Добавлен: 31.01.2019
Просмотров: 4069
Скачиваний: 45
УДК 620.2
К
Рецензент:
П Электротехнические
материалы: метод. указания по
выполнению
лабор. работ / сост. А. В. Коловский
; Сиб. федер. ун-т; ХТИ – филиал СФУ –
Абакан : РИО ХТИ – филиала СФУ, 2012. – __
с.
Приведены
краткие теоретические сведения по
разделу
«Электротехнические
материалы» дисциплины «Электротехническое
и конструкционное материаловедение»,
даны рекомендации к
выполнению
лабораторных работ.
Предназначено для студентов специальности 140211.65 – «Электроснабжение» и бакалавров по направлению подготовки 140211.62 – «Электроэнергетика» очной и заочной форм обучения.
УДК 620.2
© ХТИ – филиал СФУ, 2012
ОГЛАВЛЕНИЕ
|
Введение …………..………………………………………............ |
4 |
|
Диэлектрики ………………………………………………………… |
8 |
|
Лабораторная работа № 1. Измерение
диэлектрической проницаемости и угла
|
|
|
Лабораторная работа № 2. Измерение зависимости угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости от температуры ……………………… |
|
|
Лабораторная работа № 3. Измерение
диэлектрической проницаемости и
угла |
|
|
Лабораторная работа № 4. Изучение прямого и обратного пьезоэффекта ……………………... |
|
|
Лабораторная работа №5. Электрический пробой в диэлектриках …………………………….. |
|
|
Проводники ……………………………………………………......... |
|
|
Лабораторная работа № 6 Определение удельного сопротивления проводника ……………… |
|
|
Лабораторная работа № 7. Изучение температурной зависимости сопротивления проводника |
|
|
Лабораторная работа № 8. Контактные явления и термоэлектродвижущая сила ……………… |
|
|
Полупроводники ………………………………………………... |
|
|
Лабораторная работа № 9.
Изучение
температурной зависимости сопротивления
|
|
|
Лабораторная работа № 10. Фотопроводимость …………………………………………………… |
|
|
Лабораторная работа № 11. Контактные
явления в полупроводниках и барьерный
|
|
|
Магнитные материалы ………………………………………......... |
|
|
Лабораторная работа № 12. Снятие основной кривой намагничивания ферромагнетика ……… |
|
|
Лабораторная работа № 13. Изучение свойств ферромагнетика с помощью петли гистерезиса . |
|
|
Лабораторная работа № 14. Определение точки Кюри …………………………………………… |
|
|
Лабораторная работа № 15. Изучение магнитотвёрдых материалов …………………………...… |
|
|
Заключение………………………………………………………….. |
|
|
Библиографический список………………………………………... |
|
ВВЕДЕНИЕ
Материалы являются одним из главных звеньев в решении многих инженерных задач в производстве электрооборудования, где основная роль принадлежит электротехническим материалам (ЭТМ). Современное электрооборудование представляет собой сложное устройство с большим количеством разнообразных деталей, для изготовления которых требуется широкий ассортимент различных электротехнических материалов с вполне определенными электрическими, механическими и химическими свойствами.
Главной задачей науки материаловедение является:
1) изучение основных физических процессов, протекающих в материалах пои воздействии на них электрического, магнитного или теплового полей и механического напряжения;
2) изучение зависимости электрических, механических и других свойств материалов от их химического состава и строения;
3) описание свойств и знакомство с материалами, наиболее часто применяемыми в производстве электрооборудования.
Электротехнические материалы разделяются на четыре основных класса: диэлектрические, полупроводниковые, проводниковые и магнитные. По своему поведению в электрическом поле ЭТМ подразделяют на три класса: диэлектрические, полупроводниковые и проводниковые. В магнитном же поле – на два класса: магнитные (сильномагнитные) и немагнитные (слабомагнитные).
Диэлектрические материалы обладают способностью поляризоваться под действием приложенного электрического поля и подразделяются на два подкласса: диэлектрики пассивные и активные.
Пассивные диэлектрики (или просто диэлектрики) используют: 1) для создания электрической изоляции токопроводящих частей; 2) служат для создания определенной электрической емкости в электрических конденсаторах.
Активные диэлектрики в отличие от обычных применяют для изготовления активных элементов (деталей) электрических схем. Детали, изготовленные из них, служат для генерации, усиления, модуляции, преобразования электрического сигнала. К ним относятся: сегнето- и пьезоэлектрики, пироэлектрики, электреты, люминофоры, жидкие кристаллы, электрооптические материалы и др.
Полупроводниковые материалы по величине удельной электропроводности занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками. Характерной их особенностью является существенная зависимость электропроводности от интенсивности внешнего энергетического воздействия: напряженности электрического поля, температуры, освещенности, длины волны падающего света, давления и т. п. Эта их особенность положена в основу работы полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, термисторов, фоторезисторов, тензодатчиков и др.
Проводниковые материалы подразделяются на четыре подкласса: материалы высокой проводимости, сверхпроводники и криопроводники, материалы высокого (заданного) сопротивления, контактные материалы.
Материалы высокой проводимости используют там, где необходимо, чтобы электрический ток проходил с минимальными потерями. К таким материалам относятся металлы: Сu, Al, Fe, Ag, Аu, Pt и сплавы на их основе. Из них изготавливают провода, кабели и другие токопроводящие части электроустановок.
Сверхпроводниками являются материалы, у которых при температурах ниже некоторой критической Tкр сопротивление электрическому току становится равным нулю.
Криопроводники – это материалы высокой проводимости, работающие при криогенных температурах (температуре кипения жидкого азота –195,6 °С).
Проводниковыми материалами высокого (заданного) сопротивления являются металлические сплавы, образующие твердые растворы. Из них изготавливают резисторы, термопары и электронагревательные элементы.
Из контактных материалов изготавливают скользящие и разрывные контакты. В зависимости от предъявляемых требований эти материалы очень разнообразны по своему составу и строению. К ним относятся, с одной стороны, металлы высокой проводимости (Сu, Ag, Аu, Pt и т. п.) и сплавы на их основе, с другой — тугоплавкие металлы (W, Та, Мо и др.) и композиционные материалы. Последние, хотя и имеют относительно высокое удельное электрическое сопротивление, обладают повышенной стойкостью к действию электрической дуги, образующейся при разрыве контактов.
Различие между проводниками, полупроводниками и диэлектриками наиболее наглядно можно показать с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердых тел (рис. В.1).
Диэлектриками будут такие материалы, у которых запрещенная зона настолько велика, что электронной электропроводности в обычных случаях не наблюдается.
Полупроводниками будут вещества с более узкой запрещенной зоной, которая может быть преодолена за счет внешних энергетических воздействий.
Проводниками будут материалы, у которых заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывается ею. Вследствие этого электроны в металле свободны, т. е. могут переходить с уровней заполненной зоны на незанятые уровни свободной зоны под влиянием слабой напряженности приложенного к проводнику электрического поля.
Рис. В.1. Энергетические диаграммы диэлектриков (а), полупроводников (б), проводников (в).
1 – Заполненная электронами зона; 2 – запрещенная зона; 3 – зона свободных энергетических уровней.
К магнитным материалам, используемым в технике, относят ферромагнетики и ферриты. Собственное магнитное поле в сотни и тысячи раз больше, чем вызвавшее его внешнее магнитное поле. Для них характерно наличие магнитного гистерезиза. Магнитные материалы применяют для концентрации магнитного поля в сердечниках катушек индуктивности, дросселях и других конструкциях, в качестве магнитопроводов запоминающих устройств в ЭВМ и т. п. Они способны сильно намагничиваться даже в слабых полях, а некоторые из них сохраняют намагниченность и после снятия внешнего магнитного поля. К наиболее широко используемым в технике магнитным материалам относятся Fe, Co, Ni и их сплавы.
Методические указания являются руководством по выполнению (аудиторные занятия), а также по подготовке, и оформлению (самостоятельные занятия) лабораторных работ по части «Электротехнические материалы» дисциплины «Электротехническое и конструкционное материаловедение» для студентов специальности 140211.65 «Электроснабжение и по направлению бакалавриата 140200.62 «Электроэнергетика».
Целью выполнения лабораторных работ является закрепление теоретических знаний, полученных на лекциях, приобретение навыков постановки эксперимента.
При выполнении лабораторных работ студенты знакомятся с основными свойствами ЭТМ и возникающими физическими процессами при помещении их в электрическое или магнитное поле, а также исследуют зависимость этих свойств от внешнего энергетического воздействия.
Методические указания приведены для пятнадцати лабораторных работ. Последовательность выполнения и количество лабораторных работ определяется преподавателем в зависимости от изложения лекционного материала и индивидуального графика работы каждой бригады.
Методические указания по каждой работе содержат: цели и задачи выполняемой работы, краткие теоретические сведения, описание применяемого оборудования (блоков), схемы для проведения экспериментов, программу работы, содержание отчета по выполняемой работе, контрольные вопросы для подготовки к защите работы.
Задания на выполнение лабораторной работы могут при необходимости корректироваться преподавателем. При этом возможна корректировка объема выполняемых экспериментов или замена части экспериментов индивидуальным заданием.
Техника безопасности при выполнении лабораторных работ
1. При выполнении работ на металлических корпусах приборов при нарушении изоляции может, возникнуть опасное для жизни человека напряжение. В связи с этим запрещается самостоятельно вскрывать переднюю панель стенда и производить электромонтажные соединения в приборах.
2. Подавать питание на стенд следует только после проверки правильности собранной схемы преподавателем.
3. При выполнении эксперимента запрещается производить какие-либо эксперименты на стенде, не имея допуска на выполнение данной работы.
4. Запрещается подавать питание на незаземленный стенд.
5. Запрещается подключать к стенду оборудование, не предусмотренное техническим описанием и методическими указаниями.
6. Запрещается производить какие-либо переключения на стенде при включенном питании (кроме предусмотренных в методических указаниях).
ДИЭЛЕКТРИКИ
Диэлектрические материалы имеют молекулярное или ионное строение. Молекулы, в свою очередь, образованы из атомов, атомы и ионы – из электронов и положительно заряженных ядер. При этом суммарные заряды всех отрицательно и положительно заряженных частиц равны друг другу.