Электроматериаловедение, лабораторный практикум, тесты (стр. 1 )

ФГБОУ ВПО СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЭЛЕКТРОМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ТЕСТЫ

Ставрополь

«АГРУС»

2012

УДК 621.3.002.3

Рецензенты: кандидат технических наук, доцент и кандидат технических наук, доцент (кафедра теоретических основ электротехники)

Электроматериаловедение. Лабораторный практикум. Тесты. Методическое пособие. – Ставрополь: АГРУС, 20с.

Изложены основные методические рекомендации по изучению и исследованию проводниковых, полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов электроустановок потребителей. Методическое пособие содержит лабораторные работы, выполняемые по общеобразовательным и профессиональным дисциплинам «Электроматериаловедение», «Электротехнические материалы» и «Электротехническое материаловедение». Даны тесты по темам дисциплин.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям и специальностям «Агроинженерия», «Электроэнергетика», «Электроснабжение», «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», «Радиотехника» на бакалавров, специалистов и магистров.

УДК 621.3.002.3

Ó , 2012

Ó АГРУС, 2012

ВВЕДЕНИЕ

В материаловедении дисциплины «Электроматериаловедение», «Электротехнические материалы» и «Электротехническое материаловедение», на электроэнергетических факультетах высших учебных заведений, являются общеобразовательными и создают фундамент для изучения профессиональных и специальных дисциплин на старших курсах.

Выполнение студентами лабораторных работ и тестовых заданий помогает им закрепить теоретические знания и приобрести навыки по измерению электрических и других важных характеристик материалов, согласно которым оценивается надежность изделий и оборудования электроустановок.

Знание физической сущности явлений и процессов, анализ свойств материалов, умение экономно и бережливо их расходовать, нужно для обучения студентов и воспитании в будущих инженерах и бакалаврах навыков грамотной эксплуатации электрооборудования.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОГО

ПРАКТИКУМА

Лабораторные работы по учебным дисциплинам «Электроматериаловедение», «Электротехнические материалы» и «Электротехническое материаловедение», на электроэнергетических факультетах желательно проводить после выполнения практических и лабораторных работ по физике, материаловедению и теоретическим основам электротехники, когда студенты освоят основы сборки электрических схем. В специализированной электротехнической лаборатории кафедры «Электроснабжение и эксплуатация электрооборудования» имеются стационарные и передвижные установки для проведения различных испытаний диэлектрических, электроизоляционных, проводниковых, полупроводниковых и магнитных материалов. Электрические рабочие и другие схемы всех установок напряжением до и выше 1кВ, используемых для выполнения лабораторных работ, лаборантам и техникам кафедры необходимо собирать и проверять до начала занятий, чтобы сэкономить учебное время студентов на выполнение работы.

Подготовка к лабораторным работам

До начала проведения цикла лабораторных работ по учебным дисциплинам «Электроматериаловедение», «Электротехнические материалы» и «Электротехническое материаловедение» следует ознакомить студентов с графиком проведения работ и последовательностью их выполнения в составе подгрупп и рабочих бригад. При подготовке к занятиям студентам необходимо ознакомиться с содержанием очередной лабораторной работы по настоящему учебно-методическому пособию. Во время самостоятельной работы студенты должны повторить теоретический материал по конспекту лекций и учебному пособию, рекомендованному преподавателем.

Перед проведением лабораторных работ надо студенты должны изучить инструкцию по охране труда в специализированной лаборатории кафедры. Преподаватель должен провести инструктаж по правилам электробезопасности с обязательной росписью студентов в журнале инструктажей данной лаборатории. На протяжении всего цикла работ студенты должны выполнять общие правила охраны труда и электробезопасности на занятиях.

Правила выполнения лабораторных работ

Студенты должны строго придерживаться следующих правил выполнения лабораторных работ:

1. Входить в лабораторию только с преподавателем, инженером, лаборантом или мастером производственного обучения, которые допущены к работе на электроустановках напряжением до и выше 1кВ.

2. Занимать рабочие места в лаборатории в соответствии с графиком выполнения лабораторных работ.

3. Не уходить с рабочего места без разрешения преподавателя, мастера производственного обучения или лаборанта кафедры.

4. Иметь рабочую тетрадь для записи кратких теоретических сведений, перечня необходимых приборов и оборудования, расчетных формул, вычерчивания электрических схем и таблиц с результатами испытаний материалов.

5. После получения задания дополнительно изучить план работы, проработать необходимый теоретический материал, вычертить заданную схему лабораторной установки и подготовить устные объяснения по схеме.

6. Установить, какие зажимы (контакты) приборов и аппаратов соответствуют тем или иным точкам электрической схемы лабораторной установки и в каких положениях должны находиться органы ее управления.

7. Перед началом работы проверить исправность заземляющего проводника, наличие и исправность ограждения токоведущих частей лабораторной установки напряжением до и выше 1кВ.

8. Включать специализированные лабораторные установки стационарные и передвижные установки только с разрешения преподавателя или мастера производственного обучения, которые допущены к работе на электроустановках напряжением до и выше 1кВ.

9. После подачи высокого напряжения запрещено касаться ограждения токоведущих частей лабораторной установки.

10. Получив разрешение от преподавателя на включение установки, студент должен предупредить рабочую бригаду словом «Включаю».

11. В случае работы с передвижными и стационарными установками выше 1кВ, имеющими мощные электрические конденсаторы, после снятия напряжения обязательно разрядить конденсаторы на «землю» при помощи специального приспособления, соединенного гибким медным проводом с контуром заземляющего устройства.

12. Окончив работу, представить отчет по работе преподавателю, привести в порядок рабочее место, сдать его лаборанту и только с разрешения преподавателя уйти из лаборатории.

ОТЧЕТ ПО РАБОТЕ

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

1.  Наименование и цель работы.

2.  Фамилию студента и номер учебной группы.

3.  Теоретические сведения по теме работы.

4.  Описание лабораторной установки и ее электрической схемы.

5.  Исследуемые электрические и другие характеристики и необходимые таблицы с результатами измерений и вычислений.

6.  Расчетные формулы и экспериментальные данные, полученные при измерениях и вычислениях.

7.  Обработка результатов измерения.

8.  Обоснованные выводы по работе.

Обработка результатов измерения. При различных испытаниях и исследованиях свойств электротехнических материалов результирующее значение характеристик находят как среднее арифметическое всех параллельных вычислений параметров. Кроме того, полученные данные подвергают статистической обработке, если это предусмотрено стандартом на электротехнические материалы или на метод испытаний.

Для повышения достоверности исследований, анализируют полученные значения параметров, отбрасывают сомнительные из них, затем вычисляют среднее значение как среднее арифметическое или среднее логарифмическое всех результатов:

, (1)

, (2)

где - число результатов измерений; - -й результат параметра.

Стандартное отклонение отдельных значений и стандартное отклонение среднего значения измерений находят по формулам:

, (3)

. (4)

Определяют нижнюю и верхнюю границы доверительного интервала , в котором заключено значение : и , где - вероятное отклонение искомого параметра материала от полученного среднего значения :

, (5)

где - критерий точности (критерий Стьюдента), который определяется в зависимости от заданной вероятности и числа отдельных результатов . Для электрических и механических характеристик основной считается вероятность равная 0,95.

Вычисляют также коэффициент вариации среднего значения , %, и относительную погрешность измерений (относительное отклонение), %:

, (6)

. (7)

Важно определить, какое должно быть число образцов электротехнического материала, чтобы средний параметр был найден с заданной относительной погрешностью при известном коэффициенте вариации для вероятности . Число образцов проводниковых и диэлектрических материалов для =0,8; 0,9; 0,95; 0,99 может быть найдено по графику (рисунок 1). Согласно стандарту на измерения параметров материала погрешность =5%. Проверяем сомнительные значения параметра электротехнического материала. Если часть из них попадает в интервал между значениями и , то выборку параметров увеличиваем за счет введения этих дополнительных результатов и вновь определяем показатели статистической обработки для конкретной лабораторной работы.

Рисунок 1 - Графики для определения числа образцов материала и расчета среднего исследуемого параметра с заданной вероятностью , коэффициентом вариации и относительной погрешностью .

Каждый студент рабочей бригады обязан сдать преподавателю личный отчет на проверку. Лабораторная работа считается выполненной, если отчет не содержит на титульном листе замечаний преподавателя по вышеперечисленным пунктам. Устранение замечаний выполняется студентом индивидуально во время самостоятельной работы до начала следующего занятия.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОВОДНИКОВЫХ

МАТЕРИАЛОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Исследовать температурную зависимость удельного электрического сопротивления типовых металлических проводников используемых в электроустановках различного назначения.

ПРОГРАММА РАБОТЫ

1.  Изучить экспериментальные законы классической электронной теории металлов для определения параметров удельных электрических проводимостей и сопротивлений металлических проводниковых материалов электроустановок.

2.  Изучить методы определения электрических сопротивлений металлических проводников.

3.  Изучить лабораторную установку и приспособления для определения электрических удельных сопротивлений металлических проводниковых материалов электроустановок.

4.  Выполнить измерения и расчеты электрических параметров металлических проводниковых материалов.

5.  Построить температурные зависимости удельных электрических сопротивлений различных металлических проводников и провести анализ полученных данных.

6.  Сделать выводы и ответить на вопросы по работе.

7.  Оформить и защитить отчет по лабораторной работе.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

В соответствии с атомно-кинетической теорией средняя кинетическая энергия электронов, находящихся в состоянии непрерывного хаотического движения, линейно возрастает с температурой:

, (1)

где - средняя скорость теплового движения; - постоянная Больцмана. Температуре 300К соответствует средняя скорость порядка 105м/с.

Плотность тока в металлическом проводнике, к которому приложено напряжение, определяется выражением:

, (2)

где - заряд электрона, - концентрация свободных электронов в проводнике, - средняя скорость направленного движения электронов (скорость дрейфа).

В медном проводе плотности тока 106А/м2 соответствует скорость дрейфа электронов порядка 10-4м/с, т. е. можно считать, что в реальных условиях средняя скорость теплового движения намного больше скорости направленного движения электронов в проводнике.

После столкновения для большинства электронов скорость направленного движения падает до нуля, т. е. накопленная кинетическая энергия передается атомам кристаллической решетки металла. Поэтому среднее значение скорости дрейфа за время свободного пробега равно половине максимального:

(3)

Поскольку средняя скорость теплового движения намного больше скорости направленного движения электронов, то при расчете времени свободного пробега добавку скорости дрейфа можно не учитывать:

(4)

где - средняя длина свободного пробега электронов.

Подстановка полученных соотношений в формулу для плотности тока приводит к следующему результату:

, (5)

т. е. плотность тока пропорциональна напряженности электрического поля, а это есть аналитическое выражение закона Ома.

Вывод формулы (5) нельзя считать строгим, так как принималось во внимание движение лишь одного электрона, а выводы распространялись на все свободные электроны. Более правильным было бы рассмотреть действие электрического поля на всю совокупность свободных электронов, у которых суммарный импульс изменяется как под действием поля, так и под действием соударений с узлами кристаллической решетки. Такой анализ приводит к тому, что средняя скорость дрейфа электронов оказывается вдвое больше. С учетом этой поправки выражение для удельной проводимости принимает следующий вид:

. (6)

Электроны в металле переносят не только электрический заряд, но и выравнивают в нем температуру, обеспечивая высокую теплопроводность. Благодаря высокой концентрации свободных электронов, электронная теплопроводность преобладает над другими механизмами переноса теплоты. В соответствии с атомно-кинетической теорией идеального газа электронная теплопроводность металла запишем в виде:

. (7)

Поделив выражение (7) на удельную электрическую проводимость, найденную из формулы (5) получим:

, (8)

т. е. отношение удельной теплопроводности к удельной проводимости металла при данной температуре есть величина постоянная, независящая от природы проводника. Отсюда следует, что хорошие проводники электрического тока являются и хорошими проводниками теплоты.

Константа получила название числа Лоренца.

Таким образом, удельная электрическая проводимость металлических проводниковых материалов определяется в основном средней длиной свободного пробега электронов, которая, в свою очередь, зависит от химической природы атомов и типа кристаллической решетки.

Известно, что сопротивление чистых отожженных металлов стремится к нулю, когда температура приближается к абсолютному нулю. Рассеяние энергии, приводящее к появлению электрического сопротивления, возникает в тех случаях, когда в кристаллической решетке имеются нарушения ее правильного строения. Дефекты структуры проводникового металла могут быть динамическими и статическими, точечными и протяженными.

Любые неоднородности структуры кристаллической решетки препятствуют распространению электронных волн, вызывают рост удельного электрического сопротивления материала. В чистых металлических проводниковых материалах единственной причиной, ограничивающей длину свободного пробега электронов, является тепловое колебание атомов в узлах кристаллической решетки.

Таблица 1 - Средняя длина свободного пробега электронов при 0оС для типовых металлов ( 1010,м)

-110	-370	-420	-410
-350	-133	-570	-220

Длина свободного пробега электронов в чистом металле обратно пропорциональна температуре. В области низких температур рассеяние электронов тепловыми колебаниями узлов решетки становится неэффективным. Взаимодействие электрона с колеблющимся атомом лишь незначительно изменяет импульс электрона. В теории колебаний атомов решетки температуру оценивают относительно некоторой характеристической температуры, которую называют температурой Дебая (θД). Температура Дебая определяет максимальную частоту тепловых колебаний, которые могут возбуждаться в металлическом проводнике. Эта температура зависит от сил связи между узлами кристаллической решетки и является важным параметром металла.

Если температура проводника больше температуры Дебая, то удельное электрическое сопротивление изменяется линейному закону до точки плавления металлического проводника. Типичная кривая изменения удельного сопротивления металлического проводникового материала в зависимости от температуры представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Зависимость удельного сопротивления металлического проводника от температуры в широком диапазоне температур:

а, б, в – варианты изменения удельного сопротивления у различных расплавленных металлов

Как показывает эксперимент, линейная аппроксимация температурной зависимости справедлива и до температур порядка , где ошибка не превышает 10%. Для большинства металлов характеристическая температура Дебая не превышает К. Поэтому линейное приближение обычно справедливо при температурах от 200С и выше. В низкотемпературной области , где спад удельного сопротивления обусловлен постепенным исключением все новых и новых частот тепловых колебаний (фононов), теория, предсказывает степенную зависимость . Температурный интервал, в котором наблюдается резкая степенная зависимость , обычно бывает довольно небольшим, причем экспериментальные значения показателя степени лежат в пределах от 4 до 6.

В узкой области I, составляющей несколько градусов Кельвина, у ряда металлов может наступить состояние сверхпроводимости. На рисунке виден скачок удельного сопротивления при температуре .

В пределах переходной области II наблюдается быстрый рост удельного сопротивления , где n может быть до 5 и постепенно убывает с ростом температуры приблизительно до 1 при температуре .

Линейный участок (область III) в температурной зависимости у большинства металлов простирается до температур, близких к точке плавления ТПЛ. Вблизи точки начала плавления ТНП, т. е. в области IV, в обычных проводниковых металлах может наблюдаться некоторое отступление от линейной зависимости.

При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления приблизительно в 1,5 - 2 раза. Эксперименты выявили следующую закономерность: если плавление металла сопровождается увеличением объема, то удельное сопротивление скачкообразно возрастает (кривые а и б); у металлов с уменьшением объема происходит понижение сопротивления (кривая в).

На рисунке 2,а показана зависимость удельного сопротивления медного проводника от температуры в широком интервале температур, а на рисунке 2,б дополнительно при низких температурах.

Хотя, как известно, сверхпроводимости у меди не обнаружено, однако при температурах порядкаК удельное сопротивление меди весьма маленькое и отличается от сопротивления при 20°С почти на три порядка.

Рисунок 2 – Зависимости удельного электрического сопротивления от абсолютной температуры для меди (а) и алюминия и меди (б) при низких температурах

Зависимость некоторых физических свойств алюминия от температуры показана на рисунке 3.

Рисунок 3 – Зависимости удельного электрического сопротивления, удельной теплоемкости и температурного коэффициента линейного расширения от температуры для алюминия

Известно, что при температуре жидкого азота алюминий почти сравнивается с медью по значению удельного сопротивления, а при еще более низких температурах становится даже лучше ее. Поэтому перспективно использование алюминия в качестве низкотемпературного проводника.

Относительное изменение удельного сопротивления при изменении температуры на один кельвин (градус) называют температурным коэффициентом удельного сопротивления:

. (9)

Положительный знак соответствует случаю, когда удельное сопротивление в окрестности данной точки возрастает при повышении температуры. Величина коэффициента также является функцией температуры. В области линейной зависимости справедливо выражение:

, (10)

где и - удельное сопротивление и температурный коэффициент удельного сопротивления начала температурного диапазона ();

- удельное сопротивление при температуре Т.

Значение коэффициентов чистых проводниковых металлов близко к обратно пропорциональной зависимости (). Согласно экспериментальным данным большинство металлов при комнатной температуре имеют параметр = 0,004 К-1, а повышенным коэффициентом характеризуются ферромагнитные металлы, например, сталь (железо).

Методы определения электрических сопротивлений металлических проводников. Электрическое сопротивление по постоянному и переменному току измеряется при помощи мостовых электрических схем. Благодаря своей простоте и высокой точности для измерения сопротивлений часто используется мостовая схема Уитстона.

Мост состоит из четырех проводников, имеющих различные номиналы электрических сопротивлений. В плечо моста включается исследуемое неизвестное сопротивление а в плечо - магазин сопротивлений . В плечи и включаются одинаковые сопротивления и . Эти сопротивления образуют электрический контур , в одной диагонали которого через ключ () включен источник питания (), а в другой - гальванометр ().

Рисунок 2 - Мостовая схема Уитстона

Измеряя величину неизвестного сопротивления нужно подобрать электрические сопротивления плеч моста так, чтобы при замыкании ключа в гальванометре величина тока была равна нулю.

В этом случае точки электрической цепи и имеют одинаковые потенциалы. Такое положение называется равновесием мостовой схемы. При равновесии моста, на основании закона Кирхгофа, соотношение между сопротивлениями плеч моста:

, (11)

откуда измеряемое сопротивление проводникового материала:

. (12)

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

В состав лабораторной установки входит следующее оборудование, устройства и приборы: индикатор сопротивления ММВ, специализированные измерительные мосты Р316 и МО-62, микрометры, штангенциркули, рулетка пятиметровая, наборы исследуемых электрических проводов с изоляцией различного диаметра.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Микрометром (штангенциркулем) измерить диаметры исследуемого набора проводников, с учетом толщины изоляции провода.

(13)

Таблица 2 - Справочные данные для расчета диаметра провода без изоляции

Диаметр провода , мм	<0.2	0.2...0.24	0.241...0.5	0.501...0.8	0.8
Толщина изоляции ,мм	0,015	0,02	0,03	0,04	0,05

2. Определить площадь поперечного сечения провода без изоляции: