Материаловедение

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Электро - и радиоматериалы широко применяются в различных уст­ройствах и аппаратах. Тенденция в современной электротехнике - это уве­личение напряжений и мощностей, уменьшение габаритов и веса отдель­ных машин и аппаратов и повышение их надежности. Без знания свойств этих материалов невозможно создавать сверхдальние линии электропере­дач, конструировать уникальные электрические машины, аппараты и ра­диокомпоненты.

Особое место в электротехнике занимают электроизоляционные ма­териалы.

Дальнейшая разработка прогрессивных видов электрической изоля­ции, а также ее правильное применение в каждом конкретном случае тре­бует от инженера-электрика отчетливого понимания процессов, протекаю­щих в диэлектрике, работающем в электрическом поле.

Создание новых электротехнических материалов и правильное их ис­пользование оказывает существенное влияние на экономическую сторону вопроса, обеспечивая удешевление устройств, увеличение их надежности в работе и сроков эксплуатации.

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Изучение курса "Электротехнические и конструкционные материалы, радиоматериалы и компоненты" проходит в соответствии с программой курса.

Указанная программа состоит из следующих разделов: Введение. Ч.1. Электроизоляционные материалы, Ч.2. Проводниковые материалы, , Ч.4. Магнитные материалы. Для электротехнических специальностей - Конструкционные материалы.

При изучении курса "Электротехнические и конструкционные мате­риалы" следует тщательно проработать каждый раздел, разобраться в фи­зической сущности изучаемых явлений, не ограничиваясь формальными представлениями о характеристиках материалов и их зависимости от раз­личных факторов. При рассмотрении отдельных конкретных видов мате­риалов надо установить, в какой мере их особенности могут быть объясне­ны ранее изученными общими закономерностями.

Механическое запоминание числовых значений характеристик мате­риалов не рекомендуется, но студент должен отчетливо представлять себе порядок этих величин. Необязательно и запоминание сложных химических формул, в частности формул высокомолекулярных веществ, но студент должен разобраться по виду формулы в важнейших особенностях данного вещества (неполярная или полярная природа, порядок величины диэлек­трической проницаемости и т. п.).

Основным при изучении курса является:

а) рассмотрение теоретических основ, из которых надо исходить при изучении и испытании материалов;

б) установление классификации материалов по их назначению, со­ставу и свойствам;

в) изучение основных характеристик, определяющих оценку пригод­ности материалов в электротехнике;

г) изложение основных особенностей технологии электротехниче­ских материалов;

д) конкретные случаи применения материалов.

В процессе изучения курса студенту необходимо выполнить одну контрольную работу в индивидуальном варианте, в основном по материа­лам учебников [ 1,2 ]

Ответы на вопросы контрольных заданий должны быть краткими, ясными и исчерпывающими. При решении задач контрольных работ необ­ходимо пользоваться международной системой единиц (СИ). Для всех ве­личин обязательно надо указать единицы измерения, а на графиках - мас­штабы по осям координат.

Вопросы, не вошедшие в задание на контрольную работу, рекомен­дуется использовать для самопроверки.

Обязательно также выполнение лабораторных работ. Их целью явля­ется более глубокое усвоение теоретических закономерностей, в частности зависимостей характеристик материалов от условий опыта, а также озна­комление с образцами некоторых материалов, свойства и применение ко­торых изучаются в курсе.

Лабораторные работы следует рассматривать как заключительный этап изучения дисциплины. Поэтому, прежде чем приступить к их выпол­нению, студент, во-первых, обязан полностью проработать теоретическую часть курса и получить зачет по контрольной работе, без чего проделанная работа будет малоэффективной, во-вторых, пройти собеседование с препо­давателем для проверки подготовленности конкретно к каждой работе. По­скольку большинство лабораторных работ проводится при напряжениях, опасных для жизни, особое внимание уделяется вопросам техники безо­пасности. Приступать к работе в лаборатории студент может лишь после того, как прослушает инструктаж преподавателя, детально ознакомится с правилами техники безопасности в специальном журнале.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ОТДЕЛЬНЫМ РАЗДЕЛАМ КУРСА

Тема 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА

Содержание

Предмет и содержание курса. Общие сведения о строении вещества. Виды связи. Кристаллическое и аморфное строение вещества. Классифи­кация веществ по электрическим свойствам. Классификация веществ по магнитным свойствам.

Методические указания

Материал данной темы содержится в [1,2]. При изучении темы ре­комендуется повторить аналогичные разделы в учебнике по курсу физики.

Тема 2. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Содержание

Электрические явления в диэлектриках. Электрические заряды в ди­электрике и их взаимодействие с электрическим полем, диэлектрическая проницаемость. Основные виды поляризации диэлектриков. Классифика­ция диэлектриков по виду поляризации. Диэлектрическая проницаемость газов. Диэлектрическая проницаемость жидких диэлектриков. Диэлектри­ческая проницаемость твердых диэлектриков.

Методические указания

При изучении электроизоляционных материалов особое внимание сле­дует уделить разделу курса, в котором изложено описание явлений, происхо­дящих в диэлектриках во время их работы в электрических полях [1,2].

В гл.1 рассматривается явление поляризации диэлектриков, то есть ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных мо­лекул - процессы, обеспечивающие способность диэлектрика к накоплению электрических зарядов и созданию тем самым электрической емкости.

В разделах этой главы рассматриваются поляризация диэлектриков и понятие о диэлектрической проницаемости, основные виды поляризации, классификация диэлектриков по виду поляризации, диэлектрическая про­ницаемость газов, жидких и твердых диэлектриков. Особое внимание должно быть обращено на характер изменения величин диэлектрической проницаемости, зависящий от различных внешних факторов (температура, влажность, длительность и частота приложенного напряжения).

Очень важно уяснить себе значение температурного коэффициента диэлектрической проницаемости и метода его определения.

Надо иметь представление о диэлектрической проницаемости смесей и путях ее определения при помощи логарифмического закона смещения.

Тема 3. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Содержание

Электропроводность диэлектриков. Основные виды электропровод­ности диэлектриков. Электропроводность газов, жидких и твердых диэлек­триков. Поверхностная электропроводность твердых диэлектриков и ее зави­симость от природы Материала, состояния поверхности и влажности.

Методические указания

Материал данной темы изложен в [1, 2].

Здесь следует обратить внимание на то, что электропроводность твердых диэлектриков может быть объемной и поверхностной, а потому, рассматривая вопрос влияния на электропроводность твердого диэлектрика различных внешних факторов, следует учитывать характер электропровод­ности.

При изучении электропроводности диэлектриков следует обратить внимание на особенность электропроводности в зависимости от агрегатно­го состояния вещества, от температуры и приложенного напряжения.

Тема 4. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

Содержание

Основные понятия. Полные и удельные потери. Схемы замещения диэлектриков с потерями. Природа диэлектрических потерь. Виды диэлек­трических потерь. Диэлектрические потери в газах. Кривая ионизации Д-электрические потери в жидких и твердых диэлектриках. Зависимость тан­генса диэлектрических потерь от частоты и температуры для неполярных и полярных диэлектриков.

Методические указания

Материал данной темы изложен в [1, 2].

Здесь следует разобрать векторную диаграмму и формулы для опре­деления общих и удельных диэлектрических потерь, а также виды диэлек­трических потерь в газах, жидкостях и твердых телах.

Особое внимание надо обратить на вопрос о диэлектрических потерях в неполярных и полярных диэлектриках и на зависимость тангенса угла диэлек­трических потерь от температуры и частоты. Эти закономерности иллюст­рируются графиками, которые следует тщательно проанализировать.

Тема 5. ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Содержание

Пробой диэлектриков. Пробивное напряжение и пробивная напря­женность. Пробой газов в однородном и неоднородном электрическом по­ле. Пробой на постоянном токе и переменном токе низкой и высокой час­тоты. Пробой при импульсах. Зависимость пробивного напряжения от давления и величины промежутка между электродами. Пробой жидких ди­электриков. Влияние примесей на характер зависимости электрической прочности от температуры. Пробой твердых диэлектриков. Теории теплового и электрического пробоев твердых диэлектриков.

Методические указания

Материал данной темы изложен в [1,2].

При изучении явления пробоя в газах следует изучить явление про­боя газа в однородном и неоднородном электрических полях. На величину электрической прочности газа оказывает значительное влияние давление в газе, частота приложенного напряжения и форма электродов.

В [1, 2] изложено описание процессов пробоя жидких диэлектриков, приведены теории, объясняющие явление Пробоя, и графики зависимости электрической прочности трансформаторного масла от температуры и со­держания в нем влаги.

В [1] рассмотрены виды пробоя твердых диэлектриков: электрический пробой однородных и неоднородных диэлектриков, электрохимический и те­пловой пробой. Пробой этих явлений сопровождается соответствующими графиками, с которыми в целях лучшего усвоения нужно ознакомиться.

Особое внимание следует уделить изучению теплового пробоя и ра­зобраться в аналитическом выражении для пробивного напряжения при тепловом пробое, предложенном и .

Тема 6. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ

Содержание

Влажностные свойства диэлектриков. Влажность материалов. Влагопроницаемость. Механические свойства диэлектриков. Тепловые свойства диэлектриков: нагревостойкость, холодостойкость, теплопроводность, теп­ловое расширение. Химические свойства диэлектриков. Воздействия излу­чений высокой энергии.

Методические указания

Материал данной темы изложен в [1].

Физико-химические и механические свойства диэлектриков имеют большое значение при выборе этих материалов для использования в маши­нах, аппаратах и прочих устройствах.

Для оценки гигроскопичности следует иметь понятие об абсолютной и относительной влажности воздуха, способности материала смачиваться, впитывать влагу и влагопроницаемости.

Необходимо считаться и с механической прочностью на разрыв, сжа­тие и изгиб, с хрупкостью, твердостью и вязкостью материалов.

Важное значение имеет нагревостойкость диэлектриков. Введены классы нагревостойкости для твердых диэлектриков. Жидкие диэлектрики оцениваются температурой вспышки их паров, температурой воспламене­ния самой жидкости, тепловым старением, морозостойкостью, теплопро­водностью.

Электроизоляционные материалы должны обладать определенной химической и радиационной стойкостью, в особенности к корпускулярным и волновым излучениям, что должно образовывать двойные связи в боль­шей степени, чем обнаруживать разрыв цепей. Для усвоения этих положе­ний следует ознакомиться с графиками 5.9...5.11, приведенными на с. 86...87, разд. 5.4 [1].

Тема 7. ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Содержание

Классификация диэлектриков. Газообразные диэлектрики. Нефтяные электроизоляционные масла: трансформаторное, конденсаторное, кабель­ное масло. Синтетические жидкие диэлектрики: хлорированные углеводо­роды, кремнийорганические жидкости, фотоорганические жидкости.

Общие сведения об органических полимерах. Смолы. Синтетические смолы: полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, политетрафторэтилен, полиамиды, полиуретаны, полиамиды, фенолформальдегидные смолы, по­лиэфирные, эпоксидные и кремнийорганические смолы. Природные смо­лы: шеллак, канифоль, копалы.

Растительные масла. Битумы. Воскообразные диэлектрики. Электро­изоляционные лаки, компаунды. Гибкие пленки. Волокнистые материалы: дерево, бумаги и картоны, фибра, природные волокна, искусственные во­локна, синтетические волокна, лакоткани.

Пластические массы. Свойства изделий из термореактивных пласт­масс. Свойства термопластиков. Слоистые пластики: гетинакс, текстолит.

Эластомеры. Натуральный каучук. Синтетический каучук.

Стекла. Плотность, механические свойства, тепловые свойства, опти­ческие свойства, гидролитическая стойкость, электрические свойства сте­кол. Типы стекол. Стеклоэмали. Стекловолокно. Ситаллы.

Керамические диэлектрические материалы. Фарфор, способ произ­водства и изделия из фарфора. Классификация керамических материалов. Керамика с низкой диэлектрической проницаемостью. Керамика с высокой диэлектрической проницаемостью. Сегнетокерамика. Керамика особо вы­сокой нагревостойкости.

Слюда и слюдяные материалы. Миканиты. Слюдиниты и слюдопласты. Микалекс. Синтетическая слюда.

Методические указания

При изучении газовых диэлектриков и их свойств следует обратить особое внимание на газы повышенной электрической прочности и зависи­мости их пробивного напряжения от химического состава и давления.

При изучении жидких диэлектриков следует обратить внимание на свойства трансформаторного масла и синтетических масел - совола, кремнийорганической и фтор органической жидкостей и выявить их преиму­щества и недостатки в сравнении с трансформаторным маслом.

Особенно тщательно рекомендуется изучить раздел, в котором из­ложены общие сведения о высокомолекулярных органических веществах. Должны быть четко усвоены понятия о процессах полимеризации и поли­конденсации в получении полимеров линейного и пространственного строения, термопластичных и термореактивиых полимерах.

В [1] также кратко изложены сведения об органических полимерах, о реакциях полимеризации и поликонденсации. Следует уяснить, какими свойствами обладают вещества, полученные по этим реакциям вследствие линейного или пространственного строения молекул, что в основном и оп­ределяет их дальнейшее применение.

Следует обратить внимание на синтетические смолы, разделив их на два класса - термопластичные (полиэтилен, Полистирол, поливинилхлорид и др.) и термореактивные (фенолоформальдегидные, глифталевые и др.) и детально ознакомиться с их свойствами.

Необходимо также изучить фотоорганические, полиамидные и кремнийорганические смолы в качестве представителей наиболее нагревостойких смол органического происхождения.

При ознакомлении с фенолоформальдегидными, полиэфирными, эпоксидными смолами следует обратить внимание на тот факт, что при некоторых обстоятельствах они могут обладать как термопластичными (новолак), так и термореактивными (бакелит) свойствами. Полезно ознако­миться е некоторыми свойствами типичных синтетических смол.

Следует обратить внимание на масла растительного происхождения, как имеющие достаточно широкое применение в электроизоляционной технике. Важно знать также лаки и компаунды.

С развитием производства синтетических смол появилась возмож­ность изготовления гибких пленок, обладающих малой толщиной, высокой электрической и механической прочностью.

При изучении пластмасс необходимо обратить внимание на техноло­гию их изготовления, а также на производство слоистых пластиков - гетинакса и текстолита - и на электроизоляционные свойства и применение.

В [1] приведены данные об эластомерах (каучуках). Особое внима­ние надо обратить на синтетические каучуки, их свойства и применения.

Необходимо иметь представление об электрических свойствах электротехнических стекол, стекловолокнах, ситаллах, стеклоэмалях.

При изучении керамических материалов обратите внимание на раз­личные керамические диэлектрики.

Следует ознакомиться с изделиями на основе слюды (микалекс, слю­динит, миканиты).

Тема 8. ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Содержание

Классификация и основные свойства проводниковых материалов. Материалы высокой проводимости: медь, алюминий, железо, натрий. Сверхпроводники и криопроводники.

Сплавы высокого сопротивления для резисторов и нагревательных приборов: манганин, константам, сплавы на основе железа.

Сплавы для термопар, тензометрические сплавы. Контактные мате­риалы. Припои. Флюсы. Неметаллические проводники: электроугольные изделия, проводниковые материалы особо высокой нагревостойкости.

Методические указания

Материал данной темы изложен в [1].

Важно усвоить следующие понятия: удельное сопротивление и его температурный коэффициент, сверхпроводимость, сопротивление сплавов и термоЭДС. Рекомендуется также ознакомиться со свойствами металлов.

При изучении металлов, обладающих высокой электропроводностью, следует обратить внимание на медные и алюминиевые электротехнические сплавы.

Материал о различных металлах, припоях, флюсах и сплавах изло­жен в [1].

Тема 9 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Содержание

Общая характеристика полупроводниковых материалов. Общие сведения и классификация. Электропроводность полупроводников: соб­ственные полупроводники, примесные полупроводники.

Воздействие внешних факторов на электропроводность полупровод­ников. Элементы со свойствами полупроводников (германий, кремний). Полупроводниковые химические соединения и материалы на их основе (соединения ).Использование полупроводниковых мате­риалов для диодов, триодов, вариоторов и других элементов. Преимущест­ва полупроводниковых приборов.

Методические указания

Необходимо тщательно изучить общие представления физики полу­проводников. Понимание механизма электропроводности полупроводников важно для практического применения этих материалов в электротехнике. Учитывая широкое применения этих материалов в технике, необходимо разобраться во влиянии внешних факторов на электропроводность полу­проводников, Которые рассматриваются в [1].

Особое внимание следует обратить на свойства германия, кремния и селена, их применение в технике, например для изготовления диодов, триодов, фотоэлементов, датчиков Холла и т. п.

Сведения о полупроводниковых химических соединениях изложены в [1]. Учитывая, что эти соединения иногда обладают свойствами, превос­ходящими Свойства простых полупроводников, при изучении этого раздела особое внимание следует обратить на карбид кремния как материал, при­меняемый при изготовлении резисторов и вариаторов, а также используе­мый для тиритовых и силитовых разрядников, стабилизации напряжения, умножения частоты, расшифровки импульсов по амплитудам и т. п.

Большой практический интерес представляют силитовые стержни, применяемые как нагревательные элементы в высоконагревных печах.

Тема 10. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Содержание

Общая характеристика магнитных материалов. Назначение и класси­фикация магнитных материалов. Основные характеристики в статических полях. Статическая и реверсивная магнитные проницаемости. Магнитные потери.

Магнитно-мягкие материалы. Характеристика петли гистерезиса. Низкочастотные магнитно-мягкие материалы с высокой индукцией насы­щения: техническое, электролитическое и карбонильное железо, электро­техническая сталь, пермаллой, альсиферы.

Магнитные материалы специализированного назначения. Основные характеристики специальных ферромагнетиков. Основные свойства и при­менение ферритов. Основные свойства и применение ферритов с ППГ. Ос­новные особенности и применение магнитодиэлектриков.

Магнитно-твердые материалы. Характеристика петли гистерезиса. Легированные стали, закаливаемые на мартенсит. Литые магнитно-твердые сплавы. Магниты из порошков. Магнитно-твердые ферриты. Пластически деформируемые сплавы и магнитные ленты.

Методические указания

Общие сведения о магнитных материалах изложены в [1].

Следует обратить большое внимание на электротехническую сталь, пермаллой, ферриты, магнитодиэлектрики и материалы специализирован­ного назначения.

В [1] приведен материал о магнитотвердых материалах.

Особое внимание надо уделить сплавам "альни", "альниси", "альнико" и "магнико" (старые названия) и ознакомиться с их новой мар­кировкой и свойствами. Сведения о магнитах из порошков магнитотвердых ферритах даны в [1].

Тема 11. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Содержание

Основные конструкционные материалы и их классификация. Физико - механические и химические свойства и характеристики материалов.

Зависимость свойств сталей от химического состава и содержание примесей. Маркировка сталей.

Основные свойства цветных металлов и сплавов. Области их приме­нения и маркировка основных сплавов.

Неметаллические материалы, используемые в машино - и приборо­строении. Классификация материалов. Область применения неметалличе­ских материалов.

Методические указания

Изучение раздела следует начинать с рассмотрения кристаллического строения металлов, обратив внимание на основные типы кристаллических решеток, их параметров.

Рассматривая кристаллизацию сплавов, необходимо уяснить, что процесс кристаллизации начинается с образования центров кристаллизации и последующего роста кристаллитов. При этом возможны различные иска­жения кристаллических решеток, которые влияют на свойства сплава.

Все металлы и сплавы характеризуются определенными физически­ми, химическими, механическими, технологическими и эксплуатационны­ми свойствами. Изучите методы определения прочности, пластичности, твердости и ударной вязкости. Особое внимание обратите на технологиче­ские свойства конструкционных материалов - обрабатываемость, свари­ваемость, ковкость, литейные свойства, так как они определяют технологи­ческие методы получения заготовок Деталей машин и их обработки.

Необходимо также изучить влияние примесей на свойства железоуг­леродистых сплавов. Следует рассмотреть классификацию сталей по хими­ческому составу и усвоить их маркировку.

Ознакомьтесь с основными свойствами цветных металлов и сплавов, областью их применения и маркировкой. Материал данной темы изложен в [3].

ЗАДАНИЯ К КОНТРОЛЬНЫМ РАБОТАМ И ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

Электроизоляционные материалы

1.  В чем заключается различие полярных (диполярных) и неполяр­ных веществ? Приведите примеры тех и других.

Что называется дипольным моментом молекулы и в каких единицах он измеряется?

2.  Что называется поляризацией диэлектрика? Как количественно оценивается поляризация диэлектрика? Что называется диэлектрической проницаемостью, диэлектрической восприимчивостью, поляризуемостью частицы?

3.  Укажите основные виды поляризации диэлектриков. Как классифицируются диэлектрики по виду поляризации?

4.  Какова зависимость диэлектрической проницаемости жидких ди­электриков от частоты для неполярной и полярной жидкостей?

5.  Какова зависимость диэлектрической проницаемости различных типов твердых диэлектриков от температуры и частоты?

6.  Изложите особенности поляризации сегнетоэлектриков по сравне­нию с поляризацией обычных (линейных) диэлектриков.

7.  Как определяется диэлектрическая проницаемость для смеси не­скольких диэлектриков?

8.  Укажите причины возникновения абсорбционного тока. Какова его зависимость от частоты?

9.  Определите методом графического дифференцирования значения температурного коэффициента (ТКЕ) диэлектрической проницаемости по­листирола при температурах -60 ° и +60 °С, воспользовавшись приведен­ным на рис. 3 графиком зависимости диэлектрической проницаемости по­листирола от температуры.

10.  Постройте график зависимости ТК диэлектрической проницаемо­сти поливинилхлорида от температуры, воспользовавшись приведенным на рис. 4 графиком зависимости диэлектрической проницаемости от темпера­туры.

Рис.3. Зависимость ди­электрической прони­цаемости полистирола от температуры

-

Рис.4. Зависимость ди­электрической прони­цаемости поливинилхлорида от температуры

+20 +40 +60 +80 +100

-

11.  Для получения пенопласта был использован полиуретан плотностью 1200 кг/м3, имеющий диэлектрическую проницаемость, равную 4. Определите Е пенопласта, если полиуретан составляет 40 % его массы.

12.  Постройте график зависимости температурного коэффициента диэлектрической проницаемости (ТКЕ) канифоли от температуры, воспользовавшись приведенным на рис. 5 графиком зависимости ди­электрической проницаемости канифоли от температуры.

Рис. 5. Зависимость диэлек­трической проницаемости ка­нифоли от температуры

 

0 t,°C

e

13.  Двухслойный диэлектрик работает под переменным напряжением 1 кВ. Слои имеют толщину 2 и 4 мм и соответственно состоят из полисти­рола и поливинилхлорида. Определите напряжение на обоих слоях и зна­чения напряженности поля в них для двух случаев, когда температура рав­на:и +50°С;и +20°С;и +40°С; 4) 0 и +60 °С. Значение диэлектрической проницаемости полистирола и поливинилхлорида при заданных температурах возьмите из рис. 3 и рис. 4.

14.  Двухслойный диэлектрик включен под переменное напряжение. Напряжение на первом слое составляет 6, на втором 12 кВ. Толщина слоев соответственно равна 1 и 4 мм. Определите диэлектрическую проницае­мость первого слоя, если диэлектрическая проницаемость второго слоя равна: 1) 5; 2) 4; 3) 6; 4) 7; 5) 8.

При решении воспользуйтесь указанными выше формулами (4) и (6).

15.  Чем объясняется спадение тока в твердом диэлектрике при вклю­чении его под напряжение? С чем связаны быстрые и медленные процессы этого спадения в однородном диэлектрике?

16.  Объясните зависимость удельной проводимости твердых диэлек­триков от напряжения.

17.  На две противоположные грани кубика из микалекса с ребром 20 мм нанесены слои металла, служащие электродами, через которые кубик включается в электрическую цепь. Определите величину установившегося тока через кубик при постоянном напряжении 2 кВ, если удельное объем­ное сопротивление микалекса Ом*м, а удельное поверхностное сопро­тивление 5*1010Ом.

18.  Определите удельное объемное сопротивление диэлектрика плос­кого конденсатора, если известно, что ток через конденсатор при постоян­ном напряжении 10 кВ равен 5*. Толщина диэлектрика h мм, пло­щадь обкладок с каждой стороны 25 (поверхностной утечкой пренебрегайте); h равно : 1) 0,2 мм; 2) 0,3 мм; 3) 0,4.

19.  Полый цилиндр из диэлектрика с наружным диаметром 50 мм, внутренним диаметром 35 мм и высотой 125 мм зажат между металли­ческими электродами, к которым приложено напряжение 1500 В посто­янного тока.

Определите ток, протекающий через цилиндр, и потери мощности в нем, если диэлектриком является: 1) полиэтилен; 2) полистиролу 3) поливинилхлорид; 4) эпоксидная смола; 5) фенолформальдегидная смола.

Значение удельного объемного сопротивления возьмите из [1], табл. 6.3, с. 123. Величину удельного поверхностного сопротивления при­мите в 10 раз меньше табличного значения .

20.  Как изменяются tgd неполярной и полярной жидкостей при из­менениях температуры и частоты?

21.  Дайте объяснение наличию двух максимумов в графике зависи­мости tgd от температуры для изоляционной бумаги, пропитанной масляно-канифольным компаундом.

Рис.6. Зависимость от температуры tgd бу­маги, пропитанной масляно-канифольным компаундом

22.  Когда в изоляционном материале потери будут больше: при по­стоянном или переменном токе и почему?

23.  Диэлектрик плоского конденсатора имеет следующие характери­стик: Ом*м; tgd=0,001; ε=5. Размер обкладок конденсатора 5*5 , толщина диэлектрика - 22 мм. Определите величину тока утечки и рассеиваемую в диэлектрике конденсатора мощность при постоянном на­пряжении 5 кВ.

24.  Между плоскими электродами помещен двухслойной диэлек­трик, один из слоев имеет относительную диэлектрическую проницаемость e проводимость и толщину , а другой соответственно: . Этот диэлектрик подключен на постоянное по времени напряжение с величиной V= 1 кВ. Требуется определить величину напряженностей в обоих слоях при времени t = 0 и t = ¥ и построить график распределения потенциала между электродами. При решении задачи учесть, что один электрод зазем­лен, а другой изолирован. При решении пользуйтесь табл. 2.

25.  Определите ток утечки и рассеиваемую в диэлектрике конденсатора мощность при постоянном напряжении 1 кВ, а также рассеиваемую в диэлектрике конденсатора мощность при переменном напряжении 1 кВ и частоте 1 кГц, если толщина диэлектрика - 2 мм, а размер обкладок кон­денсатора 2*3 см. Значение и tgd возьмите из [1] и [3]. Поверхностной утечкой пренебрегите.

Варианты: 1) диэлектрик - слюда (мусковит);

2) диэлектрик – слюда (флогопит);

3) диэлектрик - рутил (окись титана).

26.  На две противоположные грани кубика из полистирола с ребром 20 мм нанесены слои металла, служащие электродами. Определите вели­чину установившегося тока через кубик при постоянном напряжении 2 кВ, если удельное объемное сопротивление полистирола Ом*м, а удельное поверхностное сопротивление 4* Ом,

27.  Диэлектрик конденсатора образован двумя слоями стекла толщи­ной по 5 мм с e = 5, между которыми имеется воздушный зазор 1 мм. К электродам конденсатора приложено напряжение с частотой 50 Гц, посте­пенно повышающееся. При каком значении напряжения произойдет разряд в воздушном зазоре? Как изменится величина этого напряжения, если воз­дух в зазоре будет заменен элегазом?

Значение электрической прочности воздуха и элегаза в [1].

28.  Между плоскими электродами помещен двухслойный диэлек­трик, один из слоев имеет диэлектрическую проницаемость и толщину , а другой и . Определите величину напряженности поля на каждом слое при переменном напряжении 10 кВ. Постройте график распределения потенциала в конденсаторе. При решении пользуйтесь табл. 2.

Таблица 2

Варианты задачи	1	2	3	4	5	6	7	8
, см	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0
, см	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5
	1,0	2,0	3,0	4,0	5,0	6,0	7,0	8,0
	4,0	5,0	6,0	7,0	8,0	9,0	10,0	2,0
	0,5*	1,0*	1,5*	2,5*	3,0*	3,5*	3,5*	3,5*
	0,5*	1,0*	1,5*	2,5*	3,0*	3,5*	3,5*	3,5*

29.  Между плоскими электродами помещен двухслойный диэлектрик, один из слоев имеет проводимость и толщину , а другой - и . Определить величину напряженности поля на каждом слое при постоянном напряжении 10 кВ спустя час после подачи напряжения. Постройте график распределения потенциала в конденсаторе. В табл. 2 указаны толщина и проводимость и соответственно Вашему варианту.

30.  Медный провод сечением 10 имеет поливинилхлоридную изоляцию толщиной 1 мм, снабженную в целях экранировки медной оплеткой.

Определите потери мощности в изоляции на 10 м провода при температурах +50 °С и -20 °С и частотах 50 и 400 Гц, если напряжение между жилой и заземленной оплеткой равно 220 В. Диэлектрическую проницаемость поливинилхлорида возьмите на рис. 4. Величину tgd поливинилхлорида при - 20 °С примите равной 0,05, а при t = +50 °С равной 0,1.

31.  Какова зависимость электрической прочности газов от расстояния между электродами и от формы последних?

32.  Как влияют на величину пробивного напряжения длительность приложения напряжения, температура и форма электрического поля при электрическом и электротепловом характере пробоя?

33.  Имеются два плоских конденсатора (рис. 7):

а) воздушный с расстоянием между электродами 4 мм;

б) двухслойный, в котором изоляция состоит из слоя воздуха толщиной 3 мм и пластины толщиной 1 мм из твердого диэлектрика с диэлектрической проницаемостью 5 и электрической прочностью 75 мВ/м.
Построите график распределения напряженности электрического поля в конденсаторе без твердого диэлектрика и с ним при напряжении на обкладках 6 кВ (эффективное значение).

34.  Диэлектрик плоского конденсатора имеет слоистую структуру, образованную последовательно соединенными пленками полистирола и поливинилхлорида. Определите e смеси, если e полистирола 2.5, а e поливинилхлорида равна 5. Объемное содержание поливинилхлорида относятся к объемному содержанию полистирола как 4:1.

35.  Диэлектрик конденсатора представляет собой тесную смесь двух керамических материалов: Т-80 и ультрафарфора. Каково должно быть соотношение составных частей, чтобы температурный коэффициент диэлектрической проницаемости смеси был равен нулю? Чему равна диэлектрическая проницаемость такой смеси? Примите для материала Т-80 e=80 и ТК = -7 * , для ультрафарфора e = 8 и ТКe = + 1 *.

Примечание. При решении этой задачи нужно пользоваться [1].

36.  Постройте график зависимости диэлектрической проницаемости пористого политетрафторэтилена от его объемного веса, имея в виду, что для сплошного, не имеющего пор политетрафторатилена диэлектрическая проницаемость равна 2,0, а плотность - 2,3 г/.

37.  Какие электроизоляционные материалы отличаются высокой гигроскопичностью? Какими способами можно уменьшить гигроскопич­ность?

38.  Опишите классы нагревостойкости электрической изоляции (по ныне действующему стандарту).

39.  Какое практическое значение имеет теплопроводность электро­изоляционных материалов? В каких единицах измеряется удельная теплопроводность?

40.  Чем отличаются органические диэлектрики от неорганических? Назовите 2-3 органических и неорганических диэлектрика и укажите их основные характеристики, в частности, допустимую рабочую температуру.

41.  Укажите известные Вам газы, обладающие повышенной по сравнению с воздухом электрической прочностью, и их основные особенности.

42.  Что представляет собой трансформаторное масло? Укажите его основные особенности как электроизоляционного материала и как охлаждающей среды.

43.  Опишите свойства совола в сравнении со свойствами транс­форматорного масла. Какова связь электроизоляционных свойств совола с его химическим составом?

44.  Чем объясняется технико-экономическая целесообразность максимального расширения производства и использования синтетических электроизоляционных полимеров?

45.  Укажите различие процессов полимеризации и поликонденсации.

46.  Опишите свойства гетинакса, его технологию, укажите область применения.

47.  Укажите, какими преимуществами обладает стеклотекстолит в сравнении с обычным текстолитом, и приведите данные, подтверждающие его преимущество.

48.  Что представляет собой текстолит, какие материалы входят в его состав, какими свойствами он обладает и какова его технология?

49.  Какие пропитывающие составы применяются при изготовлении лакотканей?

50.  Чем отличаются друг от друга термопластичные и термореак­тивные смолы? Назовите несколько тех и других смол и кратко опишите их свойства.

51.  Укажите свойства и области применения в электротехнике важнейших полиэфирных смол.

52.  Опишите способности эпоксидных смол и укажите область их применения.

53.  Укажите основные виды кремнийорганичееких электро­изоляционных материалов, их преимущества, недостатки и возможности.

54.  Охарактеризуйте фторорганичёские электроизоляционные мате­риалы (фторопласт 4, фторопласт 3).

55.  Опишите важнейшие природные смолы и возможности использования их в электроизоляционной технике.

56.  Какие масла являются высыхающими? В чем состоит сущность процесса высыхания растительных масел?

57.  В чем заключается отличие лаков от компаундов? Для чего применяются и те и другие в электроизоляционной технике?

58.  Какую лакоткань - черную или светлую - следует использовать при изготовлении изоляции маслонаполненного трансформатора?

59.  Опишите важнейшие виды лакотканей. К каким классам нагревостойкости они относятся?

60.  Опишите важнейшие виды синтетических и искусственных гибких пленок, укажите области Их применения в электроизоляционной технике.

61.  Дайте определение и классификацию электроизоляционных пластических масс. Каковы основные составные части пластмасс? В чем заключаются особенности без наполнителя?

62.  В чем заключается сущность процесса вулканизации каучука? Для чего применяется вулканизация? Что такое эскапон? Каковы его свойства?

63.  Как получается стекловолокно? Опишите его свойства (в сравнении со свойствами других известных вам волокнистых материалов) и укажите области применения.

64.  Какие материалы называются керамическими? Укажите важней­шие типы и области применения керамических электроизоляционных материалов.

65.  Для чего и каким образом производится глазуровка фарфора?

66.  Где применяется слюда и изделия на ее основе? Дайте классификацию слюды по свойствам и назначению.

67.  Укажите особенности и области применения керамических материалов с особой диэлектрической проницаемостью, в том числе сегнетокерамических материалов.

68.  Назовите основные виды миканитов (включая микаленты и мика­фолии), их свойства (обратите внимание на классы нагревостойкости) и области применения в электро-, машино - и аппаратостроении.

69.  Какая изоляция называется оксидной и как она получается на различных металлах и сплавах? Укажите возможности применения оксид­ной изоляции в электро - и радиопромышленности.

70.  Что такое пластические массы? Какие компоненты входят в их состав? Дайте характеристику этих компонентов.

71.  Опишите свойства и область применения неорганических диэлек­трических пленок.

72.  Что такое пресс-порошки? Как получают из них изделия?

73.  Укажите свойства пластмасс, получаемых на основе эпоксидных, полиэфирных и кремнийорганических смол.

74.  Перечислите известные вам эластомеры, их особенности и элек­трофизические свойства. Где они применяются?

Проводниковые материалы

75.  Опишите характер электропроводности проводниковых материалов.

76.  Что называется удельным сопротивлением r и температурным коэффициентом удельного сопротивления ТКr проводниковых материа­лов? В каких единицах они измеряются и какова их величина у различных металлов и сплавов?

77.  Назовите медные и алюминиевые сплавы, их назначение и основ­ные свойства.

78.  Опишите сталеалюминевые провода и проводниковый биме­талл, их свойства и области применения.

79.  Дайте сравнение свойств меди и алюминия. Мотивируйте техни­ко-экономическую необходимость замены меди алюминием.

80.  Назовите марки сплава на основе системы жедезо-никель-хром, укажите их физические и технические свойства.

81.  Перечислите наиболее широко применяемые сплавы высокого сопротивления с указанием r и ТКr. Укажите назначение этих сплавов и допустимые рабочие температуры.

82.  Какие сплавы высокого сопротивления применяются в измери­тельных приборах, реостатах, электронагревательных приборах и почему?

83.  Укажите важнейшие материалы, применяемые для изготовления термопар. Как зависит термоЭДС от разности температур спаев термопары.

84.  Определите потери мощности в голом медном проводе длиной 100 м и сечением 16 при температурах провода -20 и +60 °С, если ве­личина тока в проводе равна 75 А.

85.  Два отрезка медной и алюминиевой проволоки длиной по 1м имеют одинаковое электрическое сопротивление. Какой из отрезков весит меньше и на сколько, если сечение медной проволоки равно 4 ?

86.  Определите размеры (сечение, диаметр) алюминиево-медной про­волоки (алюминий внутри, медь снаружи), предназначенной для замены медной проволоки контрольных кабелей сечением 10 , обладающей той же проводимостью. Примите, что сечение меди составляет 20 % общего сечения алюминиево-медной проволоки. Данные об алюминии и меди возьмите из учебника [1].

87.  Сопротивление провода при температурах 2 и 100 °С равно соот­ветственно 6,1 и 9,0 Ом. Определите среднее значение температурного ко­эффициента сопротивления этого провода и укажите, какому металлу оно соответствует. Чему равно сечение провода, если его длина 1000 м? Изме­нением размеров провода при изменении температуры пренебрегите.

88.  Мощность, потребляемая электронагревательным элементом при напряжении 220 В, равна 500 Вт. Подсчитайте длину, требующуюся для изготовления этого элемента из нихромовой и константановой проволок диаметром 0,2 мм. Нагревательный элемент из константина работает при температуре 400 °С, элемент из нихрома - при температуре 900 °С. Данные о нихроме и константане возьмите из [1] и [3].

89.  Определите температурный коэффициент удельного сопротивле­ния технически чистого железа при температурах 0,400 и 900 °С, восполь­зовавшись приведенным на рис. 8 графиком зависимости удельного сопро­тивления железа от температуры.

Полупроводниковые материалы

90.  Каковы физические процессы, определяющие примерную прово­димость в дырочных и электронных полупроводниках?

91.  На какие свойства полупроводников влияет ширина запре­щенной зоны?

92.  Какова температурная зависимость проводимости полупроводни­ков и чем она обусловлена?

93.  Укажите основные характеристики кремния и его легирующие элементы.

94.  Укажите основные свойства и область применения германия.

95.  Опишите основные свойства и применение закиси меди.

96.  В чем состоят особенности монокристаллов карбида кремния?

97.  Каково применение полупроводниковых соединений ?

98.  Как влияет температура на подвижность носителей заряда в по­лупроводниках?

Рис. 8. График зависимости удельного сопротивления технически чистого железа от температуры

99.  Что такое фотосопротивления и фотоэлементы? Какими свойст­вами они обладают и где применяются?

100.  Как и почему влияют внешние факторы (температура, свет, ра­диоактивные излучения, напряженность электрического поля) на удельное сопротивление полупроводников?

Магнитные материалы

101.  Укажите условия возникновения спонтанной намагниченности и, как следствие, высокой магнитной восприимчивости.

102.  Каковы факторы, воздействующие на процесс намагничивания?

103.  В чем различие между горячекатаной и холоднокатаной сталями в области структуры, свойств и применения?

104.  Укажите особенности высоконикелевого пермалоя.

105.  Какие технологические методы используются для получения ферритов? Для чего нужны первичный и вторичный обжиги?

106.  Какими процессами определяется электропроводность ферритов?

107.  Что характеризует коэффициент квадратности феррита с ППГ?

108.  На рис. 9 дана кривая намагничивания железа. Постройте кри­вую зависимости магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля, определите начальную и максимальную проницаемость.

Рис. 9. Кривая намагничивания железа

109.  Что такое ферромагнитная керамика? Ее свойства и область применения.

110.  Что представляет собой магнитодиэлектрики? Укажите их ос­новные свойства и назначение.

111.  Какие сплавы имеют прямоугольную петлю гистерезиса? Каковы их состав и структура?

112.  Назовите состав и свойства основных ферритов с ППГ. Какие основные группы можно выделить среди этих ферритов?

113.  Как классифицируются магнитотвердые материалы и каковы их характеристики?

114.  В чем преимущества и недостатки анизотропных нековких сплавов по сравнению с изотропными? Основной состав, свойства и область применения этих сплавов.

115.  Чем объясняются повышенные магнитные свойства у сплавов с кристаллической текстурой?

116.  Каковы свойства и применение магнитов из порошков?

117.  Что представляют собой магнитно-твердые ферриты и каково их отличие от магнитно-твердых сплавов?

Конструкционные материалы

118.  Перечислите основные признаки металлов и опишите их внут­реннее строение.

119.  Изобразите наиболее распространенные типы кристаллических решеток.

120.  Что такое сплав и что называется компонентом сплава?

121.  В чем разница между сталью и чугуном: по химсоставу, струк­туре и свойствам?

122.  Легированные стали, свойства.

123.  Перечислите сплавы меди. Укажите наименования, основной химсостав, свойства и назначение отдельных марок.

124.  Перечислите сплавы алюминия. Укажите наименования, основ­ной химсостав, свойства и назначение отдельных их марок.

125.  Перечислите металлокерамические твердые сплавы. Укажите их группы, марки, физико-механические свойства и области применения.

126.  В чем состоит сущность порошковой металлургии? Приведите состав, свойства и применения металлокерамических антифрикционных и фрикционных изделий, твердых сплавов.

127.  Приведите данные о молибдене, вольфраме, ниобии, тантале и хроме; изготовление изделий из них, свойства и применение.

128.  Приведите примеры металлических покрытий и методы их на­ несения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  , , Тареев ­ские материалы. - Л.: Энергоатомиздат, 1985.

2.  Тареев диэлектрических материалов. - М.: Энергоиздат,1982.

3.  и др. Технология конструкционных материалов. М.: Машиностроение. 1985.

4.  , Сорокин электронной техники. - Л.: Энергозатомиздат, 1988.

5.  Справочник по электротехническим материалам / Под ред. , , . М.; Л.: Энергия, 19Т.1;-1986. - Т. П; 1987.-Т. Ш.

6.  Петров , радиокомпоненты и электроника.

НОМЕРА ЗАДАЧ К КОНТРОЛЬНОМУ ЗАДАНИЮ ПО КУРСУ "ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ И КОНСТРУКТОРСКИЕ МАТЕРИАЛЫ"

Варианты	Номера задач и вопросов
Последняя цифра шифра	Предпоследняя цифра шифра	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
0	нечёт	2	9	14	23	27.1	37	48	77	101	113	120
чёт	6	12	18.1	24	36	44	76	79	109	114	119
1	нечёт	3	10	17	25	43	59	80	85	93	115	122
чёт	7	16	27.2	36	54	69	84	87	110	118	124
2	нечёт	5	13.1	24	31	45	64	85	96	109	111	121
чёт	1	23	30	67	71	82	92	94	108	120	127
3	нечёт	8	9	13.2	16	20	39	47	68	91	96	113
чёт	4	8	10	18	27.2	57	74	87	94	106	119
4	нечёт	3	15	24	39	38	40	72	83	95	119	127
чёт	7	23	37	48	52	68	77	92	110	118	122
5	нечёт	9	15	17	23	27.1	33	42	67	84	93	118
чёт	1	18.1	24	34	37	52	70	77	109	111	120
6	нечёт	2	9	14	23	27.2	37	48	77	101	113	121
чёт	6	12	18.2	24	36	44	76	79	109	114	120
7	нечёт	3	10	17	25	43	59	84	96	109	111	124
чёт	7	16	27.1	36	54	69	85	87	110	118	122
8	нечёт	5	13.1	24	31	45	64	84	96	109	106	119
чёт	4	8	10	18	27.1	39	47	68	91	96	113
9	нечёт	8	9	13.2	16	20	37	72	83	95	119	127
чёт	4	8	10	18	27.2	57	74	87	94	106	119