Физика диэлектрических материалов

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

УТВЕРЖДАЮ

Проректор-директор ЭНИН

_____________

«___»________________2011 г.

Рабочая программа учебной дисциплины

физика диэлектрических матералов

НАПРАВЛЕНИЕ ООП: 140400 «ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА»

ПРОФИЛИ ПОДГОТОВКИ: «Электроизоляционная, кабельная и конденсаторная техника»

СТЕПЕНЬ: Бакалавр

БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ План ПРИЕМА 2010 г.

КУРС 4; СЕМЕСТР 8;

КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ: 6

КОРЕКВИЗИТЫ: «Электротехническое материаловедение»,

ПРЕРЕКВИЗИТЫ «Высшая математика», «Физика»

ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:

ЛЕКЦИИ	24 часа (ауд.)
ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ	18 часов (ауд.)
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ	18 часов (ауд.)
ВСЕГО АУДИТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ	60 часов
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА	72 часа
ИТОГО	132 часа

ФОРМА ОБУЧЕНИЯ очная

ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ: ЭКЗАМЕН.

ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ: каф. «Электромеханические комплексы и материалы»

ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ: к. т.н., доцент

РУКОВОДИТЕЛЬ ООП: к. т.н., доцент

ПРЕПОДАВАТЕЛИ: к. т.н., доцент

к. т.н., доцент

2011 г.

1.  Цели освоения дисциплины

«Физика диэлектрических материалов» является базовым теоретическим курсом для бакалавров, обучающихся по профилю «Электроизоляционная, кабельная и конденсаторная техника». Основными целями дисциплины являются: формирование знаний об общих закономерностях электрических и физических процессов, происходящих в диэлектрических материалах под воздействием электрического поля; выявлять наиболее существенные физические процессы и закономерности, устанавливать связь между строением диэлектриков и их электрическими свойствами, умений использовать теоретические знания при выборе требуемых для конкретного применения в электроустановках изоляционных материалов и прогнозировать изменение свойств диэлектрических материалов при изменении их химического состава и строения в процессе эксплуатации.

В результате освоения данной дисциплины обеспечивается достижение целей Ц1, Ц3, Ц4 и Ц5 основной образовательной программы «Электроэнергетика и электротехника»; приобретенные знания, умения и навыки позволят подготовить выпускника:

– к проектно-конструкторской деятельности, способного к расчету, анализу и проектированию электроэнергетических элементов, объектов и систем с использованием современных средств автоматизации проектных разработок ( Ц1);

– к научно-исследовательской деятельности, в том числе в междисциплинарных областях, связанной с математическим моделированием процессов в электроэнергетических системах и объектах, проведением экспериментальных исследований и анализом их результатов (Ц3);

Подготовка выпускника к производственной деятельности в сфере эксплуатации, монтажа и наладки, обслуживания и испытаний, диагностики и мониторинга электроэнергетического и электротехнического оборудования в соответствии с профилем подготовки с соблюдением требований защиты окружающей среды, обеспечения здоровья персонала и безопасности производства (Ц4)

– к самостоятельному обучению и освоению новых знаний и умений для реализации своей профессиональной карьеры (Ц5).

2. Место дисциплины в структуре ООП

Дисциплина относится к «Профессиональному циклу» вариативной части модуля «Электроэнергетика и электротехника»; профиль – «Электроизоляционная, кабельная и конденсаторная техника»

Указанная дисциплина является одной из важнейших для указанного профиля; имеет как самостоятельное значение, так и является базой для решения задач электротехнического материаловедения.

Для успешного освоения дисциплины слушателю необходимо:

знать:

терминологию, основные понятия и определения; механизмы основных процессов, происходящих в диэлектриках при воздействии на него электрического поля, основы строения веществ, характеристики взаимодействия между частицами, основные закономерности диэлектрических характеристик полярных и неполярных диэлектриков, связь между строением вещества, его агрегатным состоянием и диэлектрическими свойствами; основы теории поляризации, электропроводности, диэлектрических потерь и пробоя диэлектриков; способы определения микро - и макроскопических диэлектрических характеристик;

ограничения и области применения, изучаемых в курсе методов, моделей, теорий

уметь:

оценивать последствия нарушения устойчивости энергосистем; формулировать задачи анализа устойчивости энергосистем; составлять математические модели для проведения расчётов устойчивости энергосистем; проводить расчёты устойчивости и формулировать выводы по полученным результатам; оформлять результаты расчёта и анализа в соответствии с требованиями ЕСКД.

иметь опыт:

измерения и расчета диэлектрических характеристик электроизоляционных материалов;

прогнозирования температурных зависимостей основных макроскопических характеристик полярных и неполярных диэлектриков, обобщения и интерпретации полученные результатов.

Пререквизитами данной дисциплины являются; «Электротехническое материаловедение»,

«Высшая математика», «Электротехника».

Кореквизитов: «Физика»

3. Результаты освоения дисциплины

Обучающиеся должны освоить дисциплину на уровне, позволяющем им свободно ориентироваться в явлениях поляризации, электропроводности, диэлектрических потерь, ионизационных процессах и пробое электрической изоляции, иметь навыки анализа свойств электрической изоляции электротехнических конструкций и знать основные способы повышения ее ресурса,

Уровень освоения дисциплины должен позволять бакалаврам с использованием технической литературы решать типовые задачи практического расчета основных параметров электрической изоляции с использованием профессиональных программных комплексов.

В соответствии с поставленными целями после изучения дисциплины «Физика диэлектрических материалов» бакалавры приобретают знания, умения и опыт, которые определяют результаты обучения согласно содержанию основной образовательной программы Р3, Р7, Р8, Р10,Р15*. Соответствие знаний, умений и опыта указанным результатам представлено в таблице № 1.

Таблица № 1

Декомпозиция результатов обучения

Формируемые компетенции в соответствии с ООП*	Результаты освоения дисциплины
З.3.2; З.7.4; З.8.2 З10.2 З.15.1 З.15.3	В результате освоения дисциплины бакалавр должен знать: – современные тенденции развития технического прогресса; – методы математического и физического моделирования режимов, процессов, состояний электрической изоляции объектов электроэнергетики и электротехники; - основы материаловедения и технологии конструкционных материалов; электротехнических материалов в качестве компонентов электротехнического и электроэнергетического оборудования - технологических процессов наложения электрической изоляции - состояние и тенденции развития современного отечественного и зарубежного электроматериаловедения. - методов и способов оценки технического состояния и остаточного ресурса электроэнергетического и электротехнического оборудования
У.2.1; У.7.2 У.12.1; У.12.2. У15.2	В результате освоения дисциплины бакалавр должен уметь: – применять компьютерную технику и информационные технологии в своей профессиональной деятельности; – выявлять физическую сущность явлений и процессов в системах электрической изоляции и выполнять применительно к ним простые технические расчеты – проводить эксперименты по заданным методикам с последующей обработкой и анализом результатов в области электроэнергетики; – планировать эксперименты для решения определенной задачи профессиональной деятельности; - проверят ьтехническое состояние и остаточный ресурс электрической изоляции электроэнергетического и электротехнического оборудования
В.3.1; В.3.2; В.6.1; В7.2 В.8.3; В.8.5.	В результате освоения дисциплины бакалавр должен владеть опытом: – использования основных методов организации самостоятельного обучения и самоконтроля; – приобретения необходимой информации с целью повышения квалификации и расширения профессионального кругозора; – аргументированного письменного изложения собственной точки зрения; навыками публичной речи, аргументации, ведения дискуссии и полемики, практического анализа, логики различного рода рассуждений; навыками критического восприятия информации; - анализа физических явлений в электрической изоляции электротехнических устройств. – анализа режимов работы электрической изоляции электроэнергетического и электротехнического оборудования и систем; – использования прикладных программ и средств автоматизированного проектирования при решении инженерных задач электроэнергетики и электротехники;

*Расшифровка кодов результатов обучения и формируемых компетенций представлена в Основной образовательной программе подготовки бакалавров по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника»

Курсивом отмечены уникальные знания, умения и опыт, соответствующие данной дисциплине

4. Структура и содержание дисциплины

4.1 Структура дисциплины по разделам, формам организации и

контроля обучения

Таблица № 2

Название разделов	Аудиторная работа (час.)	СРС (час.)	Итого (час.)	Формы текущего контроля и аттестации
Лекц.	Практич. занятия	Лаб. зан.
1. Основные положения, цели и задачи курса	2			2	4	Устный опрос
2. Строение веществ	2	Тема №2_ Час.2		2	6	Устный опрос
3. Упругие виды поляризации	2	Тема №3_ Час.2	ЛБ № 1, Час. 2	10	16	Устный опрос Отчет по ЛБ
4. Неупругие виды поляризации	2	Тема № 4_ Час. 2	ЛБ №2.3 Час. 4	8	16	Устный опрос
5.Электропроводность диэлектриков	3	Тема № 5_ Час. 4	ЛБ №,4 Час. 2	10	19	Устный опрос Отчет по ЛБ
6. Диэлектрические потери	3	Тема №6 _Час 2	ЛБ №5 Час. 2	10	17	Устный опрос Отчет по ЛБ
7. Пробой в газах и жидких диэлектриках	5	Тема № 7_ Час. 2	ЛБ № 6,7 Час. 4	14	25	Устный опрос Отчет по ЛБ
8. Пробой твердых диэлектриков. Частичные разряды в электрической изоляции	5	Тема №8_ Час 4	ЛБ № 8.9 Час. 4	16	29	Устный опрос Отчет по ЛБ
9. Промежуточная аттестация						Экзамен
Всего по формам обучения	24	18	18	72	132

При сдаче отчетов и письменных работ проводится устное собеседование.

4.2 Содержание разделов дисциплины

Раздел 1. Основные положения курса

Значение и роль физики диэлектриков в науке, в развитии электроизоляционной, кабельной и конденсаторной техники, радиоэлектроники. Связь физики диэлектриков с другими курсами специальности. Основные современные достижения в области диэлектриков. Основные термины и определения [1]: Гл. 1.

Раздел 2. Строение веществ

Основные диэлектрические характеристики. Различия между диэлектриками, полупроводниками и проводниками. Энергетические характеристики атомов. Силы взаимодействия между частицами в веществах. Энергия взаимодействия. Виды связей между атомами, молекулами. Классификация диэлектриков по видам связи.

Виды кристаллических структур. Классификация кристаллов. Молекулярные, ионные, атомные кристаллы. Строение металлов. Теории аморфного строения веществ. Строение жидкости. Особенности строения и физические состояния. Термомеханические характеристики. Причины гибкости линейных макромолекул. Особенности теплового движения в полимерах. Пластификация и модификация полимеров. Надмолекулярные структуры. Аморфная и кристаллическая фазы в полимерах. [1, 5, 6]

Практические занятия

Тема № 2

Расчет энергии диполь-дипольного взаимодействия. Межмолекулярные силы взаимодействия.

Раздел 3. Упругие виды поляризации

Виды поляризации. Поляризуемость. Диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая восприимчивость. Внутренне поле, среднее макроскопическое поле, действующее поле в диэлектрике. Поле Лорентца. Связь между поляризацией и поверхностной плотностью зарядов. Поляризация на постоянном напряжении. Электретное состояние диэлектриков.

Электронная поляризация. Определение, количественная оценка. Поляризуемость. Время установления электронной поляризации. Электронная поляризация в жидких и твердых диэлектриках. Влияние температуры частоты приложенного поля на диэлектрическую проницаемость жидких и твердых диэлектриков. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости.

Дипольная упругая поляризация.. Общие представления о дипольной поляризации. Электрический момент полярной молекулы. Уравнение Клаузиуса-Моссоти для паров полярных жидкостей и полярных газов. Поляризуемость жидких полярных диэлектриков. Зависимость диэлектрической проницаемости полярных жидких и твердых диэлектриков от частоты электрического поля и температуры. Теории поляризации полярных жидких диэлектриков. Связь диэлектрической проницаемости и поляризуемости при дипольной поляризации.

Ионная упругая поляризация. Время установления ионной поляризации. Поляризация твердых ионных диэлектриков. Зависимость диэлектрической проницаемости ионных диэлектриков от внешних факторов.[1, 2, 3].

Практические занятия

Тема № 3

Расчет электронной и ионной поляризуемости молекул диэлектрика.

Лабораторная работа1.

Исследование процессов поляризации в ионных диэлектриках.

Раздел 4. Неупругие виды поляризации

Механизмы неупругих видов поляризации. Ионно-релаксационная и дипольно-релаксационная поляризации. Время установления релаксационных видов поляризации. Зависимость диэлектрической проницаемости от внешних факторов. Механизм миграционной поляризации, отличие ее от ионно-релаксационной поляризации. Сегнетодиэлектрики, особенности их строения.. Сущность явления спонтанной и доменной поляризации. Электрический момент доменов. Сегнетоэлектрические свойства титана бария.

Практические занятия

Тема № 4

Расчет энергии активации диэлектрической релаксации.

Лабораторная работа 2.

Изучение температурно-частотной зависимости диэлектрической проницаемости твердых диэлектриков

Лабораторная работа 3

Исследование сегнетоэлектриков

Раздел 5. Электропроводность диэлектриков

Электропроводность газов. Представления о сущности явления электропроводности. Плотность тока в газе при малых напряженностях электрического поля. Вольтамперная характеристика газов. Объемный заряд в газе.

Электропроводность жидких диэлектриков. Виды электропроводности жидких диэлектриков. Собственная и примесная электропроводность. Роль теплового и электрического полей в электропроводности жидких диэлектриков. Правило Вильдена. Зависимость электропроводности жидких диэлектриков от температуры.

Электропроводность твердых диэлектриков. Виды электропроводности твердых диэлектриков. Экспериментальные методы определения вида электропроводности в твердых диэлектриках (эффект Холла, закон Фарадея). Зависимость электропроводности твердых диэлектриков от температуры. Энергия активации заряда. Электропроводность ионных кристаллов. Дефекты по Шоттки и по Френкелю и их влияние на электропроводность.

Зависимость тока в диэлектрике от времени приложения напряжения. Причины спадания тока со временем. Ток абсорбции и ток сквозной проводимости. Истинная электропроводность твердых диэлектриков. Электропроводность полимерных диэлектриков. Особенности температурной зависимости электропроводности полимеров.

Электропроводности жидких и твердых диэлектриков в сильных электрических полях. Особенности электропроводности диэлектриков в сильных электрических полях. Закон Пуля, закон Френкеля. Электронная электропроводность в области предпробивных напряженностей электрического поля. Инжекционные токи в твердых телах.

Практические занятия

Тема № 5

Ток абсорбции в диэлектриках. Расчет поверхностной плотности заряда и постоянной времени спадания тока

Лабораторная работа 4.

Исследование температурной зависимости электропроводности твердых диэлектриков

Раздел 6. Диэлектрические потери

Понятие о диэлектрических потерях, количественная оценка. Схемы замещения диэлектриков. Активная и реактивная составляющие тока на переменном напряжении. Тангенс угла диэлектрических потерь. Удельные диэлектрические потери.

Использование принципа суперпозиции токов для расчета тангенса угла диэлектрических потерь. Аналитическое выражение зависимости тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости полярных и неполярных диэлектриков от частоты электрического поля и температуры. Диэлектрические потери в полярных жидких диэлектриках. Теория Дебая.

Методы анализа экспериментальных данных по диэлектрическим потерям в полярных, неполярных и ионных диэлектриках. Релаксационные потери в твердых диэлектриках. Энергия активации диэлектрической релаксации. Особенности проявления диэлектрических потерь в полимерных диэлектриках.

Практические занятия

Тема № 6

Особенности диэлектрической релаксации в полимерных диэлектриках

Лабораторная работа 5.

Изучение температурно-частотной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь твердых диэлектриков

Раздел 7. . Пробой в газах и жидких диэлектриках

Теория Таунсенда. Стримерная теория пробоя. Пробой газов в зависимости от давления и его химического состава. Закон Пашена. Зависимость пробивного напряжения газов от частоты электрического поля. Резонансная теория пробоя газов.

Пробой жидких диэлектриков. Виды пробоя жидких диэлектриков. Механизм пробоя жидких диэлектриков по Геманту, Флоренскому, Волькенштейну. Вольтализационная теория пробоя жидких диэлектриков. Зависимость электрической прочности жидких диэлектриков, содержащих влагу и газообразные включения, от температуры и давления.

Практические занятия

Тема № 7

Расчет электрической прочности диэлектриков.

Лабораторная работа 6.

Изучение зависимости электрической прочности жидких диэлектриков от температуры

Лабораторная работа 7

Исследование зависимости электрической прочности твердых диэлектриков от температуры

Раздел 8. Пробой твердых диэлектриков. Частичные разряды в электрической изоляции

Виды пробоя твердых диэлектриков. Зависимость электрической прочности твердых диэлектриков от температуры, толщины диэлектриков, времени приложения напряжения, площади электродов при различных видах пробоя.

Электротепловой пробой твердых диэлектриков. Теории Вагнера, Фока. Оценка значения пробивного напряжения твердых диэлектриков.

Электрический пробой твердых диэлектриков. Теории электрического пробоя твердых диэлектриков, основанные на принципах классической физики. Теории Роговского, Грифица. Ударная термическая и электростатическая ионизация в твердых диэлектриках. Теории Иоффе, Смурова, Френкеля, Хиппеля, Фрелиха, Чуенкова, Воробьева и Завадовской. Энергетический анализ импульсной электрической прочности твердых диэлектриков по Вершинину. Электрический пробой полимерных диэлектриков. Особенности зависимости электрической прочноcти полимеров от температуры. Теория Артбауэра, Старка и Гартона.

Электрическое старение твердых диэлектриков. Работа Койкова, Дмитревского, Ильченко по исследованию процесса пробоя в твердых диэлектриках при длительном воздействии электрического поля высокой напряженности.

Практические занятия

Тема № 8

Расчет напряжения перекрытия изоляторов (семинар)

Лабораторная работа 8.

Исследование характеристик частичных разрядов твердых диэлектриков с пористой структурой

Лабораторная работа 9.

Исследование пробивного напряжения воздуха в резко неоднородном электрическом пол. е

4.3. Распределение компетенций по разделам дисциплины

Распределение по разделам дисциплины планируемых результатов обучения в соответствии с основной образовательной программой, формируемых в рамках данной дисциплины и указанных в пункте 3, приведено в табл. № 3.

Таблица № 3

№	Формируемые компетенции	1	2	3	4	5	6	7	8
1	З.3.2	х
2	З.7.4						х	х
3	З.8.2			х	x
4	З.10.2						х
5	З.15.1						х		х
6	З.15.2						х		х
7	У.2.1						х		х
8	У.7.2					х	х		х
9	У.12.1					х	х	х
10	У.12.2					х			х
11	У.15..2						х		х
12	В.3.1		х		х
13	В.3.2			х		х
14	В.6.1							х
15	В.7.2		х	х	х	х		х	х
16	В.8.3					х			х
17	В.8.5							х

5. Образовательные технологии

В процессе обучения для достижения планируемых результатов освоения дисциплины используются следующие методы образовательных технологий:

опережающая самостоятельная работа, методы IT , междисциплинарное обучение, проблемное обучение, обучение на основе опыта, исследовательский метод.

Для изучении дисциплины предусмотрены следующие формы организации учебного процесса: лекции, практические и семинарские занятия, лабораторные работы, самостоятельная работа студентов, индивидуальные и групповые консультации,

Специфика сочетания перечисленных методов и форм организации обучения отражена в матрице (табл. 4).

Таблица 4.

Методы и формы организации обучения (ФОО)

Методы и формы активизации деятельности	ЛК.	ПР, семинар	ЛБ	СРС
Опережающая самостоятельная работа		x	x
Методы IT			x	x
Междисциплинарное обучение	x	x	x
Проблемное обучение			x
Обучение на основе опыта	x	x	x
Исследовательский метод			x	x

Для достижения поставленных целей преподавания дисциплины реализуются следующие средства, способы и организационные мероприятия:

-  изучение теоретического материала дисциплины на лекциях с использованием компьютерных технологий;

-  самостоятельное изучение теоретического материала дисциплины с использованием Internet-ресурсов, информационных баз, методических разработок, специальной учебной и научной литературы;

-  закрепление теоретического материала на практических занятиях, при проведении лабораторных работ, выполнения проблемно-ориентированных, поисковых, творческих заданий.

6. Организация и учебно – методическое обеспечение СР студентов

Самостоятельная работа является наиболее продуктивной формой образовательной и познавательной деятельности студента в период обучения. Для реализации творческих способностей и более глубокого освоения дисциплины предусмотрены следующие виды самостоятельной работы: 1) текущая и 2) творческая проблемно – ориентированная.

6.1. Текущая самостоятельная работа, направленная на углубление и закрепление знаний студента, развитие практических умений включает:

– работу с лекционным материалом, поиск и обзор литературы и электронных источников информации по индивидуальному заданию;

– опережающую самостоятельную работу;

– выполнение домашних заданий;

– изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку;

– подготовку к лабораторным работам, к практическим занятиям;

– подготовку к контрольным работам, зачету, экзамену;

6.2. Творческая проблемно – ориентированная самостоятельная работа (ТСР) предусматривает:

– выполнение исследовательской работы и участие в научных студенческих конференциях и олимпиадах;

– поиск, анализ, структурирование и презентацию информации;

– углубленное исследование вопросов по тематике лабораторных работ.

6.3. Содержание самостоятельной работы студентов по дисциплине

6.3.1. С целью развития творческих навыков у студентов при изучении настоящей дисциплины определен перечень тем научно– исследовательских работ и рефератов по наиболее проблемным задачам и вопросам теоретического и практического плана (выдаются наиболее одаренным студентам ):

-электрическое и тепловое старение диэлектриков,

-связь структуры и строения полимерных диэлектриков с их диэлектрическими свойствами,

- длительная электрическая прочность и срок службы электрической изоляции,

-контроль степени структурирования электрической изоляции по температурно-частотной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь.

6.3.2. Темы индивидуальных заданий для реферативных работ:

- поляризация диэлектриков,

- электропроводность диэлектриков,

- диэлектрические потери,

- пробой диэлектриков,

- основные характеристики частичных разрядов и их связь со временем до пробоя.

6.3.3. Темы, выносимые на самостоятельную проработку:

- особенности теплового движения в полимерах, надмолекулярные структуры кристаллических и аморфных полимеров,

- действующее поле в диэлектрике и его расчет,

- механизмы тока абсорбции и тока сквозной проводимости, истинная электропроводность диэлектриков,

- особенности электрического старения неорганической и органической изоляции,

-роль частичных разрядов в процессе электрического старения диэлектриков..

6.4. Контроль самостоятельной работы студентов

Контроль самостоятельной работы студентов и качество освоения отдельных модулей дисциплины осуществляется посредством:

– защиты лабораторных работ в соответствии графиком выполнения;

– защиты рефератов по выполненным обзорным работам и проведенным исследованиям;

– результатов ответов на контрольные вопросы (контрольные вопросы имеются в электронной форме и в распечатанном виде);

– опроса студентов на практических занятиях;

Оценка текущей успеваемости студентов определяется в баллах в соответствии рейтинг – планом, предусматривающим все виды учебной деятельности.

6.5. Учебно – методическое обеспечение самостоятельной работы студентов

При выполнении самостоятельной работы студенты имеют возможность пользоваться специализированными источниками, приведенными в разделе 9. «Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины» и Internet-ресурсами.

7. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины

(фонд оценочных средств)

Для текущей оценки качества освоения дисциплины и её отдельных модулей разработаны и используются следующие средства:

– список контрольных вопросов по отдельным темам и разделам (приведен в «Приложении»);

– перечень тем научно– исследовательских работ и рефератов по наиболее проблемным задачам и вопросам теоретического и практического плана изучаемой дисциплины (представлены в п. 6.3);

– методические указания к лабораторным работам и отчеты по результатам их выполнения;

7.1. Требования к содержанию экзаменационных вопросов

Экзаменационные билеты включают три теоретических вопроса по основным разделам курса:

7.2. Пример экзаменационных вопросов

1. Пробой газов на импульсном напряжении. Время формирования пробоя. Запаздывание разряда.

2. Природа внутримолекулярных сил взаимодействия.

3. Общая теория диэлектрических потерь. Принцип суперпозиции токов.

8. Учебно – методическое и информационное обеспечение дисциплины

Основная литература:

1.  , , Тареев диэлектриков. М.: Энергия, 1965 – 352 с

2. , , Петров диэлектриков (область слабых и сильных полей). Лабораторный практикум. ТПУ, Томск, 2003 – 132 с

Дополнительная литература:

3. Сканави диэлектриков, ч. I, М.: Л.: Физматгиз, 1949; ч. П, М.: Л.: Физматгиз, 1958 – 907 с.

1.  Тареев диэлектрических материалов. М.: Энергия, 1973.

2.  Сажин свойства полимеров. М.: Химия, 1977 – 196 с.

3.  Воробьев диэлектриков (раздел курса «Физика твердого тела»). ТГУСУиР, Томск, 2002 – 127 с.

4.  Кучинский разряды в высоковольтных конструкциях. М.: Л.: Энергия, 1979 – 223 с.

5. , ,. , . Физика диэлектриков (область сильных полей). Учебное пособие. Издательство ТПУ

www. enin. *****

6. А. Г Чертов, , Задачник по физике, www. *****/d/phys/phys178.htm

9. Материально – техническое обеспечение дисциплины

– лабораторные работы проводятся в специализированных учебных лабораториях; компьютеры подключены к сети учебного корпуса ЭНИН с выходом в Internet ; в НТБ ТПУ имеется электронная версия лабораторного практикума по «Физике диэлектриков», разработанная на кафедре;

– практические занятия проводятся в компьютерных классах;

– лекции читаются в учебных аудиториях с использованием технических средств; материал лекций представлен в виде презентаций в Power Point;

Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника» подготовки бакалавров; профиль – «Электроэнергетические системы и сети»

Программа одобрена на заседании кафедры «Электроэнергетические сети и системы»

(протокол от г.)

Авторы: . .

Рецензент: к. т.н. доц. каф. ЭКМ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Темы контрольных работ и основные вопросы, входящие в них

Тема 1. Основы теории строения веществ. Поляризация и электропроводность диэлектриков

1.  Различия между диэлектриками, полупроводниками и проводниками.

2.  Энергетические характеристики атомов. Расчет радиуса электронной оболочки и энергии электрона. Постулат Бора.

3.  Виды химической связи между атомами в молекулах диэлектриков.

4.  Природа внутримолекулярных сил взаимодействия. Энергия взаимодействия. Энергия диссоциации молекул.

5.  Природа межмолекулярных сил взаимодействия. Виды межмолекулярных сил. Энергия взаимодействия.

6.  Потенциал ионизации, энергия сродства к электрону, электроотрицательность атомов.

7.  Высокомолекулярные соединения. Особенности их строения и физические состояния аморфных полимеров.

8.  Общие представления о поляризации. Виды поляризации. Поляризуемость. Связь между поляризацией и поверхностной плотностью заряда.

9.  Надмолекулярные структуры кристаллических и аморфных полимеров.

10.  Среднее макроскопическое поле в диэлектрике и его расчет.

11.  Действующее поле в диэлектрике и его расчет. (Метод Лоренца).

12.  Механизм электронной поляризации в диэлектриках. Поляризуемость электронного смещения. Время установления поляризации.

13.  Механизм установления ионно-релаксационной поляризации. Поляризуемость. Время релаксации.

14.  Механизм установления дипольно-релаксационной поляризации. Поляризуемость. Время релаксации.

15.  Механизм установления упругой дипольной поляризации. Поляризуемость.

16.  Связь между диэлектрической проницаемостью и поляризуемостью неполярных газов и жидкостей.

17.  Упругая ионная поляризация. Зависимость диэлектрической проницаемости ионных диэлектриков от температуры.

18.  Механизм миграционной поляризации в неоднородных диэлектриках. Время ее установления.

19.  Виды поляризации в сегнетодиэлектриках. Зависимость диэлектрической проницаемости сегнетодиэлектрика от температуры.

20.  Электропроводность газов. Вольтамперная характеристика газов.

21.  Электропроводность жидких диэлектриков. Механизм электропроводности жидкостей.

22.  Электропроводность твердых диэлектриков. Механизм электропроводности. Энергия активации носителей заряда.

23.  Зависимость тока в диэлектрике от времени приложения напряжения. Ток абсорбции и ток сквозной электропроводности.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Продолжение

24.  Электропроводность жидких и твердых диэлектриков в сильных электрических полях. Законы Пуля и Френкеля.

Тема 2. Диэлектрические потери

1.  Общие представления о диэлектрических потерях.

2.  Схемы замещения диэлектриков. Тангенс угла диэлектрических потерь.

3.  Общая теория диэлектрических потерь.

4.  Расчет тангенса угла диэлектрических потерь для последовательной и параллельной схем замещения диэлектрика.

5.  Расчет мощности диэлектрических потерь для диэлектриков с медленными видами поляризации. Удельная мощность потерь.

6.  Расчет мощности диэлектрических потерь в диэлектриках с упругими видами поляризации. Удельная мощность потерь.

7.  Зависимость удельной мощности потерь от частоты приложенного напряжения.

8.  Аналитическая зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от частоты при наличии только медленных видов поляризации.

9.  Аналитическая зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от частоты при наличии сквозной проводимости и медленных видов поляризации.

10.  Расчет энергии активации диэлектрической релаксации.

11.  Диэлектрические потери на синусоидальном напряжении. (Поляризация успевает устанавливаться вслед за полем).

12.  Диэлектрические потери на синусоидальном напряжении. (Поляризация отстает от частоты поля).

13.  Особенности проявления диэлектрических потерь в аморфных полярных полимерах.

14.  Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры для неполярных и полярных диэлектриков.

15.  Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для неполярных и полярных диэлектриков потерь и диэлектрической проницаемости.

Тема 3. Пробой диэлектриков

1.  Ионизация и пробой газов.

2.  Теория ионизации Таунсенда.

3.  Стримерная теория пробоя.

4.  Пробой газа в зависимости от давления. Закон Пашена.

5.  Зависимость пробивного напряжения газов от частоты.

6.  Пробой газов в резко неоднородном электрическом поле. Роль полярности электродов.

7.  Виды пробоя жидких диэлектриков.

8.  Влияние различных примесей (газа, влаги, механических загрязнений) на величину электрической прочности жидких диэлектриков.

9.  Механизм пробоя жидких диэлектриков по Геманту. Зависимость электрической прочности трансформаторного масла от температуры.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Продолжение

10.  Вольтализационная теория пробоя жидких диэлектриков.

11.  Пробой тщательно очищенных жидких диэлектриков.

12.  Особенности и виды пробоя твердых диэлектриков.

13.  Электротепловой пробой твердых диэлектриков. Теория Вагнера и Фока.

14.  Электрический пробой твердых диэлектриков. Теории электрического пробоя, основанные на принципах классической физики.

15.  Теории пробоя Роговоского, Грифитца.

16.  Квантово-механические теории электрического пробоя Зинера, Волькенштейна.

17.  Теории электрического пробоя Хиппеля и Фрелиха.

18.  Энергетический анализ импульсной электрической прочности твердых диэлектриков по Вершинину.

19.  Теории электрического пробоя полимерных диэлектриков по Артбауэру, Старку и Гартону.

20.  Электрическое старение твердых диэлектриков. Роль частичных разрядов.

Вопросы, включаемые в билеты итогового контроля

1.  Зонные представления о строении веществ. Виды химических связей.

2.  Внутримолекулярные и межмолекулярные силы взаимодействия.

3.  Потенциал ионизации атомов. Энергия сродства к электрону. Электроотрицательность атомов.

4.  Связь между поляризацией и поверхностной плотностью заряда.

5.  Поляризация диэлектриков. Виды поляризации. Поляризуемость. Диэлектрическая проницаемость.

6.  Внутренне электрическое поле. Поле Лорентца. Связь между поляризацией и поверхностной плотностью зарядов.

7.  Диэлектрическая проницаемость газов и паров жидкости. Уравнение Клаузиуса-Моссоти. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры, давления и частоты поля.

8.  Удельная поляризация, молярная поляризация, рефракция.

9.  Электронная поляризация и ее сущность. Особенности электронной поляризации в газах

10.  Дипольная упругая и дипольно-релаксационная поляризация. Уравнение Клаузиуса-Моссоти для паров полярной жидкости. Зависимость диэлектрической проницаемости полярных жидких и твердых диэлектриков от температуры и частоты поля.

11.  Ионная упругая и ионно-релаксационная поляризации, их сущность. Зависимость диэлектрической проницаемости ионных диэлектриков от внешних факторов.

12.  Миграционная поляризация и ее сущность.

13.  Спонтанная поляризация. Явление спонтанной поляризации в сегнетоэлектриках. Зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков от температуры и напряженности поля.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Продолжение

14.  Электропроводность диэлектриков. Примесная и собственная электропроводность.

15.  Электропроводность газов. Вольтамперная характеристика газов. Объемный заряд в газах.

16.  Электропроводность жидких диэлектриков. Роль примесей. Зависимость электропроводности от температуры и напряженности.

17.  Электропроводность твердых диэлектриков. Ток абсорбции и ток сквозной проводимости. Истинная электропроводность твердых диэлектриков.

18.  Особенности электропроводности диэлектриков в сильных электрических полях. Законы Пуля и Френкеля. Инжекционные токи в твердых диэлектриках.

19.  Понятие о диэлектрических потерях. Схемы замещения диэлектриков. Тангенс угла диэлектрических потерь.

20.  Общая теория диэлектрических потерь. Принцип суперпозиции токов для расчета tgd.

21.  Зависимость tgd от температуры и частоты в полярных диэлектриках. Теория Дебая.

22.  Особенности диэлектрических потерь неполярных, полярных, ионных диэлектриков и полимерных диэлектриков.

23.  Пробой газов. Теория ударной ионизации Таунсенда. Условия пробоя газов.

24.  Стримерная теория пробоя газов. Пробой газов в зависимости от давления и химического состава. Закон подобия газового разряда.

25.  Закономерности пробоя газов в равномерном и резконеоднородном электрическом поле. Зависимость пробивного напряжения газов от частоты поля.

26.  Пробой газов на импульсном напряжении. Статистическое запаздывание разряда.

27.Пробой жидких диэлектриков. Роль примесей и газа. Теории Геманта, Флоренского. Вольтализованная теория пробоя жидких диэлектриков.

28.Зависимость электрической прочности жидких диэлектриков, содержащих влагу и газ, от температуры и давления. Пробой тщательно очищенных жидких диэлектриков.

29.Пробой твердых диэлектриков. Виды пробоя. Зависимость электрической прочности твердых диэлектриков от температуры, толщины, времени приложения напряжения и площади электродов.

30.Тепловой пробой твердых диэлектриков. Теории Вагнера, Фока и Семенова.

31.Электрической пробой. Классические теории электрического пробоя Иоффе, Смурова. Теории пробоя Роговского, Грифитца.

32.Квантово-механические теории пробоя твердых диэлектриков Зинера, Волькенштейна, Хиппеля и Фрелиха.

33.Электрический пробой в полимерных диэлектриков. Теории Артбауэра, Старка, Гартона. Феноменологические теория Вершинина.

34.Старение твердых диэлектриков. Электрохимический пробой. Роль частичных разрядов при разрушении диэлектриков, содержащих воздушные включения.

РЕЙТИНГ-ЛИСТ

по курсу «ФИЗИКА ДИЭЛЕКТРИКОВ»

для студентов 4-го курса ЭНИН гр. 5А07 специальности ЭИКТ

на осенний семестр 2013/2014 учебного года.

Объем курса: 60 час. из них: лекции 24 часа, лабораторные работы 18 часов, практические занятия 18 часов и 72 часа самостоятельной работы.

1. Контрольные работы (3 работыбаллов

Отлично - 17 баллов и более

Хорошо - 14–16,9 баллов

Удовлетворительно - 11–14 баллов

Неудовлетворительно - 0–10 баллов

2. Лабораторные работы (9 работбалла

Отлично - 27,2 балла и более

Хорошо - 22,4–27,1 балл

Удовлетворительно - 17,6–22,3 баллов

Неудовлетворительно - 0–17 баллов

(Допуск к работе - 1 балл, оформление отчета - 1 балл, защита-3 балла)

3. Практические занятия - 8 баллов

Отлично - 6,8 баллов и более

Хорошо - 5,7–6,7 баллов

Удовлетворительно - 4,4–5,6 баллов

Неудовлетворительно - 0– 4 баллов

4. Вопросы, выносимые на САР, включены в итоговый контроль оценки знаний студента.

Допуск к экзамену - 36 баллов

Экзамен – 40 баллов.

Лекторы:

доц. каф. ЭИКТ

доц. каф. ЭИКТ

РЕЙТИНГ-ПЛАН

по дисциплине «Физика диэлектрических материалов»

для гр. 5А07 специальности ЭИКТ на весенний семестр 2013/2014 уч. г.

Лекторы: ,

ОЦЕНКИ Лекции - 24 часа

Отлично – более 85 баллов Лабораторные занятия - 18 часов

Хорошо – 71 – 84 балла Практические занятия - 18 часов

Удовлетворительно 55 – 70 баллов Всего ауд. занятий - 60 час.

Самостоятельная работа - 72 часа

Контрольная неделя, модуль	Лекции	Лабораторные работы	Практические занятия	Контрольные работы	Максимальный балл модуля	Рубежный контроль
Тема	Тема	Балл	Тема	Балл	Тема	Балл
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
I 6 неделя 04.10-09.10 2014	1.  Поляризация 2. Электропроводность диэлектриков			1. Метод Лоренца 2. Ток абсорбции	1 1	1.Строение и поляризация диэлектриков	6	9	9
II 11 неделя 08.11-13.11 2014	3. Диэлектрические потери в полярных и неполярных диэлектриках 4. Пробой газов и жидкостей	1. Поляризация диэлектриков 2. Электропроводность диэлектриков 3. Диэлектрические потери	5 5 5	3. Электронная и ионная поляризуемость 4. Время релаксации 5. Слоистые диэлектрики	1 1 1	2. Электропроводность и диэлектрические потери	6	26	35
		16		4		6	35	35
III 15 неделя 13.12-18.12 2007	5. Пробой твердых диэлектриков	4. Частичные разряды в твердых пористых диэлектриках 5. Пробой жидких диэлектриков 6. Пробой твердых диэлектриков 7. Пробой газов	5 5 5 5	6. Перекрытие изоляторов 7. Пробой в неоднородном поле	1 1	3. Пробой диэлектриков	6	25	60
ИТОГО		35		7		18		60
	Рейтинг экзамена	40	100

УТВЕРЖДАЮ: СОСТАВИЛ:

Зав. кафедрой ЭКМ___________. доц. каф. ЭИКТ ____________

доц. каф. ЭИКТ ______________