Тюлькина Любовь Михайловна

Рабочая тетрадь по "Электроматериаловедению"

Материал опубликован 24 September

Модуль 5. Электроматериаловедение.

Оцениваемые знания и умения:

Знать: электротехнические материалы и их применение

Тема 1.1. Введение. Общие сведения о металлах и сплавах. Проводниковые материалы. Полупроводниковые материалы.

2. Продолжительность занятия – 2 часа.

3. Форма организации учебного занятия – лекции с элементами обсуждения и демонстрацией наглядных материалов, приборов, инструментов. Постановка проблемных вопросов, совместный поиск правильных решений.

4. Цель обучения: ознакомиться с классификацией электроматериалов по электрическим и магнитным свойствам, основными свойствами и характеристиками проводниковых материалов; свойствами и характеристиками полупроводников и их применением

5.Материально-техническое обеспечение занятия: интерактивный комплекс, раздаточные материалы (схемы, рисунки, тесты)

6. Методическое и дидактическое обеспечение занятия: наглядные пособия, плакаты. Microsoft Office, Power Point

7. Информационный комплекс.

Краткие теоретические сведения:

Для производства электрических машин, аппаратов и другого электрооборудования используют специальные материалы, обладающие определенными электрическими или магнитными свойствами. В зависимости от этого электротехнические материалы разделяют на четыре группы: проводниковые, полупроводниковые, магнитные и электроизоляционные.

Проводниковые материалы отличаются большой удельной электрической проводимостью и используются в электрических устройствах в качестве проводников электрического тока: обмотки и контакты в электрических машинах, аппаратах и приборах, провода и кабели для передачи и распределения электрической энергии.

Полупроводниковые материалы занимают по удельной проводимости промежуточное место между проводниками и диэлектриками.

Магнитные материалы отличаются способностью усиливать магнитное поле, в которое их помещают, т. е. обладают большой магнитной проводимостью. Они используются для изготовления магнитопроводов в электрических машинах и трансформаторах, для экранирования магнитного поля и других целей.

Электроизоляционные материалы (диэлектрики) отличаются очень малой удельной электрической проводимостью. Диэлектрики служат для изоляции друг от друга различных токопроводящих деталей, находящихся под разными потенциалами.

Основные свойства и характеристики проводниковых материалов

Механические свойства.
К механическим свойствам относят твердость, упругость, вязкость, пластичность, линейное расширение, хрупкость, прочность, усталость.
1. Твердость
Твердость - это способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела.
2.Упругость - это свойство материала восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил, которые вызывают их изменение.
3.Вязкость - это способность материала оказывать сопротивление динамическим (быстровозрастающим) нагрузкам. Вязкость оценивают с помощью прибора, который называется маятниковым копром.
4.Ударная вязкость - это способность материала оказывать сопротивление ударным нагрузкам. Испытаниям на ударную вязкость подвергают те материалы, из которых изготавливают сталь, применяемую в условиях ударных нагрузок.
5. Пластичность - это свойство материала деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия этих сил.
6. Температурный коэффициент линейного расширения ТКl – это коэффициент, который позволяет определять изменения любых геометрических размеров изделий (длины, ширины, толщины) при нагревании.
7. Хрупкость - это способность материалов разрушаться при приложении резкого динамического усилия.
8. Прочность - это способность материала сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь. Прочность определяют с помощью статического воздействия (растяжения) на материал на специальных испытательных установках, называемых разрывными машинами.
9. Усталость - это разрушение материала под действием небольших повторных или знакопеременных нагрузок (вибраций). Такие нагрузки испытывают, например, контакты, пружины.

Из 104 элементов таблицы Менделеева 79 являются металлами, 25 – неметаллами, из которых 13 химических элементов обладают полупроводниковыми свойствами и 12 – диэлектрическими. Основное отличие полупроводников состоит в том, что их электропроводность значительно возрастает при повышении температуры. При низких температурах они ведут себя подобно диэлектрикам, а при высоких — как проводники. Этим полупроводники отличаются от металлов: сопротивление металла растёт пропорционально увеличению температуры.

Другим отличием полупроводника от металла является то, что сопротивление полупроводника падает под действием света, в то время как на металл последний не влияет. Также меняется проводимость полупроводников при введении незначительного количества примеси.

Полупроводники встречаются среди химических соединений с разнообразными кристаллическими структурами. Это могут быть такие элементы, как кремний и селен, или двойные соединения, как арсенид галлия. Многие органические соединения, например полиацетилен (СН)n, – полупроводниковые материалы.

8. Задачи, упражнения, вопросы для самостоятельной работы слушателей.

Задание 1.Сравните материалы, укажите их отличительные внешние признаки.

Материал	Отличительные внешние признаки
медь
алюминий
сталь
цинк
бронза
латунь

Задание 2. Дайте сравнительную характеристику свойств проводниковых материалов, применяемых для изготовления проводов.

_________________________________________________________________

Задание 3. Приведите основные виды термической обработки металлов и сплавов:

_________________________________________________________________

Задание 4. Заполните схему «Классификация сталей по назначению»

Задание 5. Определите вид проводникового материала по следующему описанию:

а) Светло-серый тугоплавкий металл, обладает наиболее высокой температурой плавления (3380 ºС), имеет очень большую плотность, применяется в вакуумной технике ____________________________________

б) Металл серебристо-белого цвета с температурой плавления 658 ºС, отличающийся малой твердостью и сравнительно небольшой механической прочностью при растяжении ______________________________________

Задание 6. Дайте ответы на вопросы.

1.Какой сплав используется для размыкающих контактов?

______________________________________________________________

2. Дайте определение – коррозия

______________________________________________________________

3. Неметаллический композиционный материал на основе полимеров (смол) называется …______________________________________________________

4. Какие материалы называют электротехническими?

______________________________________________________________

5.Как классифицируются электротехнические материалы по магнитным свойствам?

______________________________________________________________

6.В чем особенность полупроводников?

______________________________________________________________

9. Обобщение и заключение по теме.

Сделайте вывод о том, какие знания и как вам пригодятся в практической деятельности

10. Список используемых источников для слушателей и для преподавателей

- Основы материаловедения: учебник Î-753 для студ. учреждений сред. проф. образования / [В. Н. Заплатин, Ю. И. Сапожников, А. В. Дубов и др.] ; под ред. В. Н. Заплатина. — 8-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия», 2017 — 272 с.

- Маслов Ю.Н., Ситов Н.Н., Жукова М.Н. Электротехническое и конструкционное материаловедение: учебное пособие/ ВШТЭ СПбГУПТД. – СПб., 2019 – 109 с.

- Электроматериаловедение: учебник для НПО/Л.В.Журавлева.- 9-е изд., стер.- М.:Издательский центр «Академия», 2013.

Тема 1.2. Диэлектрические материалы. Магнитные материалы. Электроизоляционные материалы.

.2. Продолжительность занятия – 2 часа.

4. Цель обучения: ознакомиться с классификацией и характеристикой диэлектриков, магнитными и электроизоляционными материалами.

6. Методическое и дидактическое обеспечение занятия: наглядные пособия, плакаты. Microsoft Office, Power Point

7. Информационный комплекс.

Краткие теоретические сведения:

Свойства диэлектриков.
Для нормальной и безопасной работы токоведущие части электрического оборудования должны быть изолированы друг от друга. Изоляция обеспечивается специальными диэлектрическими материалами (диэлектриками). Диэлектрики практически не проводят электрический ток. Они защищают проводники от механических повреждений, влаги и воздуха.

Если к диэлектрику приложить напряжение, превышающее предельно допустимое, он начнет проводить электрический ток. Это явление называется пробоем диэлектрика, а напряжение, при котором происходит пробой, — пробивным. Способность диэлектрика сопротивляться пробою характеризует его электрическую прочность.

Пробой может произойти в результате нагрева диэлектрика и его термического разрушения. В месте пробоя образуется канал, имеющий повышенную проводимость.

Кроме этого, диэлектрики должны обладать высоким удельным электрическим сопротивлением, иметь небольшую величину диэлектрических потерь, обладать морозо- и влагостойкостью, химической стойкостью и определенными механическими свойствами.

По агрегатному состоянию диэлектрики подразделяются на газообразные, жидкие, твердеющие и твердые.

К газообразным диэлектрикам относятся воздух и все газы. Наиболее важным свойством газов является их способность восстанавливать электрическую прочность после разряда.

Воздух, азот и другие газы используют в качестве диэлектриков в газонаполненных конденсаторах, воздушных выключателях высокого напряжения и других электрических устройствах.

Воздух окружает различные электрические установки, их детали и узлы. Он является основным изолирующим материалом в воздушных конденсаторах, на участках воздушных линий электропередачи.

По сравнению с воздухом наибольшую электрическую прочность имеют фреон, элегаз (шестифтористая сера), углекислый газ. Для заполнения электровакуумных приборов и ламп применяют инертные газы: аргон, неон, гелий и др.

В качестве жидких диэлектриков используют минеральные нефтяные масла и синтетические жидкости.

Нефтяные масла по назначению подразделяются на трансформаторные, кабельные и конденсаторные. Трансформаторное масло заливают в силовые трансформаторы и высоковольтные выключатели.

В качестве твердых диэлектриков применяются пластмассы, резины, древесина, бумага, ткани, а также неорганические диэлектрики.

Основные характеристики электроизоляционных материалов

В электрических машинах и аппаратах токоведущие части надежно изолируют одну от другой и от окружающих деталей. Например, проводники обмотки якоря должны быть изолированы друг от друга и от сердечника якоря, витки обмоток возбуждения — один от другого, а также от полюсов и остова машины и т. д. Для изоляции токоведущих деталей между ними и соседними деталями прокладывают материалы, практически не проводящие электрического тока (диэлектрики). Такие материалы называют электроизоляционными. В их основе лежат как органические, так и неорганические вещества с соответствующими добавками для пропитки и склеивания. В современном электромашиностроении и аппаратостроении широко применяют разнообразные изоляционные материалы. Все они отличаются друг от друга электрическими, механическими и химическими свойствами. Важнейшими электрическими характеристиками электроизоляционных материалов являются электрическая прочность, удельное электрическое сопротивление (объемное и поверхностное), диэлектрическая проницаемость и значение диэлектрических потерь. Однако для практических целей немаловажное значение имеют и другие характеристики этих материалов: механическая прочность, гибкость и эластичность, нагревостойкость, морозостойкость, гигроскопичность, химическая стойкость и т. п.

Магнитные материалы обладают способностью при внесении их в магнитные поля намагничиваться, а некоторые из них сохраняют свою намагниченность и после прекращения воздействия магнитного поля.

В электрических машинах и аппаратах они играют роль проводников магнитного потока (магнитопроводы). Они же могут служить источниками магнитного потока. Магнитные материалы являются основой современных генераторов, двигателей, трансформаторов, приборов автоматики и измерительной техники. От качества магнитных материалов зависят габариты электрических машин и их мощность на единицу веса.

К магнитным материалам относятся железо, никель, кобальт и сплавы на их основе. Основными магнитными материалами являются магнитные стали и сплавы. Они подразделяются на две группы:

— магнитотвердые — для изготовления постоянных магнитов (хромистые и хромокобальтовые стали);

— магнитомягкие — легко перемагничиваются в переменном магнитном поле, их применяют для изготовления сердечников (маг- нитопроводов) вращающихся электрических машин, трансформаторов, электромагнитов и в измерительных приборах, когда необходимо достигнуть наибольшей индукции при наименьшей затрате энергии.

8. Задачи, упражнения, вопросы для самостоятельной работы слушателей.

Задание 1. Дайте ответы на вопросы.

1.Как называется устройство, изображенное на рисунке и какие материалы могут быть использованы в качестве диэлектрика в данных устройствах?

_________________________________________________________________

2.Из какого материала изготавливается изоляционная лента?

_________________________________________________________________

3.Какими могут быть электроизоляционные лаки?

1).________________________________________

2).________________________________________

3).________________________________________

4.Дайте определение: компаунд – это…

_________________________________________________________________

5.Приведите примеры диэлектриков

Твердые	Жидкие	Газообразные

6. Какими явлениями сопровождается пробой диэлектрика?

____________________________________________________________________________________________________________________________________

7. Каковы причины нагрева электрической изоляции?

____________________________________________________________________________________________________________________________________

8. Приведите примеры ферромагнитных материалов:

____________________________________________________________________________________________________________________________________

9. Иногда в слое воздуха, непосредственно соприкасающемся с поверхностью проводов высокого напряжения, наблюдается характерное светло-фиолетовое свечение. Как называется это явление и почему возникает?

____________________________________________________________________________________________________________________________________

10. Определите вид и название диэлектрика по его описанию.

Это бесцветный, без запаха, не горючий газ, 5 раз тяжелее воздуха обеспечивает высокую степень изоляции при минимальных размерах и расстояниях, что позволяет уменьшить массу и габариты электротехнического оборудования.

__________________________________________________________________

9. Обобщение и заключение по теме.

Сделайте вывод о значении электроизоляционных материалов и их применении в электроустановках.

10. Список используемых источников для слушателей и для преподавателей

- Электроматериаловедение: учебник для НПО/Л.В.Журавлева.- 9-е изд., стер.- М.:Издательский центр «Академия», 2013.