рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры
- Раздел Науковедение
- /
- Дисциплина входит в федеральный компонент цикла общепрофессиональных дисциплин и является обязательной для изучения
Реферат Курсовая Конспект
Дисциплина входит в федеральный компонент цикла общепрофессиональных дисциплин и является обязательной для изучения
Дисциплина входит в федеральный компонент цикла общепрофессиональных дисциплин и является обязательной для изучения - раздел Науковедение, ...
Автор-составитель: РУЧКИНА ЛЮБОВЬ ГРИГОРЬЕВНА
канд. техн. наук, доцент кафедры ЭиЭ
Учебно-методический комплекс по дисциплине «Материаловедение» составлен в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования/основной образовательной программой по специальности/направлению 190401.65 Электроснабжение железных дорог (ЭНС) /_ Системы_ обеспечения движения поездов_и 190402.65 Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте (АТС)/_Системы_ обеспечения движения поездов_______________________________________
Дисциплина входит в федеральный компонент цикла общепрофессиональных дисциплин и является обязательной для изучения.
Программа разработана на основании примерной учебной программы данной дисциплины, составленной в соответствии с государственными требованиями к минимуму содержания и уровня подготовки инженера по специальностям 190402.65(АТС) и 190401.65(ЭНС) .
Составитель — канд. техн. наук, доц. Л.Г. РУЧКИНА
| № п/п | Курс — III | |
| Всего, ч | ||
| Лекционные занятия, ч | ||
| Лабораторные занятия, ч | ||
| Контрольные работы (количество) | ||
| Самостоятельная работа | ||
| Зачет (количество) | ||
| Экзамен (количество) |
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
1.1. Целью преподавания дисциплины является изучение свойств и характеристик электротехнических материалов, а также области их применения, в… 1.2. Изучив дисциплину, студент должен:СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Введение
Краткий исторический обзор развития науки об электротехнических материалах, ее значение в развитии железнодорожного транспорта России. Основы материаловедения. Электротехнические материалы и электроизоляционные конструкции.
Общие сведения о строении вещества
Виды химической связи. Виды и свойства электротехнических материалов, агрегатные состояния, дефекты строения. Типы твердых тел, их свойства. Агрегатные состояния вещества. Классификация материалов по электрическим и магнитным свойствам: проводниковые, полупроводниковые, сверхпроводниковые, магнитные материалы, диэлектрики. Виды и свойства электротехнических материалов, агрегатные состояния, дефекты строения.
Диэлектрики
Основные виды поляризации диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость газов, жидких и твердых диэлектриков. Температурный коэффициент… Токи смещения и электропроводность диэлектриков. Электропроводность газов,… Виды диэлектрических потерь. Угол диэлектрических потерь. Удельные потери. Диэлектрические потери в зависимости от…Проводниковые и сверхпроводниковые материалы
Классификация проводниковых материалов по составу, свойствам и техническому назначению. Металлы.
Материалы высокой проводимости, их характеристики и области применение. Сверхпроводящие металлы и сплавы, их применения. Сплавы высокого сопротивления, их основные параметры. Припои, неметаллические проводящие материалы.
Полупроводниковые материалы
Собственные и примесные полупроводники. Основные и неосновные носители заряда влияние внешних факторов на свойства полупроводников. Оптические и… Классификация полупроводниковых материалов. Физико-химические и электрические… Влияние внешних факторов на свойства полупроводниковых материалов.Магнитные материалы
Классификация материалов по магнитным свойствам: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики. Основные характеристики, области… Доменное строение ферромагнетиков. Процессы при намагничивании… Магнитомягкие материалы, виды, свойства и области применения.ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛЕКЦИОННЫХ ЗАНЯТИЙ
Примерный объем в часах
| № п/п | Наименование темы | Количество часов |
| Виды химической связи. Атомно-кристаллическое строение материалов. Виды и свойства электротехнических материалов | ||
| Диэлектрики. Виды поляризации. Электропроводность диэлектриков. Виды диэлектрических потерь в электроизоляционных материалах | ||
| Проводниковые материалы, их классификация. Металлы | ||
| Полупроводниковые материалы, их классификация, свойства. Влияние внешних факторов на свойства полупроводников | ||
| Магнитные материалы, их классификация, области применения |
ТЕМЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПРОРАБОТКИ
ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ДИСЦИПЛИНЫ
1. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники: Учебник для вузов — СПб.: Издательство "Лань", 2009. (e.lanbook.ru) 2. Серебряков А.С. Электротехническое материаловедение. Проводниковые и… 3. Серебряков А.С. Электротехническое материаловедение. Электроизоляционные материалы: учебное пособие для вузов…КРАТКИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЕ
1. При изучении разделов курса рекомендуется вести конспект, в котором необходимо указать основные положения изучаемого материала. 2. К задачам контрольной работы следует приступать после изучения и усвоения… 3. При возникновении затруднений при изучении материала и решении задач контрольной работы следует обратиться за…ЛЕКЦИИ
по дисциплине
«Материаловедение»
для II курса специальностей
190401 – Электроснабжение железных дорог (ЭНС)
190402 – Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте (АТС)
Лекция 1
Электротехническое материаловедение
Введение в предмет
Что такое материал, материаловедение, электротехническое материаловедение.
Роль материалов в современной технике.
Основные типы материалов, применяемых в энергетике и электротехнике, композиционные материалы.
Диэлектрические материалы являются основными видами электротехнических материалов с которыми придется встретиться на практике будущим… Целью настоящего курса является изучение основных процессов, происходящих в… 1.1. Что такое материал, материаловедение, электротехническое материаловедение.Роль материалов в современной технике, в частности в энергетике.
Более близкий пример - изоляторы высоковольтных линий. Исторически первыми придумали изоляторы из фарфора. Технология их изготовления достаточно… Для сравнения, вес подвесных изоляторов для ВЛ 1150 кВ сопоставим с весом… 1.3. Основные типы материалов, применяемых в энергетике и электротехнике, композиционные материалы.Характеристики композиционных материалов
Оказывается удельные теплопроводность, электропроводность, диэлектрическая проницаемость, коэффициент диффузии являются близкими характеристиками, в… Например плотность тока связана с градиентом потенциала через проводимость: …Лекция 2
Электрофизические характеристики материалов. Электропроводность.
Электропроводность присуща всем материалам, без исключения. Дело в том, что заряды присутствуют в любых, даже самых идеальных диэлектриках, не говоря уже о металлах и полупроводниках. В этой лекции будут рассмотрены следующие вопросы:
Основное уравнение электропроводности.
Электропроводность проводников, полупроводников и диэлектриков
Проводимость жидких диэлектриков и электролитов.
Основное уравнение электропроводности.
Способность любых материалов проводить электрический ток определяется наличием зарядов в нем и возможностью их движения. Можно написать наиболее… j = S ni·qi·Vi (2.1) Здесь i - тип или cорт заряда, (например электроны, ионы различных молекул, молионы, заряженные частицы и т.п.), ni -…В полупроводниках ширина зоны составляет примерно от доли электрон-вольта до 3 электрон-вольт, в диэлектриках ширина зоны составляет примерно от 3 электрон-вольт до 10 электрон-вольт.
Для того, чтобы возникла электропроводность в этих веществах, заряды должны попасть из валентной, занятой электронами зоны, в зону проводимости, т.е. любой свободный носитель заряда появится, если только ему сообщить энергию, не меньшую, чем ширина запрещенной зоны.
Под действием не очень сильных электрических полей, заряды появляются, в первую очередь, путем термоионизации молекул основного вещества или примесей, либо за счет появления из электродов. Последний способ называется эмиссией носителей заряда. При всех способах в диэлектрике появляются, в основном, электроны и ионы. Оценку их концентрации ni можно сделать из общих энергетических соображений. Изменение концентрации носителей заряда определяется в соответствии с обычным законом Аррениуса
dni /dt ~ n·n·e-W/kT (2.5)
где n - плотность молекул, - частота колебаний электрона в молекуле (~10141/сек), W - энергия ионизации (ширина запрещенной зоны), k- постоянная Больцмана, Т - температура. При комнатной температуре kT~1/40 эВ.
Здесь важно учесть не только появление носителей заряда, но и их исчезновение. Механизмы исчезновения зарядов - рекомбинация электрона с ионом, уход на поверхности и электроды. Для рекомбинации можно воспользоваться выражением
dni /dt = - Krni 2 (2.6)
где Kr - коэффициент рекомбинации. В равновесии количество носителей не меняется со временем, складывая (2.5) и (2.6) и приравнивая сумму нулю получим окончательное выражение.
ni = (N /Kr)1/2 ·e-W/2kT (2.7)
Оценим проводимость по (2.3) с учетом (2.7):
Твердые диэлектрики. Здесь носителями заряда могут быть электроны и дырки. Ионы "вморожены" и практически не имеют возможности движения bi ~10-23 м2/(В ·с). Подвижность электронов и дырок достаточно высока и может достигать be~10-3 м2/(В·c). Количество электронов и дырок определяется шириной запрещенной зоны W~5-10 эВ, тепловой энергией kT~1/40 эВ, плотностью молекул n~1027 шт/м3 и составляет пренебрежимо малую величину.
Таким образом, электропроводность диэлектриков определяется наличием примесей, уровни энергии которых, близки к уровням краев зоны проводимости или запрещенной зоны.
Полупроводники. Для полупроводников с малой шириной запрещенной зоны существенный вклад в электропроводность может дать термоионизация молекул вещества. Однако гораздо более сильную роль играют специальные, т.н. "легирующие" добавки. Дело в том, что если в полупроводник ввести примеси, энергетические уровни которых будут попадать в запрещенную зону основного вещества, то ионизация этих уровней, если они заняты и энергетически близки к зоне проводимости приведет к появлению зарядов в зоне проводимости. Если уровни не заняты, но энергетически близки к валентной зоне, то электроны могут выйти из валентной зоны и осесть на этих уровнях. Тогда в валентной зоне появятся подвижные положительно заряженные объекты, т.н. дырки.
Газообразные диэлектрики. Рекомбинация носителей не затруднена, т.к. заряды разного знака могут беспрепятственно сближаться на близкое расстояние. В оценке считаем n ~ 1025 шт/м3, энергию ионизации W~10-20 эВ, подвижность электронов be~10-3 м2/(В·c), ионов bi~10-4 м2/(В·c), заряд e = 1.6 10-19 Кл. Определяющим фактором является экспоненциальный множитель e-W/kT
Отметим, что если искусственно создавать носители заряда, то в газе можно получить высокую проводимость.
2.3. Проводимость жидкостей и электролитов.
Жидкости. Современные представления о проводимости диэлектрических жидкостей состоят в следующем. Здесь носителями заряда являются ионы, т.к. электроны легко прилипают к нейтральным молекулам жидкости и не могут существовать в свободном состоянии. Кроме того, в жидкости заряды могут переноситься молионами, частицами и даже пузырьками. Ионизация облегчена по сравнению с газами за счет большей диэлектрической проницаемости, ибо высота потенциального барьера (энергия ионизации) понижена в e раз. Рекомбинация носителей заряда в жидкости затруднена, поскольку заряды взаимодействуют со средой, а именно, легко окружаются соседними молекулами, ориентированными соответствующими концами постоянных или индуцированных диполей к ионам.
Эффект взаимодействия со средой называется сольватацией. Ионизироваться могут молекулы основной жидкости, или примесей, если они являются ионофорами, т.е. имеющими преимущественно ионную связь между частями молекулы. Характерный пример ионофора - молекула NaCl, которую можно представить состоящей из ионов Na+ и Cl-. В жидкости молекула NaCl может растворяться и существовать сразу в виде ионов, либо ионных пар (Na+Cl). Превращение молекулы в пару ионов называется диссоциацией.Помимо ионофоров, в жидкости могут существовать ионогены, т.е. вещества, образующие ионы только при взаимодействии друг с другом. Например вода, растворенная в диэлектрической жидкости, может облегчать ионизацию других примесей, растворенных в жидкости.
Подвижность, связанная с движением жидкости, называется электрогидродинамической подвижностью. Она составляет mэгд ~ (10-7 - 10-8) м2/(В·c), т.е. на три - четыре порядка меньше подвижности ионов в газах. Оценка для вышеприведенного примера с диссоциированной примесью дает s ~10-9 Cм/м.
Таким образом, в жидкостях обычно проводимость больше, чем в газах и твердых телах за счет облегченной ионизации и затрудненной рекомбинации.
С другой стороны, отсутствие формы жидкости, легкость очистки дают возможность уменьшения электропроводности, что невозможно сделать с твердыми диэлектриками. В настоящее время существуют несколько новых технологий очистки жидкостей, например электродиализ, благодаря которым некоторые жидкости очищали до проводимости, не хуже лучших образцов твердых диэлектриков, типа янтарь, т.е. до проводимости менее s ~ 10-19 Ом·м.
Еще необходимо отдельно рассмотреть электропроводность электролитов. В энергетике они применяются, в основном, в аккумуляторах. Кроме того, естественные электролиты обеспечивают электропроводность в системах заземления энергетических объектов. Дело в том, что земля имеет преимущественно электролитический характер электропроводности.
При этом, наиболее важным видом электролитов являются водные электролиты. Вода является самым распространенным жидким веществом, кроме того, она является самым сильным растворителем и самой сильной ионизирующей средой.
Лекция 3
Электрофизические характеристики материалов. Диэлектрическая и магнитная проницаемости.
Особенностями использования материалов в электроэнергетике является то, что они эксплуатируются в условиях воздействия электрических полей, и в несколько меньшей степени, в условиях воздействия магнитных полей. Основными процессами, происходящими под действием этих полей являются поляризация вещества, электропроводность, намагничивание вещества. В предыдущей лекции рассматривалась электропроводность. В этой лекции будут рассмотрены следующие вопросы:
Диэлектрическая проницаемость и электрические поля в диэлектриках.
Магнитная проницаемость и магнитные поля.
Прежде чем приступить к лекции хотелось бы напомнить термины и определения. Электрическое поле - это вектор, направленный от положительного заряда к… а с потенциалом j: E = -grad j. (3.2)Диэлектрическая проницаемость материалов.
Определение этой величины вы должны помнить еще из школы. Давайте вспомним. Если взять плоский конденсатор в вакууме, то заряд на каждой его… (3.4) где e0 - диэлектрическая постоянная, или диэлектрическая проницаемость вакуума, e0 = 8.85 10-12 Ф/м, S- площадь каждой…Лекция 4
Теплофизические и механические характеристики материалов.
Понятие температуры. Характерные температуры (плавления, кипения, Кюри, и т.п.) Температуростойкость материалов. Теплостойкость материалов.
Теплоемкость, теплопроводность, температурные коэффициенты материалов.
Механические свойства материалов. Удлинение, деформация, модуль упругости. Разрушающие напряжения при различных видах нагрузки.
Теплофизические характеристики материалов очень важны для практики. Действительно, материалы в различных энергетических устройствах и установках… Поэтому важно понимать, как ведут себя материалы при различных температурах,…Понятие температуры. Характерные температуры (плавления, кипения, Кюри, и т.п.) Температуростойкость материалов. Теплостойкость материалов.
Температура - это понятие, введенное для характеристики энергии, которой обладают молекулы вещества. С другой стороны, это физическая… Для материалов вводят несколько характерных температурных точек, указывающих… Нагревостойкость - максимальная температура, при которой не уменьшается срок службы материала.Теплоемкость, теплопроводность, температурные коэффициенты материалов.
Приведем выражение для тепловой энергии материала: Q = c×m×(T2-T1), (4.1) где m-масса материала, T2,T1 конечная и начальная температуры.Лекция 5
Конструкционные материалы.
Эта лекция вмещает в себя весь материал традиционного материаловедения.
Общие свойства конструкционных материалов.
Конструкционные стали.
Цветные металлы и сплавы.
Бетон. Железобетон.
Общие свойства конструкционных материалов.
Разработка конкретных узлов и устройств ставит ряд общих и специфических задач для используемых материалов. Во первых, они должны выполнять те… Наиболее распространенными конструкционными материалами являются металлы, а из… Металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из мелких кристаллов размером от 1 мм до 10 мкм. Они…Лекция 6
Проводниковые материалы
Общие свойства проводников. Температурный коэффициент сопротивления, потери, нагрев проводников.
Материалы для проводов. Медь. Алюминий.
Материалы для контактов.
Материалы с малым температурным коэффициентом сопротивления. Материалы для термопар.
Хотя, как известно, электроэнергия передается не по проводникам, а по диэлектрическому пространству между проводниками, тем не менее, проводники необходимы для направления потоков этой энергии.
Общие свойства проводников. Температурный коэффициент сопротивления, потери, нагрев проводников.
Основная характеристика проводника - это его электропроводность. Как известно, и мы рассматривали этот вопрос на 2 лекции, в любом теле при… (6.1)Материалы для проводов. Медь, алюминий.
Из проводниковых материалов с высокой тепло- и электро- проводностью самым замечательным материалом для проводов было бы серебро. Его удельное… Свойства меди. Медь - мягкий материал красноватого оттенка. Атомный номер -… Применение меди в энергетике достаточно широко - различные проводники, кабели, шнуры, шины, плавкие вставки, обмотки…Материалы для контактов.
Проводники в месте контакта отличаются от проводников в объеме проводов несколькими обстоятельствами их функционирования. Во - первых, невозможно сделать площадь контакта такой же или большей, чем… Идеальных материалов для контактов - нет.Материалы с малым температурным коэффициентом сопротивления. Материалы для термопар.
Возвращаясь к температурному коэффициенту для проводниковых резистивных материалов следует упомянуть о существовании материалов с практически… По составу родственными являются материалы, используемые для термопар. Это…Лекция 7
Слабопроводящие материалы
Электропроводность полупроводников и слабопроводящих материалов.
Резистивные материалы. Углеродные композиты, бетэл, ЭКОМ, электропроводящие полимеры.
Материалы с нелинейной проводимостью. ОЦК, позисторная керамика , силит, вилит.
Электропроводность полупроводников и слабопроводящих материалов.
В любом теле при приложении напряжения должен протекать ток в соответствии с выражением, определяющим плотность тока (7.1) Здесь ni - концентрация носителей заряда i-ого сорта, qi - значение заряда, vi - скорость заряда. Определяющий…Металлические резистивные материалы
Применение этих сплавов для нагревателей и резисторов обусловлено двумя главными обстоятельствами. Во первых, их удельное сопротивление примерно в…Графит. Бетэл
Вторым по значению резистивным материалом является графит. Здесь стоит упомянуть, как изменение структуры материала ведет к принципиальным… Например существует кристаллическая модификация углерода - алмаз. Это твердый,… Графит - также кристаллическая модификация углерода. Это непрозрачный, мягкий, электропроводный материал. Структура у…Электропроводящие полимеры
Как известно, полимеры являются диэлектриками. Однако можно их сделать и проводниками. Для чего такие проводники? Они, в отличие от металлов, имеют… Второй вариант электропроводящих полимеров заключается в модифицировании их…Материалы с нелинейной проводимостью. ОЦК, силит, вилит.
Материалы с нелинейной проводимостью очень важны для энергетики. Дело в том, что с их помощью подавляются паразитные волны перенапряжений в линиях и… Для того, чтобы эффект был значимым, нелинейность должна быть как можно выше.…Лекция 8
Электропроводность и потери в диэлектриках
Диэлектрическое и резистивное состояние вещества.
Особенности электропроводности для различных агрегатных состояний.
Электропроводность неоднородных диэлектриков.
Диэлектрические потери.
Диэлектрическое и резистивное состояние вещества.
Диэлектрические вещества - это такие вещества, в которых возможно накопление, сохранение и распространение электрической энергии. Объемная концентрация энергии (плотность энергии) определяется выражением (8.1)Особенности электропроводности для различных агрегатных состояний.
Как уже указывалось в лекции 2, способность любых материалов проводить электрический ток определяется наличием зарядов в нем и возможностью их… j =S ni qi bi E, (8.5) Здесь i - тип или cорт заряда, (например электроны, ионы различных молекул, молионы, заряженные частицы и т.п.), ni -…Проводимость неоднородных диэлектриков.
Реальные электроизоляционные конструкции далеко не всегда состоят из однородных диэлектриков. Они могут содержать композицию из разных диэлектриков… Н2О + СО2 «Н2СО3 «Н+ + НСО3- (8.10) Таким образом на поверхности появляются носители заряда и поверхность изолятора приобретает дополнительную…Диэлектрические потери.
Термин возник из-за того, что в идеальном диэлектрике энергия может только накапливаться в виде W = e0Ee2/2, (на единицу объема, см.8.1.), но не… Потери за счет проводимости при постоянном напряжении определим из известных… Для случая переменного напряжения появляются дополнительные потери, связанные с поляризацией и токами абсорбции,…Лекция 9
Процессы в диэлектриках под действием сильных электрических полей
Элементарные процессы в газах. Лавина, стример, лидер.
Пробой в жидкостях. Эмпирические зависимости электрической прочности. Роль газовых пузырьков.
Пробой твердых диэлектриков. Электрический пробой. Тепловой пробой. Частичные разряды.
В предыдущей главе мы рассматривали электропроводность диэлектрических материалов под действием слабых электрических полей. В сильных электрических… Изоляционный промежуток - устройство, или элемент устройства, содержащий… При повышении напряженности электрического поля в любом диэлектрике, после достижения определенного уровня возникает…Элементарные процессы в газе. Лавина, стример, лидер.
В отличие от слабых электрических полей, в сильных электрических полях, характерных для работы электрической изоляции возникают новые явления,… Ударная ионизация -это физическое явление увеличения числа электронов и ионов в промежутке за счет столкновения…Лекция 10
Газообразные и жидкие диэлектрики
10.1. Газообразные диэлектрики. 10.1.1. Основные характеристики. 10.1.2. Электроотрицательные газы, применение в энергетике.Газообразные диэлектрики.
Основные характеристики.
Основные характеристики газов, как диэлектриков, это диэлектрическая проницаемость, электропроводность, электрическая прочность. Кроме того,… Диэлектрическую проницаемость газов очень просто рассчитать по формуле e =… Электропроводность газов обычно не хуже 10-13 См/м, причем, как было показано во второй лекции, основным фактором…Электроотрицательные газы, применение газообразных диэлектриков.
Наибольшее применение из газов в энергетике имеет воздух. Это связано с дешевизной, общедоступностью воздуха, простотой создания, обслуживания и… Электроотрицательными называются газы, молекулы которых обладают сродством к… Из других полезных свойств отметим следующие: химическая инертность, нетоксичность, негорючесть, термостойкость (до…Жидкие диэлектрики.
Общие свойства.
С электрофизической точки зрения наиболее важными характеристиками жидкостей являются диэлектрическая проницаемость, электропроводность и… Диэлектрическая проницаемость является истинной характеристикой жидкостей и… Для неполярных жидкостей e < 3 диэлектрическая проницаемость можно рассчитать, зная концентрацию и поляризуемость…Используемые и перспективные жидкие диэлектрики.
Наиболее распространенный в энергетике жидкий диэлектрик - это трансформаторное масло. Трансформаторное масло, - очищенная фракция нефти, получаемая при перегонке,…Лекция 11
ТВЕРДЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ
Общие характеристики диэлектриков.
Виды диэлектриков. Применение твердых диэлектриков.
Свойства наиболее применяемых диэлектриков.
11.3.1. Полимерные материалы.
11.3.2. Бумага и картон.
11.3.3. Материалы для изоляторов.
11.3.4. Слюдяные материалы.
Общие характеристики твердых диэлектриков.
Твердые диэлектрики - это чрезвычайно широкий класс веществ, содержащий вещества с радикально различающимися электрическими, теплофизическими,… Неполярный диэлектрик - вещество, содержащее молекулы с преимущественно… Полярный диэлектрик - вещество, содержащее дипольные молекулы или группы, или имеющее ионы в составе структуры.Виды диэлектриков. Применение твердых диэлектриков в энергетике.
Все диэлектрические материалы можно разделить на группы, используя разные принципы. Например, разделить на неорганические и органические… Неорганические диэлектрики: стекла, слюда, керамика, неорганические пленки… Органические диэлектрики: полимеры, воски, лаки, резины, бумаги, лакоткани. Особенности органических диэлектриков -…Свойства наиболее применяемых диэлектриков.
Полимеры, как правило, являются хорошими диэлектриками. Они обладают низкими диэлектрическими потерями, высоким удельным сопротивлением, высокой… Термопласты - размягчаются при нагревании, что позволяет использовать простую… Наиболее распространенным диэлектриком этого класса является полиэтилен H-(CH2)nH. Полиэтилен производят путем…Бумага и картон.
Электротехнический картон используется в качестве диэлектрических дистанцирующих прокладок, шайб, распорок, в качестве изоляции магнитопроводов,… 11.3.3. Материалы для изоляторов.Слюдяные материалы.
Слюда используется в качестве электрической изоляции, как в виде щипаных тонких пластинок, в.т.ч. склееных между собой (миканиты), так и в виде… Миканиты обладают лучшими механическими характеристиками и влагостойкостью, но… Слюдиниты - листовые материалы, изготовленные из слюдяной бумаги на основе мусковита. Иногда их комбинируют с…Лекция 12
Магнитные материалы
В этой лекции будут рассмотрены следующие вопросы:
Общие характеристики магнитных материалов. Определения. Кривая намагничивания, гистерезис, индукция насыщения, коэрцитивная сила. Магнитомягкие и магнитотвердые материалы. Магнитные потери.
Виды магнитных материалов. Применение магнитных материалов в энергетике. Свойства наиболее применяемых материалов. Электротехнические стали. Ферриты. Магнитодиэлектрики.
Общие характеристики магнитных материалов.
Магнитные свойства имеются у любых материалов. Они обусловлены реакцией материала на магнитное поле. Как уже рассматривалось в третьей лекции,… B = m0×m×H (12.1) Глобально, по отношению к магнитному полю, материалы можно разделить на три класса - диамагнетики, парамагнетики,…Виды магнитных материалов. Применение магнитных материалов в энергетике. Свойства наиболее применяемых материалов. Электротехнические стали. Ферриты. Магнитодиэлектрики.
Магнитомягкие материалы используются в энергетике в качестве разнообразных магнитопроводов в трансформаторах, электрических машинах, электромагнитах и т.д.
Для уменьшения потерь на гистерезис выбирают материалы с пониженной коэрцитивной силой, а для уменьшения вихревых токов магнитопроводы собирают из отдельных пластин и используют металлы с повышенным удельным сопротивлением. Дело в том, что ЭДС самоиндукции, благодаря которой возникают вихревые токи, пропорциональна площади поперечного сечения контура. При рассечении площади n изолированными пластинами в каждой пластине наводится уменьшенная в n раз ЭДС. Мощность потерь при протекании вихревого тока пропорциональна квадрату напряжения (ЭДС) и обратно пропорциональна удельному сопротивлению. Поэтому уменьшение ЭДС в каждой из отдельных пластин и использование металлов с повышенным удельным сопротивлением приводит к уменьшению общих потерь.
Основой наиболее широко используемых в электротехнике магнитных материалов является низкоуглеродистая электротехническая сталь. Она выпускается в виде листов, толщиной от 0.2 мм до 4 мм, содержит не выше 0.04% углерода и не выше 0.6% других примесей. Максимальное значение магнитной проницаемости mmax ~ 4000, коэрцитивной силы Нс~ 65-100 А/м. Наблюдается интересная закономерность: чем чище железо и чем лучше оно отожжено - тем выше магнитная проницаемость и тем ниже коэрцитивная сила. Для особо чистого железа эти параметры составляют: более 1 миллиона и менее 1 А/м, соответственно.
Добавлением в состав кремния достигается повышение удельного сопротивления стали с 0.14 мкОм·м для нелегированной стали до 0.6 мкОм·м для высоколегированной стали. Это дает уменьшение потерь.
Если к железу добавить никель, то полученные материалы будут обладать повышенной магнитной проницаемостью (до 100000 у 79НМ, 79% никеля и небольшое количество марганца). Такие сплавы называются пермаллои, они используются для изготовления сердечников малогабаритнгых силовых и импульсных трансформаторов. Практически такие же результаты по магнитной проницаемости можно получить, добавляя к железу кремний (9.5%) и алюминий(5.6%). Такие сплавы называются альсиферами.
Добавки к железу и никелю молибдена, хрома, меди приводит к еще большему росту начальной магнитной проницаемости, более 100 тысяч. Такие материалы используются в миниатюрных магнитных устройствах.
Практически отсутствуют потери на вихревые токи в ферритах. Дело в том, что ферриты представляют собой оксидную керамику МеО+Fe2O3, которая является диэлектриком, либо полупроводником. Типичное удельное сопротивление феррита 103-104 Ом.м. Это на 9-10 порядков превышает сопротивление металлов. Ясно, что вихревые токи в таком материале не возникнут. Магнитная проницаемость у ферритов обычно ниже, чем у стали и не превышает нескольких сотен, хотя есть ферриты с проницаемостью до нескольких тысяч (20000НМ, 1000НМ). Применение в энергетике магнитомягких ферритов - высокочастотные трансформаторы, в ряде материалов потери малы вплоть до частот гигагерцового диапазона. Однако при этом и магнитная проницаемость уменьшается до десятков (9ВЧ, 50ВЧ3).
Большую роль играют ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ). Они используются в качестве логических элементов в ЗУ, в качестве термодатчиков. Основной параметр - коэффициент прямоугольности петли гистерезиса, представляющий собой отношение остаточной индукции к максимальной, измеренной при Н = 5 Нс. Желательно, чтобы этот коэффициент был ближе к 1.
Лекция 13
Сверхпроводящие материалы
13.1. Принцип сверхпроводимости. Влияние магнитного поля.
Низкотемпературные сверхпроводники.
Сверхпроводящая керамика.
13.1. Принцип сверхпроводимости. Влияние магнитного поля Протекание тока в проводниках всегда связано с потерями энергии, т.е. с переходом энергии из электрического вида в…Низкотемпературные сверхпроводники
Выше я уже останавливался на некоторых конкретных сверхпроводящих материалах. В принципе свойство сверхпроводимости характерно практически для всех… Еще один пример - сверхпроводящий индуктивный накопитель. Представьте себе… W = L× I2/2Сверхпроводящая керамика
Следующим радикальным шагом в исследовании сверхпроводимости явилась попытка найти сверхпроводимость в оксидных системах. Смутная идея разработчиков…Лекция 14
Долговечность и старение материалов в условиях воздействующих факторов
Природные факторы старения.
Техногенные факторы старения.
Коррозия металлов и композитов. Электрокоррозия. Защита от коррозии.
Старением материала называются необратимые процессы физических и химических превращений материала, происходящие под действием внешних физических,… Долговечность материалов в условиях эксплуатации определяется не только… Основные факторы, изменяющие свойства материалов можно разделить на природные и техногенные факторы.Природные факторы старения
Здесь можно выделить физические, химические, биологические факторы. Физические факторы. В первую очередь, это изменение температуры. Дело в том,… Одну из главных ролей играет температурный коэффициент расширения Ткl. Ясно, что различные материалы имеют различные…Коррозия материалов.
Коррозией материала называются химические превращения материала (прежде всего окисление), происходящие при участии внешней среды. Коррозия… Коррозия является одной из самых больших и дорогостоящих инженерных проблем… Мы будем рассматривать, в основном, коррозию металлов. Обязательным условием возникновения коррозии является наличие…Лекция 15
Испытания материалов
15.1. Подготовка образцов и условийиспытания. 15.2. Поддержание контроль условийиспытания. 15.3. Электрическиеиспытания.Подготовка образцов и условия испытаний
Условиями окружающей среды при проведении испытаний называют сочетание температуры и относительной влажности воздуха или температуры и жидкости, в… Подготовка образцов преследует две цели - устранить предшествовавшие испытанию… Нормализация - предварительная обработка образцов твердых электроизоляционных материалов в течение определенного…Поддержание и контроль условий испытания.
Существуют также термовлагокамеры, позволяющие получить не только заданную температуру, но и необходимую влажность. Эти камеры оборудованы…Электрические испытания.
Определение общих и удельных сопротивлений образцов.
Если к диэлектрику приложить постоянное напряжение, то по нему будет протекать ток утечки. Постоянная составляющая этого тока называется сквозным… Этим двум составляющим тока соответствуют два сопротивления: поверхностное… Более удобными в применении являются удельные поверхностное и объемное сопротивления. Удельное объемное сопротивление…Определение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь на низких частотах.
Образец диэлектрика с потерями может быть представлен в виде эквивалентной последовательной или параллельной схемы: Независимо от выбора схемы сдвиг фазы j, ток I, напряжение U и диэлектрические потери P неизменны. Для…Определение электрической прочности.
Под действием напряжения, приложенного к диэлектрику, в нем может произойти сквозной электрический разряд. Образование в диэлектрике проводящего плазменного канала под действием электрического поля называется электрическим пробоем.
Минимальное напряжение, вызывающее электрический пробой, называют пробивным напряжением.
Стойкость материала к действию высокого напряжения характеризуют значением электрической прочности Епр, под которой понимают минимальную… Для однородного поля: Eпр = Uпр / l.Определение стойкости к внешним электрическим воздействиям.
Определение дугостойкости электроизоляционных материалов. Под дугостойкостью понимают способность диэлектрика выдерживать воздействие электрической… Различают стойкость электроизоляционных материалов к действию эл-й дуги при… Определение стойкости к воздействию электрической дуги напряжения переменного тока.Напряжение, при котором возникают начальные ЧР, называется начальным.
При дальнейшем увеличении напряжения в определенный момент интенсивность ЧР резко возрастает из-за изменения структуры диэлектрика (образование дендрита в твердом диэлектрике, пузырьков газа в пропитанной изоляции). Такие ЧР называются критическими и соответственно напряжение - критическим.
Средний ток I чр - сумма абсолютных значений кажущихся зарядов за одну секунду.
Большое распространение получили электрические методы определения ЧР - косвенные и прямые.
Один из косвенных методов определения ЧР - снятие зависимости tgd от приложенного напряжения. Если кривая не растет - нет ЧР, растет до какого-то уровня и не увеличивается - локальные включения, не увеличивающиеся с ростом напряжения, растет - количество включений увеличивается до пробоя.
Прямой метод регистрации ВЧ колебаний в цепи при возникновении ЧР.
Существуют поверхностные ЧР (около острых краев электродов). В литературе часто их называют коронным разрядом.
Определение параметров статической электризации.
Статическая электризация - способность материалов при определенных условиях накапливать заряды статического электричества.
Тепловые испытания.
Теплопроводность - важная теплофизическая характеристика, определяется… Q = - l dT / dx, где Q -количество переданного тепла в единицу времени, dT/dx - температурный градиент, l -…Механические испытания.
Основные механические испытания - это определение прочностных характеристик, т.е. способности выдерживать внешние механические нагрузки без… При статических испытаниях определяют разрушающее напряжение при растяжении,… Следующие типы испытаний:Требования к оформлению контрольной работы
2. Условие задачи должно быть полностью переписано в контрольную работу со схемой, изображение элементов которой должно соответствовать ГОСТам, и… 3. Расчетную часть каждой задачи следует сопровождать краткими и четкими… 4. Основные положения решения объясняют и иллюстрируют электрическими и структурными схемами, векторными и временными…Правила техники безопасности
При проведении лабораторных работ
1. Перед выполнением лабораторных работ студенты проходят обязательный инструктаж по технике безопасности при проведении работ в электротехнической… 2. Лица, нарушающие правила техники безопасности, от выполнения лабораторной… 3. Студент в лаборатории должен быть предельно дисциплинированным и беспрекословно выполнять все указания…Часть 1. Экспериментальное определение ВАХ катушки индуктивности с замкнутым магнитопроводом
Рис. 11.2.Часть 2. Расчетное определение параметров кривой намагничивания ферромагнитного материала сердечника катушки индуктивности с учетом параметров магнитопровода
2.1 Для заданных параметрах магнитопровода (табл. 2) рассчитать индукцию и напряженность магнитного поля для каждого значения входного напряжения и тока (см. табл. 1). Полученные значения занести в таблицу 1.
Таблица 2
| Вариант (задается преподавателем) | Параметры магнитопровода катушки индуктивности | ||
| количество витков – w | длина средней линии магнитопровода – l, см | площадь сечения магнитопровода – S, см2 | |
| 6,5 | |||
| 5,5 | |||
| 4,5 | |||
| 3,5 | |||
| 2,5 | |||
Расчетные формулы к п. 2.1:
откуда
или 
;
По закону полного тока 
откуда
.
2.2 Построить рассчитанную зависимость индукции от напряженности магнитного поля.
2.3 Для заданных параметрах магнитопровода (табл. 2) рассчитать магнитную проницаемость для каждого значения индукции и напряженности (см. табл. 1). Полученные значения занести в таблицу 1.
Расчетные формулы к п. 2.3:
откуда 
, где 
Гн/м – магнитная постоянная.
2.4 Построить рассчитанную зависимость магнитную проницаемость от напряженности магнитного поля.
2.5Сравнить рассчитанные зависимости пп. 2.2 и 2.4 с теоретическими зависимостями.
Контрольные вопросы:
1. Дайте определение магнитного материала.
2. Приведите классификацию магнитных материалов.
3. Назовите основные параметры магнитных материалов и кратко поясните их смысл.
4. Опишите материал электротехническая сталь и определите его место по приведенной классификации.
5. Опишите материал мартенситная сталь и определите его место по приведенной классификации.
6. Приведите примерные числовые значения основных магнитных параметров материала электротехническая сталь.
7. Приведите примерные числовые значения основных магнитных параметров материала мартенситная сталь.
8. Назовите области использования ферромагнитных материалов.
Перечень вопросов к экзамену
по дисциплине «Материаловедение» для III курса специальности
Электроснабжение железных дорог (ЭНС)
Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте (АТС)
1. Общие сведения о строении вещества. Виды связей. Классификация веществ по электрическим свойствам на основании зонной теории твердого тела. 2. Основные виды поляризации диэлектриков. Классификация диэлектриков по виду… 3. Виды диэлектрических потерь в электроизоляционных материалах.Методические указания для преподавателей
по изучению дисциплины «Материаловедение»
(Электротехническое материаловедение)
Для специальностей АТС и ЭНС
При изучении проводниковых материалов рассмотреть применение явление сверхпроводимости для создания индуктивных накопителей электрической энергии и… При изучении полупроводниковых материалов рассмотреть применение… При изучении ферромагнитных материалов рассмотреть применение магнито-мягких материалов для магнитопорошковой…– Конец работы –
Используемые теги: дисциплина, входит, Федеральный, компонент, цикла, общепрофессиональных, дисциплин, является, обязательной, изучения0.12
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Дисциплина входит в федеральный компонент цикла общепрофессиональных дисциплин и является обязательной для изучения
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
| Твитнуть |
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Реклама
Информация в виде рефератов, конспектов, лекций, курсовых и дипломных работ имеют своего автора, которому принадлежат права. Поэтому, прежде чем использовать какую либо информацию с этого сайта, убедитесь, что этим Вы не нарушаете чье либо право.
© copyright 1999 - 2024 allRefs.net. Все права защищены. Страница сгенерирована за: 0.198 сек.
Новости и инфо для студентов