Материаловедение ЭТМ

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Материаловедение  ЭТМ

 

Мои вопросы:

 

1.  На  какие группы разделяются электротехнические  материалы, укажите назначение каждой группы?

19. Что  такое диэлектрические потери, поясните  как определяется угол диэлектрических потерь?

21.  Что  называют проводниковым материалом  и какое основное  свойство  проводниковых  материалов  используется  в технике? Приведите пример.

39. Поясните  где используются  витые  сердечники  из  холоднокатаной стали?

41. Перечислите   материалы,  относящиеся  к  полупроводникам, укажите на какие группы они подразделяются.

 

 

 

1.

Электротехническими  назы-

вают материалы, обладающие особыми  свойствами по отношению к 

электромагнитному полю. К ним относятся: проводники, диэлектри-

ки, полупроводники и магнитные  материалы.

Проводники -  это  материалы  с  сильно  выраженной  электро-

проводностью.  По  применению  их  делят  на  материалы  высокой 

проводимости (для  проводов  различного  назначения,  токопроводя-

щих  деталей,  электрических  контактов)  и  материалы  высокого  со-

противления (для резисторов и нагревательных элементов). 

Диэлектрики -  это  материалы,  способные  поляризоваться  и 

сохранять  электростатическое  поле.  По  применению  различают 

пассивные диэлектрики (электроизоляционные) и активные диэлек-

трики (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики и др.), свойствами которых 

можно управлять внешним энергетическим воздействием.

Полупроводники -  это  материалы  с  сильной  зависимостью

электропроводности  от  концентрации  и  вида  примесей,  дефектов

структуры  и  внешних  энергетических  воздействий (температуры,

электромагнитных полей, освещенности и т.д.). 

По  отношению  к магнитному  полю  большинство  электротехни-

ческих материалов - немагнитные  либо  слабомагнитные вещества.

Существует особая группа материалов, проявляющих сильные маг-

нитные свойства.

Магнитные материалы способны сильно намагничиваться во

внешнем магнитном поле. По особенностям процесса намагничива-

ния,  связанным  с их  строением, они делятся на ферромагнетики и 

ферримагнетики (ферриты).  Различают  магнитомягкие  и  магнитот-

вердые материалы. Магнитомягкие  материалы  легко  перемагни-

чиваются. Их  применяют  в  электромагнитах  и  переменных магнит-

ных  полях  в  качестве  сердечников  трансформаторов,  магнитопро-  7

водов  электрических  машин,  реле  и  т.д. Магнитотвердые  мате-

риалы  трудно  размагничиваются,  обладают  большим  запасом маг-

нитной энергии; их используют для  изготовления постоянных магни-

тов и устройств для записи и  хранения информации.

 

19.

ДИЭЛЕКТРИ́ЧЕСКИЕ ПОТЕ́РИ, часть  энергии электрического поля, необратимо преобразующаяся в теплоту в  диэлектрике т. е. диэлектрические потери — это электрическая мощность, затрачиваемая на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле.  
Диэлектрические потери, часть энергии переменного электрического поля в диэлектрической среде, которая переходит в тепло. При изменении значения и направления напряжённости Е электрического поля диэлектрическая поляризация также меняет величину и направление; за время одного периода переменного поля поляризация дважды устанавливается и дважды исчезает. Если диэлектрик построен из молекул, которые представляют собой диполи (полярные молекулы) или содержит слабо связанные ионы, то ориентация таких частиц или смещение в электрическом поле (ориентационная поляризация) требуют определённого времени (время релаксации). В результате максимум поляризации не совпадает во времени с максимумом напряжённости поля, т. е. имеется сдвиг фаз между напряжённостью поля и поляризацией. Благодаря этому имеется также сдвиг фаз между напряжённостью электрического поля Е и электрической индукцией D, который и обусловливает потери энергии We. Переходя к векторному изображению величин, можно сказать, что вектор электрической индукции отстаёт от вектора электрического поля на некоторый угол d, который носит название угла диэлектрических потерь. Когда молекулы или ионы ориентируются полем, они испытывают соударения с др. частицами, при этом рассеивается энергия. Если время релаксации t во много раз больше, чем период Т изменения приложенного поля, то поляризация почти не успевает развиться и Д. п. очень малы. При малых частотах, когда время релаксации t значительно меньше периода Т, поляризация следует за полем и Д. п. также малы, т.к. мало число переориентаций в единицу времени. Д. п. имеют максимальное значение, когда выполняется равенство w = 1/t, где w — круговая частота электрического поля: w = 2p/T.

          

Т. к. реальные диэлектрики обладают некоторой  электропроводностью, то имеются потери энергии, связанные с протеканием  в них электрического тока (джоулевы потери), величина которых не зависит  от частоты.

Величина  Д. п. в диэлектрике, находящемся  между обкладками конденсатора, определяется соотношением:

W_e = U²wC tg d,

где U — напряжение на обкладках конденсатора, С — ёмкость конденсатора, tg d — тангенс угла диэлектрических  потерь. Д. п. в 1 см³ диэлектрика в однородном поле Е равны:

W_e = E²we tg d,

где e — диэлектрическая проницаемость.

Произведение e tg d называется коэффициентом Д. п. Уменьшение величины Д. п. имеет большое  значение в производстве конденсаторов  и электроизоляционной технике. Большие диэлектрические потери используются для диэлектрического нагрева в электрическом поле высокой частоты.

21. Проводниковые материалы

К этой группе материалов относятся металлы и  их сплавы. Чистые металлы имеют  малое удельное сопротивление. Исключением  является ртуть, у которой удельное сопротивление довольно высокое. Сплавы также обладают высоким удельным сопротивлением. Чистые металлы применяются  при изготовлении обмоточных и монтажных  проводов, кабелей и пр. Проводниковые  сплавы в виде проволоки и лент используются в реостатах, потенциометрах, добавочных сопротивлениях и т. д.

В подгруппе  сплавов с высоким удельным сопротивлением выделяют группу жароупорных проводниковых  материалов, стойких к окислению  при высоких температурах. Жароупорные, или жаростойкие, проводниковые  сплавы применяются в электронагревательных  приборах и реостатах. Кроме малого удельного сопротивления, чистые металлы  обладают хорошей пластичностью, т. е. могут вытягиваться в тонкую проволоку, в ленты и прокатываться в  фольгу толщиной менее 0,01 мм. Сплавы металлов имеют меньшую пластичность, но более  упруги и устойчивы механически. Характерной особенностью всех металлических  проводниковых материалов является их электронная электропроводность. Удельное сопротивление всех металлических  проводников увеличивается с  ростом температуры, а также в  результате механической обработки, вызывающей остаточную деформацию в металле.

Прокатку  или волочение используют в том  случае, когда нужно получить проводниковые  материалы с повышенной механической прочностью, например при изготовлении проводов воздушных линий, троллейных проводов .  

39. Витые сердечники  изготавливают из ленточной ( рулонной) электротехнической стали марок Э310 - 3330 преимущественно толщиной 0 2 мм. Одно из основных условий создания высокоэкономичных трансформаторов и электрических машин - применение для их изготовления высококачественной холоднокатаной трансформаторной стали, которая характеризуется меньшими удельными (ваттными) потерями и более высокой магнитной индукцией, .чем горячекатаная. Магнитная индукция холоднокатаной трансформаторной стали на 
25-30% выше, а удельные потери в 1,5-2 раза ниже, чем у горячекатаной. 
Применение высококачественной холоднокатаной трансформаторной стали в трансформаторах, в крупных электрических машинах и приборах уменьшает их массу и габариты, значительно сокращает потери электроэнергии, расход материалов и средств. 
Применение на заводах электротехнической промышленности рулонной трансформаторной стали вместо листовой позволяет значительно увеличить производительность труда в заготовительных цехах, обеспечивая механизацию и автоматизацию трудоемких операций штамповки и резки этой стали, сокращая на 
10-20% расход металла благодаря более рациональному раскрою деталей из рулона. Все это позволяет организовать изготовление витых сердечников значительного диапазона размеров. 
Обычно листовые заготовки из трансформаторной стали подвергают на заводах трансформаторостроения двух и трехкратной лакировке. Нанесение на заводах черной металлургии на поверхность стали электроизоляционной пленки позволяет не покрывать лаком заготовки для распределительных трансформаторов

Используются для изготовления:

трансформаторов общего назначения 
- автотрансформаторов 
- дросселей 
- трансформаторов для сварочных аппаратов 
- витых трансформаторов

41. Полупроводниковые материалы и изделия

К полупроводникам  относится большое количество материалов, отличающихся друг от друга внутренней структурой, химическим составом и  электрическими свойствами. Согласно химическому составу, кристаллические  полупроводниковые материалы делят  на 4 группы:

1. материалы, состоящие из атомов одного элемента: германий, кремний, селен, фосфор, бор, индий, галлий и др.;
2. материалы, состоящие из окислов металлов: закись меди, окись цинка, окись кадмия, двуокись титана и пр.;
3. материалы на основе соединений атомов третьей и пятой групп системы элементов Менделеева, обозначаемые общей формулой и называемые антимонидами. К этой группе относятся соединения сурьмы с индием, с галлием и др., соединения атомов второй и шестой групп, а также соединения атомов четвертой группы;
4. полупроводниковые материалы органического происхождения, например полициклические ароматические соединения: антрацен, нафталин и др.

Согласно  кристаллической структуре, полупроводниковые  материалы делят на 2 группы: монокристаллические  и поликристаллические полупроводники. К первой группе относятся материалы, получаемые в виде больших одиночных  кристаллов (монокристаллы). Среди них  можно назвать германий, кремний, из которых вырезают пластинки для  выпрямителей и других полупроводниковых  приборов.

Вторая  группа материалов — это полупроводники, состоящие из множества небольших  кристаллов, спаянных друг с другом. Поликристаллическими полупроводниками являются: селен, карбид кремния и  пр.

По величине удельного объемного сопротивления  полупроводники занимают промежуточное  положение между проводниками и  диэлектриками. Некоторые из них  резко уменьшают электрическое  сопротивление при воздействии  на них высокого напряжения. Это  явление нашло применение в вентильных разрядниках для защиты линий  электропередачи. Другие полупроводники резко уменьшают свое сопротивление  под действием света. Это используется в фотоэлементах и фоторезисторах. Общим свойством для полупроводников  является то, что они обладают электронной  и дырочной проводимостью.

Литература:

Сканави Г. И., Физика диэлектриков.

Физический энциклопедический  словарь.

Корицкий Ю.В. Справочник по электротехническим материалам.

Казанцев А.П. Электротехнические материалы.

Хиппель А. Р., Диэлектрики и их применение.

Теоретические основы электротехники.