепь, работающая автономно от других со своими индивидуальными характеристиками. Любой трансформатор имеет определенный коэффициент трансформации, например 600/5 и класс точности.

Цифры в нашем примере обозначают, что при прохождении номинального тока 600 А по первичной обмотке во вторичных цепях будет величина 5 А.

Каждая вторичная обмотка трансформатора на схеме и в обозначениях подсоединяемых кончиков маркируется индексом “ТТ” c подстановкой перед ним цифры, придающей номер керну и буквы, указывающей на фазу сети.

Маркировка “И2 3ТТВ” обозначает вывод вторичной обмотки И2 у 2-го керна цепей измерения фазы B, подключаемого в нашем случае к клемме 260 панели № 91 через клемму 56 РШ. (см. ниже схему подключения токовых цепей приборов и устройств измерений).

Схема подключения обмоток “звезда” у каждого керна повторяет соединения первичных фаз линии. Это сделано с той целью, чтобы любые процессы, происходящие на линии, полностью повторялись при работе во вторичной схеме.

Фазный провод “ноль” звезды всегда собирается на клеммниках распределительного шкафа ТТ (РШ) и выводится в схему отдельным проводником.

Маркировка токовых цепей однотипная, позволяет определять фазу с ее принадлежностью к керну. Например, обозначение 0421 читается как фазный провод нуля “звезды” керна 421 в цепях защит.

Токовые цепи на ВЛ-110 кВ используются для работы схем:

— измерения; — защит; — ДЗШТ, на старом оборудовании можно увидеть ДЗШ.

Токовые цепи измерения. Главная задача данного керна: точное воспроизведение параметров первичных токов при нормальном режиме с регистрацией аварийных процессов в случаях неисправностей и коротких замыканий.

С этой целью конструкция магнитопровода выполнена более тонкой (меньшей площадью поперечого сечения), чем у других кернов. Она обеспечивает более высокий класс измерения от 0,5 и выше.

На представленной схеме видно, что выводы “И1” на каждой фазе ТТ объединены в ноль, подаются жилой кабеля с клеммы 58 РШ на клеммы 262, 263 панели 91, где заземляются и следуют на клемму 9 панели 11у. Выводы “И2” всех других фаз подключаются подобным образом к соответствующим им клеммам панели.

На представленной схеме видно, что выводы “И1” на каждой фазе ТТ объединены в ноль, подаются жилой кабеля с клеммы 58 РШ на клеммы 262, 263 панели 91, где заземляются и следуют на клемму 9 панели 11у. Выводы “И2” всех других фаз подключаются подобным образом к соответствующим им клеммам панели.

Полярность подключения амперметра А с электромагнитной системой в фазу “В411” не критична. Но все остальные приборы: ваттметр W, варметр Wvar, измерительный преобразователь 1ИП для передачи показаний мощности по цепям телекоммуникаций, счетчик учета мощности Wh со счетчиком потерь W и фиксирующий прибор ФИП требуют строгого соблюдения полярности.

На выходе схемы токовые цепи обязательно закорачиваются. Это выполнено на клеммах 8?13 панели 81.

Для оперативного обслуживания измерительных приборов в схеме, находящейся в работе, применяются клеммники специальной конструкции с винтовыми перемычками в виде накладок либо испытательные блоки БИ.

Они позволяют безопасно выполнять коммутации цепи без ее разрыва. Такое подключение использовано для измерительного преобразователя 1ИП через испытательный блок 3БИ на панели № 97.

Токовые цепи защит комплекта 1636. В нормальном режиме эксплуатации ВЛ защиты просто отслеживают параметры ее схемы. При аварийном режиме они отключают выключатели с обеих сторон линии, чем предупреждают развитие неисправностей.

С учетом этого, магнитопроводы кернов выполняют утолщенной конструкцией поперечного сечения, позволяющей защитам более надежно работать при любых перегрузках первичной схемы большими токами коротких замыканий.

В обычных номинальных условиях точность работы кернов для защит по метрологическим показателям маркируется классом 10Р.

Принципиальное подключение токовых цепей (421) к панели защит ЭПЗ 1636 показано на схеме.

Трехфазные токовые реле 1РТ и 2 РТ подключены в схеме устройств резервирования отказа выключателей “УРОВ”.

Комплекты КРС, ДЗ и КРБ используют значения векторов токов в алгоритме работы дистанционной защиты.

Комплект 1РКЗ используется для токовой отсечки, а 2РКЗ — для направленной 4-х ступенчатой защиты нулевой последовательности “НТЗНП”.

Подключаемые блоком БИ на панели № 91 поляризованное реле РТ и реле с насыщающимся трансформатором РТН работают в схеме высокочастотной блокировки ВЧБ.

Особенность конструкции магнитопроводов ТТ для защитных устройств определила необходимость подключения к ним измерительных комплексов, отслеживающих и записывающих неисправности при завышенных токах.

Микропроцессорный фиксатор аварийных событий “Пума” подключен испытательным блоком 1БИ на панели 92, а регистратор аварийных процессов “Парма” обрабатывает токовые цепи на панели №28Р.

Токовые цепи ДЗШТ. Цепи тока ДЗШТ (431) выполняются так же, как и предшествующие схемы. Их главная особенность состоит в том, что вектора вторичных токов, поступающих с ТТ линии, по направлению специально выворачиваются до подачи на сравнительное устройство защит шин.

Пример такого конструктивного исполнения в РШ показан на схеме ниже изменением подключения полярности выводов обмоток “И1” и “И2”.

Обязательное заземление токовых цепей через нулевой провод в схеме ДЗШТ выполняется в распределительном шкафу. В цепях защит и измерений заземление, как демонстрирует схема, выполнено на панелях.

Электропроводность, статическое электричество

Большинство технических характеристик, которые рассмотрены на сайте, относятся к стандарту ISO 10545. Однако, существуют и другие характеристики, которые следует упомянуть. Эти характеристики либо не стандартизированы, либо входят в перечень нормативов, принятых в отдельных странах. Данная статья посвящена одному из таких примеров.

Электропроводность материала – объём тока, проходящего через часть материала единицы длины и единицы площади, когда единичная разница потенциала наносится через два предельных значения. Проводимость обратная величина по отношению к сопротивляемости. Материалы, характеризующиеся высокой степенью электрического сопротивления с соответственно низкой степенью электропроводности, относятся к материалам известным как диэлектрики. Напольная и стеновая керамическая плитка, как и большинство изделий из керамики, относятся к этому классу материалов. Керамическая плитка не пропускает электрический ток (только если она сухая, в противном случае, вода и находящиеся в ней соли пропускают электричество). Эта необходимая для безопасности характеристика значительно снижает риск поражения электрическим током.

Другая важная характеристика, напрямую связанная с электропроводностью, – это скопление на поверхности электростатического напряжения. Такое скопление статического электричества, например, на поверхности пола, вследствие трения в процессе ходьбы, в конечном итоге может разрядиться через тело человека, так называемый электрошок. Существуют материалы, которые могут подавлять скопление статического электричества на поверхности. Такие нейтрализаторы статического электричества, вовсе не обладают, как могло бы ожидаться, очень низкими показателями электропроводности. Применение материалов, способных подавлять скопление статики, для напольных покрытий обеспечивает с одной стороны, отсутствие физического раздражителя, хоть и небольшого; а с другой стороны, безопасность в условиях, где разряжение статического электричества может быть опасно (цеха, лаборатории, химические заводы, помещения, где хранятся взрывчатые и легковоспламеняющиеся вещества, и даже самая малейшая искра может привести к взрыву).

Керамические плитки обладают высокой степенью устойчивости. Исследования показали, что керамическая плитка не накапливает статическое электричество так, как, например, ковровое покрытие, следовательно, использование этого вида материала избавляет от получения электрошока в процессе хождения по поверхности. Большинство видов керамической плитки обладают слишком высокой степенью сопротивления электричеству, чтобы применять их в помещениях, в которых главным условием является безопасность. Для применения в таких условиях, требуется специальная плитка, обладающая более высокой электропроводности. Как правило, в таких условиях, под основание устанавливается металлическая сетка или другой аналогичный материал. Металлическая сетка не только обеспечивает равное напряжение, но и заземляет конструкцию.

Сердечник электротехнического изделия (устройства) ндп. Керн

Смотреть что такое «Сердечник электротехнического изделия (устройства) ндп. Керн» в других словарях:

  • Сердечник электротехнического изделия (устройства) — 57. Сердечник электротехнического изделия (устройства) Magnetic core Ндп. Керн Ферромагнитная деталь, на которой или вокруг которой расположена обмотка электротехнического изделия (устройства) Источник: ГОСТ 18311 80: Изделия электротехнические.… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • сердечник — 2.1.2 сердечник (mandrel): Зафиксированный в корпусе «слепой» заклепки элемент, обычно с обозначенной зоной разрыва. Примечания 1. Стержень сердечника может быть ровным или с насечками. 2. Вытягивание или запрессовка сердечника фиксирует заклепку … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • ГОСТ 18311-80: Изделия электротехнические. Термины и определения основных понятий — Терминология ГОСТ 18311 80: Изделия электротехнические. Термины и определения основных понятий оригинал документа: Блокирование в электротехническом изделии 6 Определения термина из разных документов: Блокирование в электротехническом изделии 6.… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *