ГЛАВА ВТОРАЯ
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
2-1. Общие сведения
Электрики, которые работают в проектных бюро, занимаются преимущественно схемами. Но схемы — это лишь маленькая часть электротехники. И схемы, и расчеты — только вспомогательные средства, чтобы строить машины, добывать электроэнергию, распределять ее, преобразовывать в другие виды энергии. Основа электротехники, ее фундамент — это материалы.
Разнообразны материалы, применяемые в электротехнике.
Некоторые элементы периодической системы Менделеева используются в электротехнике в чистом виде. Другие входят в различные химические соединения, важные для электротехники.
В прошлом веке говорили, что электротехника держится на «трех китах»: меди, железе, угле. Из меди — обмотки; из железа — сердечники, а уголь — для щеток и дуговых ламп.
В наше время на службу электротехнике поставлены все элементы системы Менделеева.
Первый элемент периодической системы — легчайший газ водород. Им охлаждают мощные турбогенераторы, наполняют тиратроны, разрядники. В водородных печах отжигают детали электровакуумных приборов.
За водородом идет гелий. Он, как и остальные инертные газы — неон, аргон, криптон, ксенон, — идет для наполнения различных электровакуумных приборов. Багровым огнем светятся наполненные неоном стеклянные трубки. Они горят в рекламных надписях, на аэродромах, в маяках. Наполненные криптоном лампы накаливания отличаются высокой экономичностью и малыми размерами.
В электровакуумном производстве применяются все щелочные и щелочноземельные металлы. Натрий, калий и цезий идут для фотоэлементов. Барием, кальцием и стронцием в виде окислов и чистых металлов покрывают катоды электронных ламп.
Третья группа таблицы Менделеева начинается с бора, соединения которого идут на изготовление прочного и тугоплавкого боросиликатного стекла. Из такого стекла выполняют колбы для генераторных ламп, газотронов.
Об элементе, с которого начинается четвертая группа таблицы Менделеева, — об углероде — не пересказать даже самого главного.
Углерод идет и в чистом виде: графитовые электроды для дуговых печей, нагреватели печей сопротивления, мембраны и порошок для микрофонов, угли для прожекторов, сетки и аноды тиратронов и мощных ртутных выпрямителей. Из соединений углерода получается бесчисленное количество изоляционных материалов. Из углеводородов изготовляют и твердую изоляцию, и лаки, и эмали.
Азотом наполняют осветительные лампы. Сжатым азотом изолируют высокочастотные конденсаторы. Многие соединения азота используются также в качестве изоляционных материалов.
Кислород в электротехнических конструкциях редко применяется в чистом виде. Но он входит в состав всех стекол, в фарфор. Применяются в электротехнике соединения всех галоидов: фтора, хлора, брома, иода.
Драгоценные металлы весьма важны для электротехнических сооружений: из серебра делают контакты для реле, обкладки конденсаторов (керамических, например), серебром покрывают резонаторы и волноводы для сантиметровых волн. В предыдущей главе было уже сказано о применении серебра в печатных схемах.
Ртуть — важный электротехнический материал. Ее парами наполняют преобразователи тока.
Тонкие слои золота наносят на сетки некоторых ламп, чтобы уменьшить с них эмиссию электронов. Платиновые проволоки, платиновая жесть, платиновые тигли во многих случаях применяются в электротермии и для других целей.
Последний из естественных элементов — 92-й элемент уран1 — и тот применяется в специальных сопротивлениях, которые должны понижать свое электросопротивление с температурой. Это термисторы — пусковые и регулирующие сопротивления.
Трудно назвать материал, который бы не относился к «строительным материалам электротехники».
Разреженный газ, пронизываемый потоками электронов, — светящаяся плазма, кубический метр которой весит ничтожные доли грамма, для электрика важный конструкционный материал. Он значит не меньше, чем сталь и чугун.
Электровакуумщики выкраивают из этой плазмы «рукава» в мощных преобразователях, заполняют этой плазмой разрядные камеры, процеживают плазму сквозь сетки. Подробные графики и таблицы указывают, через какие дыры плазма просочится, а в какой сетке она завязнет.
Электрика интересуют очень многие свойства тех строительных материалов, из которых он создает свои конструкции. Как и инженеру-механику, ему важно знать механическую прочность материалов. Как и теплотехник, он должен знать теплопроводность и огнестойкость материалов.
Но есть три специфические электротехнические характеристики всех материалов. С них и надо начать.
2-2. Эпсилон, мю, сигма
Электротехника имеет дело с движением электрических зарядов, с их накоплением, с возбуждением магнитных сил, с распространением электромагнитных волн, со взаимными превращениями электрической и магнитной энергии.
Разные вещества по-разному влияют на эти процессы. В воздухе и в сильно разреженных газах электромагнитные колебания любой частоты распространяются с одинаковой скоростью. Это скорость света 300 000 км/сек — верхний предел для скоростей всех возможных в природе процессов. Во всех формулах эту скорость обозначают буквой с.
Многие твердые и жидкие вещества также пропускают через себя электромагнитные волны. Это вещества, в которых затруднено движение электрических зарядов. Те же вещества, в которых электрические заряды движутся свободно, непрозрачны для электромагнитных воли. Падая на такие тела, электромагнитные волны растрачивают свою энергию на раскачивание зарядов и загасают в тонком слое вещества.
Но и в прозрачных средах, в которых заряды связаны и прочно сидят на своих местах, электромагнитные волны движутся иначе, нежели в воздухе и разреженных газах. Скорость распространения волн здесь меньше. Величину, показывающую во сколько раз эта скорость меньше с, называют коэффициентом преломления п. Он обычно зависит от длины электромагнитной волны. Для луча желтого света вода имеет n=1,33, оптическое стекло кронглас n=1,5, а алмаз n=2,4. Это очень высокий коэффициент преломления для световых волн, и потому так «играют» лучи света на гранях алмаза.
Для сантиметровых радиоволн, применяемых в радиолокации, вода имеет коэффициент преломления ≈9. Не только коэффициент преломления, но и прозрачность зависят от длины волны. Множество материалов, непрозрачных для световых волн, пропускают с малым затуханием более длинные электромагнитные волны — это фарфор, эбонит, многие смолы.
В обиходном языке словом «луч» привыкли называть нечто тонкое, не имеющее ощутимой ширины и толщины. Понятие луч часто ассоциируется с понятием геометрической линии.
Но физик определит луч иначе. Он скажет, что луч — это поток энергии, поток волн. Такой поток может существовать, только когда размеры его сечения во много раз больше длины волны.
Волны видимого света имеют длину около половины микрона. В световом луче поперечником в 1 миллиметр уложится две тысячи длин волн. В радиолокации применяются сантиметровые волны, и там о луче можно говорить, когда размеры его сечения измеряются метрами. В аппаратуре меньших размеров законы геометрической оптики неприменимы, понятие о луче здесь ничего не может дать для расчета.
Для тока с частотой 50 Гц минимальное сечение луча — это десятки тысяч километров. Все решительно установки, с которыми работают электрики-низкочастотники, имеют размеры, во много раз меньшие длины электромагнитной волны. Говорить о лучах таких волн вовсе не приходится. Лучу просто негде образоваться в такой установке/
В этих случаях понятие коэффициент преломления п неприменимо. Вместо него говорят о диэлектрической проницаемости вещества. Она приблизительно равна квадрату коэффициента преломления. Вот эту-то величину и обозначают греческой буквой эпсилон ε.
Можно подойти к определению величины ε, и вовсе не затрагивая волн и лучей. В пространстве вокруг электрических зарядов существуют электрические силы. Эти силы ослабевают, если разреженный газ заменить каким-либо твердым или жидким веществом. Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз уменьшается величина электрических сил, когда электрический заряд, находившийся до того в газе, окружают интересующим нас веществом.
Для большинства электроизоляционных материалов, применяемых в электротехнике, величина диэлектрической проницаемости равна нескольким единицам. У парафина ε=2. Фарфоровые массы имеют ε=6. В этих же пределах находится диэлектрическая проницаемость слюды, эбонита, трансформаторного масла. Для накопления электрической энергии в конденсаторах применяют часто материалы с более высокими значениями ε. Например, керамические массы, содержащие двуокись титана, имеют ε≈60. Диэлектрическая проницаемость зависит еще от агрегатного состояния вещества. Лед имеет ε=3,1, а вода ε=81. Но вообще дело с водой не так просто, о ней еще будет речь в следующем параграфе.
Существуют вещества и со значительно большей диэлектрической проницаемостью — такова, например, сегнетова соль, имеющая ε несколько тысяч. Такого же порядка ε у соединений титана с барием — титанатов бария. Советские ученые усиленно исследуют эти соединения. Предвидится много их интересных применений в науке и технике.
Вторая буква, стоящая в заголовке этого параграфа,— греческое «мю» (μ). Движение зарядов или движение электрических силовых линий — это электрический ток, он неизменно порождает магнитный поток. Отношение магнитных сил к породившему их току характеризует магнитную проницаемость среды.
Проницаемость воздуха принято считать за единицу; и величина μ показывает, во сколько раз проницаемость данного вещества отличается от проницаемости воздуха.
Наконец, третья характеристика веществ — это способность их проводить электрические заряды. Удельную электрическую проводимость принято обозначать греческой же буквой сигма (σ).
Идеальный изолятор должен иметь сигму, равную нулю, а идеальный проводник — сигму, равную бесконечности. Часто пользуются обратной величиной
-. Ее называют удельным электрическим сопротивлением. Для него стандартное обозначение — буква ро (р).
Для механических конструкций часто пользуются материалами, которые во всех направлениях имеют одинаковую прочность. Такова, например, хорошо выделанная сталь. Но есть и другие материалы, как дерево, к примеру, которые в одном направлении (вдоль волокон) хорошо держат нагрузку, а в другом (поперек волокон) имеют незначительную прочность.
Так и с электротехническими свойствами материалов. Медь, например, имеет проводимость, одинаковую во всех направлениях. Одинакова диэлектрическая проницаемость во всех направлениях для парафина, стекла, янтаря. Другие материалы ведут себя по-иному. Кристаллы часто имеют разную проводимость и разную диэлектрическую проницаемость по разным осям.
Трансформаторная сталь, применяемая для сердечников трансформаторов, имеет различные магнитные проницаемости в разных направлениях.
В таблицах, где приводятся характеристики электротехнических материалов, обычно делаются оговорки, в каком направлении те или иные величины измерены. Когда же таких оговорок нет, то, значит, речь идет об однородном во всех направлениях материале — изотропном материале, как иногда называют.
2-3. Классификация по ро
Нет веществ, которые бы вовсе не проводили электрического тока, как нет и таких, которые не оказывали бы прохождению тока никакого сопротивления.
Каждый материал имеет свое характерное электросопротивление.
На рис. 2-1 по горизонтальной шкале нанесены электрические сопротивления кубика со стороной ребра в 1 см. Сопротивления выражены в омах, тысячных и миллионных долях ома (миллиомах и микроомах), в тысячах Ом (килоомах) и миллионах Ом (мегомах). Каждое деление шкалы соответствует изменению сопротивления в 1 000 раз.
Все известные материалы, все многообразие окружающего мира может быть уложено на подобном графике. Здесь могут быть размещены и все элементы, и все химические соединения, и все мыслимые смеси.
Но на рис. 2-1, чтобы не создавать чрезмерной тесноты, дано место только некоторым, как мне казалось, наиболее характерным веществам.
По вертикальной оси графика нанесена температура. Электросопротивление от нее сильно зависит.
В самых жарких странах температура любого тела не превышает под прямыми лучами солнца 100° С. А в полярных областях в самые лютые морозы температура не падает ниже —70° С. В этих пределах температур работает множество электротехнических конструкций. Другие электротехнические приборы и аппараты работают в еще более узких пределах температур — при температурах, которые иногда называются комнатными, т. е. от 10 до 30° С. Но есть и такие электротехнические устройства, которые должны выдерживать температуры в сотни градусов, а некоторые должны надежно и устойчиво работать при еще более высоких температурах, часто выше 2 000° С.
В левой части графика — область малых удельных электросопротивлений. Здесь теснятся металлы. Вблизи них расположилась одна из модификаций углерода — графит.
Крайняя правая часть графика — это высокие электросопротивления. Здесь размещаются некоторые соединения металлов, большинство окислов. Здесь же помешается и углерод, но уже в другой модификации — в виде алмаза. Многие материалы могли бы занять по два и даже более места на графике. Это те, что существуют в разных аллотропических формах, как селен, сера.
Рис. 2-1. Зависимость сопротивления различных материалов от температуры.
В электротехнике применяются разнообразные вещества не только в твердом, но и в жидком и в газообразном состояниях. Многие сохраняют свои свойства только в узком интервале температур. В сильных электрических полях все изоляционные материалы пробиваются, начинают проводить ток. Газы в очень короткий срок после прекращения пробоя полностью восстанавливают свои изоляционные свойства. Жидкие изолирующие материалы также восстанавливаются после пробоя. Твердый изолятор может выйти из строя после одного единственного пробоя.
С изменением температуры электросопротивление меняется у всех материалов. У металлов и их сплавов электросопротивление растет с температурой. Металлы имеют, как говорится, положительный температурный коэффициент. Есть, правда, сплавы, которые в некотором интервале температур мало меняют свое электросопротивление. Таков сплав константан — это древнегреческое слово означает «постоянный». Константан — специфический электротехнический сплав. Еще большим постоянством электросопротивления обладает сплав манганин.
Подобные сплавы применяются в измерительной технике для изготовления эталонов сопротивления, для добавочных сопротивлений к вольтметрам и шунтов к амперметрам (об этих устройствах речь будет в следующей главе).
Медь и железо с повышением температуры сравнительно сильно увеличивают свое электросопротивление. Проводимость железа при нагревании от комнатной температуры до красного свечения падает в 10 раз. Это свойство используется иногда в термометрах сопротивления. Тонкие железные проволочки закладываются в изучаемый объект, и по изменению их сопротивления судят об изменении температуры.
По мере приближения к абсолютному нулю — к минус 273° С — электросопротивление всех металлов постепенно уменьшается, а у некоторых металлов при определенных температурах электросопротивление резким скачком падает до неуловимо малой величины. Это — явление сверхпроводимости. При наиболее высокой температуре — всего лишь на 7° С выше абсолютного нуля — сверхпроводимость наступает у тантала, ниобия, свинца. Но и эта «высокая температура» лежит ниже точки кипения самого трудносжимаемого газа — гелия.
Техническое использование сверхпроводимости затрудняется еще тем, что при больших токах в сильных магнитных полях это явление исчезает.
У веществ, занимающих правую часть графика, их высокое электросопротивление падает с нагревом — эти вещества имеют отрицательный температурный коэффициент. Изменение сопротивления тут происходит значительно резче, нежели у металлов. При нагревании, например, стекла его электросопротивление меняется в миллионы раз.
С повышением температуры разница в электросопротивлениях различных материалов уменьшается.
