Визначення матеріалу, матеріалознавства, електротехнічного матеріалознавства.

Протікання струму в провідниках завжди пов'язане із втратами енергії, тобто з переходом енергії з електричного виду в тепловий вид. Цей перехід необоротний. Насправді, - і цей факт дивний, існує ряд провідників, у яких, при виконанні деяких умов, втрат енергії при протіканні струму немає!

Надпровідність, як і надплинність, були виявлені в експериментах при наднизьких температурах, поблизу абсолютного нуля температур. У міру наближення до абсолютного нуля коливання ґрати завмирають. Опір протіканню струму зменшується навіть згідно із класичною теорією, але до нуля при деякій критичній температурі Т_с, воно зменшується тільки згідно із квантовими законами.

Однак ці явища характерні тільки для слабких магнітних полів. Виявляється, сильне магнітне поле може проникати в матеріал, більше того, воно руйнує саме надпровідність! Уводять поняття критичного поля В_с, яке руйнує надпровідник. Воно залежить від температури: максимально при температурі, близької до нуля, зникає при перехід до критичної температури Тс. Для чого нам важливо знати напруженість, (або індукцію) при якій зникає надпровідність? Справа в тому, що при протіканні струму по надпровідникові фізично створюється магнітне поле навколо провідника, яке повинне діяти на провідник.

Чим більше струм, тим більше поле. Таким чином, при деякій індукції (або напруженості) надпровідність пропадає, а отже, через провідник можна пропустити тільки струм, менше того, який створює критичну індукцію.

У такий спосіб для надпровідного матеріалу ми маємо два параметри: критична індукція магнітного поля В_с і критична температура Тс.

Температурну шкалу в криогенній області умовно ділять на кілька областей по температурах кипіння зріджених газів: гелієва (нижче 4.2°К), воднева 20.5°К, азотна 77°К, киснева 90°К, аміак (-33 С). Якби вдалося знайти матеріал, у якого температура кипіння була б поблизу або вище водневої - витрат на підтримку кабелю в робочому стані було б вдесятеро менше ніж для гелієвих температур. При перехід до азотних температур був би виграш ще на кілька порядків величини. Тому надпровідні матеріали, що працюють при гелієвих температурах, хоча були відкриті більш 80 років тому, дотепер не знайшли застосування в енергетиці.

Визначення матеріалу, матеріалознавства, електротехнічного матеріалознавства.

Матеріал - це об'єкт, що володіє певним составом, структурою й властивостями, призначений для виконання певних функцій. Матеріали можуть мати різний агрегатний стан: тверде, рідке, газоподібне або плазмове. Функції, які виконують матеріали - різноманітні. Це може бути забезпечення протікання струму - у провідникових матеріалах, збереження певної форми при механічних навантаженнях - у конструкційних матеріалах, забезпечення непротікання струму, ізоляція - у діелектричних матеріалах, перетворення електричної енергії в теплову - у резистивних матеріалах. Звичайно матеріал виконує кілька функцій, наприклад діелектрик обов'язково випробовує якісь механічні навантаження, а значить є конструкційним матеріалом.

Матеріалознавство - наука, що займається вивченням складу, структури, властивостей матеріалів, поведінку матеріалів при різних впливах: теплових, електричних, магнітних і т.д., а також при комбінації цих впливів. Теоретичною основою матеріалознавства є фізика й хімія. Стихійними матеріалознавцями були ще прадавні люди, наприклад, що навчилися робити кам'яні наконечники або сокири з певних каменів із шаруватою структурою. Технічний прогрес людства багато в чому заснований на матеріалознавстві. У свою чергу технічний прогрес дає нові можливості, методи, прилади для матеріалознавства, дозволяє створювати нові матеріали.

Розглянемо приклад з комп'ютерною технікою. Перші комп'ютери були на вакуумних електронних лампах і мали порівняно скромні можливості. Розмір їх був приблизно зі спортивний зал, розмір одиничного елемента для зберігання й обробки інформації становив кілька сантиметрів. Після відкриття напівпровідників розмір елемента поменшився приблизно в 10 раз, розміри комп'ютера поменшилися також приблизно в 10 раз. У міру дослідження напівпровідників їх розмір зменшувався, поки не відбувся якісний стрибок після відкриття інтегральних схем, коли кілька транзисторів з'єднали в одному елементі. Надалі й цей елемент постійно зменшувався й у ньому з'єднували все більшу кількість транзисторів. У цей час елементарний транзистор має розмір приблизно 0.5 мкм, у більших інтегральних схемах з'єднуються тисячі елементів. Передбачається, що в найближчому майбутньому буде поступово здійснюватися перехід на масштаб 0.2 мкм і 0.18 мкм. Є ідеї про створення елементів розміром з молекулу!

Електротехнічне матеріалознавство - це розділ матеріалознавства, який займається матеріалами для електротехніки й енергетики, тобто матеріалами, що володіють специфічними властивостями, необхідними для конструювання, виробництва й експлуатації електротехнічного устаткування. Ряд матеріалів традиційні для кожного з розділів матеріалознавства, у першу чергу, це конструкційні матеріали. Основні матеріали, розглянуті тут специфічні саме для електротехнічного розділу матеріалознавства, це в першу чергу діелектричні матеріали, потім провідникові матеріали, матеріали для резисторів. В основному ці теми й будуть розглядатися в курсі електротехнічного матеріалознавства. Для успішного освоєння курсу не потрібно спеціалізованих знань – досить математики та фізики в обсязі загального курсу.