ВВЕДЕНИЕ. Материалы являются одним из главных звеньев в решении многих инженерных задач в производст­ве электрооборудования

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 T _кр 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.

Дата добавления: 2015-04-25