Файл: РМ текст лекций.doc

Предисловие.

Электронный учебник “Материаловедение“ предназначен для студентов специальностей 190900; 100400; 100100; 180100; 180200, 200700, изучающих курс, как по дневной, так и по заочной форме обучения.

Основной целью изучения данной дисциплины является формирование у студентов системных знаний о магнитных, проводниковых, полупроводниковых и диэлектрических материалах, о физических процессах, протекающих в материалах при различных условиях эксплуатации.

После проработки теоретического материала студенты должны научиться:

• определять принадлежность материала к той или иной группе в соответствии с современной классификацией по составу, назначению, свойствам, применению.

• проводить комплексный анализ свойств материалов на основе знания его основных параметров.

• определять характер изменения основных параметров материалов в зависимости от условий их эксплуатации.

• устанавливать взаимосвязь между технологией, структурой, химическим составом и численными значениями их параметров.

• выбирать материал с заданными параметрами для определенных производственных целей

Введение

Материаловедениемназывается наука о структуре и свойствах материалов.

Электротехническимиматериалами называют материалы, которые имеют специальные свойства в отношении электромагнитного поля. Например, проводниковые материалы должны иметь, как можно более высокую способность проводить электрический ток, что на языке показателей свойств материалов означает, что они должны иметь как можно меньшее удельное электрическое сопротивление.

Материалы, которые в электротехнических изделиях выполняют вспомогательные функции, называют конструкционнымиматериалами. Из конструкционных материалов изготавливается, например, защитный кожух, который защищает оборудование от неблагоприятных воздействий или механических напряжений.

Материалы сыграли и продолжают играть в развитии цивилизации очень важную роль. Известный американский ученый Хиппель высказал мнение, что историю цивилизации можно описать как смену используемых человечеством материалов. Целые эпохи истории цивилизации были названы по материалам, которые были в это время определяющими: каменный, медный, бронзовый и железный век.

В настоящее время по мнению американских специалистов, основными материалами в области электроники и радиоэлектроники являются полупроводниковые материалы, а японцы выражаются более точно, утверждая, что в настоящее время «Кремний правит миром». Это объясняется тем, что на основе кремния возможно изготовление не только таких дискретных приборов, как диоды, транзисторы, тиристоры, варикапы, элементы солнечных батарей, но и полупроводниковых интегральных микросхем.

Но несмотря на то, что в настоящее время насчитывается не одна тысяча различных наименований электротехнических материалов, вопрос о получении новых материалов актуален и сегодня. Именно с открытием новых материалов, а также с разработкой новых физических принципов их использования связывают прогресс во многих областях науки и техники и даже рождение новых из них.

Так например, с разработкой технологии полупроводниковых материалов получила развитие в 60-х годах новая область электроники – полупроводниковая электроника; внедрение таких магнитных материалов, как ферриты, позволило создать первые переносные малогабаритные радиоприемники, электронно-вычислительные машины с большим объемом памяти, а развитие теории и технологии сверхпроводниковых материалов может привести к новой технической революции в электротехнике.

Некоторые из известных в настоящее время материалы «замешаны» в детективных историях. К ним относится один из лучших высокочастотных изоляционных материалов - фторопласт-4 (тефлон), именуемый иначе «белым золотом» или «органической платиной» за высокую химическую и термостойкость; олово, породившее в начале века страшную болезнь – «оловянную чуму», от которой не выживало ни одно изделие, выполненное из этого же материала; «экасилиций», который спустя некоторое время оказался «германием» и др.

Интересные истории имеют и названия многих электротехнических материалов. Так например, синтетический каучук эскапон, назван по имени его создателя известного советского ученого С.К. Пономарева; лавсан – гибкий изоляционный материал – получил свое название из первых букв слов, образующих название научного учреждения – Лаборатории высокомолекулярных соединений Академии наук, а фианит – искусственный бриллиант – получен в физическом институте Академии наук.

Но студентам, изучающим курс «Материаловедение» совсем не обязательно знать все эти истории. Главное, что должен уметь студент, прослушавший курс «Материаловедение», это провести классификацию материалов по различным признакам, знать основные параметры, с помощью которых описываются свойства той или иной группы материалов, знать область и характер изменения этих параметров в зависимости от различных факторов с тем, чтобы при решении инженерных задач он смог в случае необходимости квалифицированно и грамотно провести выбор материалов и оценить на этой основе рабочие характеристики проектируемого изделия.

Материаловедение – общетехническая дисциплина, изучение которой основывается на знаниях, полученными студентами из курса физики, особенно физики твердого тела, химии, теоретических основ электротехники.

Руководство по изучению дисциплины

В соответствии с учебным планом Минвуза РФ дисциплина «Материаловедение» изучается студентами специальности 190900 на 2 курсе дневного отделения и 3 курсе заочного отделения, согласно таблице 1

«Маршрутная карта» студентов, изучающих дисциплину «Материаловедение» приведена на рис. 1.

Электронный учебник (ЭУ) «Материаловедение» в частности электротехнические материалы, предназначен для систематизации и закрепления теоретических знаний, полученных студентами в процессе их подготовки по данной дисциплине, а студентам, начинающим изучать этот курс, поможет в усвоении наиболее важных его вопросов.

Электронный учебник «Материаловедение» включает в себя следующие разделы (модули): «Проводниковые материалы», «Полупроводники», «Диэлектрики» и «Магнитные материалы».

Порядок изучения разделов курса может быть любым и зависит как от промежуточных результатов, так и от желания самого обучаемого.

Рис. 1. «Маршрутная карта» студентов, изучающих дисциплину

«Материаловедение»

Каждый из разделов состоит из информационной и контролирующей части. Контролирующая часть включает в себя серии задач и контрольных вопросов. В случае необходимости пользователю может быть представлена информация, содержащая рекомендации по решению задач, ответы к ним, а также список литературы (с указанием страниц), которую необходимо проработать для успешного выполнения работы и выработки у студента системного знания об электротехнических материалах.

Проводники

1.1. Природа проводимости и основные характеристики проводниковых материалов

Из проводниковых материалов - твердых тел, жидкостей и газов в электротехнике наиболее часто применяют металлы и сплавы. Согласно классической теории (Друде, Лоренц) металлы можно рассматривать как кристаллический остов, состоящий из положительных ионов, погруженный в среду из свободных коллективизированных электронов, называемую “электронным газом” или “электронной жидкостью”. Наличие свободных делокализованных электронов обусловливает высокую пластичность, характерный блеск металлов, высокую электро- и теплопроводность.

Если к проводнику приложить внешнее напряжение, то свободные электроны, совершающие тепловые колебания со средней скоростью порядка 10 м/с, приобретут некоторую добавочную скорость направленного движения (несколько мм в секунду), что вызывает протекание электрического тока. Плотность тока j связана с напряженностью электрического поля Е формулой