- •Автор-составитель: ручкина любовь григорьевна канд. Техн. Наук, доцент кафедры ЭиЭ
- •1. Цель и задачи дисциплины
- •2. Содержание дисциплины
- •Введение
- •Общие сведения о строении вещества
- •Перечень тем лекционных занятий Примерный объем в часах
- •Диэлектрики
- •2.4. Проводниковые и сверхпроводниковые материалы
- •2.5. Полупроводниковые материалы
- •2.6. Магнитные материалы
- •5. Информационно-методическое обеспечение дисциплины
- •5.1. Основная
- •5.2. Дополнительная
- •6. Краткие методические рекомендации к самостоятельной работе
- •190401 – Электроснабжение железных дорог (энс)
- •190402 – Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте (атс)
- •1.1. Что такое материал, материаловедение, электротехническое материаловедение.
- •1.2. Роль материалов в современной технике.
- •1.3. Основные типы материалов, применяемых в энергетике и электротехнике, композиционные материалы.
- •1.1. Что такое материал, материаловедение, электротехническое материаловедение.
- •1.2. Роль материалов в современной технике, в частности в энергетике.
- •1.3. Основные типы материалов, применяемых в энергетике и электротехнике, композиционные материалы.
- •Характеристики композиционных материалов
- •Лекция 2 Электрофизические характеристики материалов. Электропроводность.
- •2.1. Основное уравнение электропроводности.
- •2.2. Электропроводность проводников, полупроводников и диэлектриков
- •2.3. Проводимость жидких диэлектриков и электролитов.
- •2.1. Основное уравнение электропроводности.
- •2.2. Электропроводность проводников, полупроводников и диэлектриков.
- •2.3. Проводимость жидкостей и электролитов.
- •Лекция 3 Электрофизические характеристики материалов. Диэлектрическая и магнитная проницаемости.
- •3.1. Диэлектрическая проницаемость и электрические поля в диэлектриках.
- •3.2.. Магнитная проницаемость и магнитные поля.
- •3.1. Диэлектрическая проницаемость материалов.
- •Лекция 4 Теплофизические и механические характеристики материалов.
- •4.1. Понятие температуры. Характерные температуры (плавления, кипения, Кюри, и т.П.) Температуростойкость материалов. Теплостойкость материалов.
- •4.2. Теплоемкость, теплопроводность, температурные коэффициенты материалов.
- •4.3. Механические свойства материалов. Удлинение, деформация, модуль упругости. Разрушающие напряжения при различных видах нагрузки.
- •4.1. Понятие температуры. Характерные температуры (плавления, кипения, Кюри, и т.П.) Температуростойкость материалов. Теплостойкость материалов.
- •4.2. Теплоемкость, теплопроводность, температурные коэффициенты материалов.
- •4.3. Механические свойства материалов. Удлинение, деформация, модуль упругости. Разрушающие напряжения при различных видах нагрузки.
- •Лекция 5 Конструкционные материалы.
- •5.1. Общие свойства конструкционных материалов.
- •5.2. Конструкционные стали.
- •5.3. Цветные металлы и сплавы.
- •5.4. Бетон. Железобетон.
- •Лекция 6 Проводниковые материалы
- •6.1. Общие свойства проводников. Температурный коэффициент сопротивления, потери, нагрев проводников.
- •6.2. Материалы для проводов. Медь, алюминий.
- •6.3. Материалы для контактов.
- •6.4. Материалы с малым температурным коэффициентом сопротивления. Материалы для термопар.
- •Лекция 7 Слабопроводящие материалы
- •7.1. Электропроводность полупроводников и слабопроводящих материалов.
- •7.2. Резистивные материалы. Углеродные композиты, бетэл, эком, электропроводящие полимеры.
- •7.3. Материалы с нелинейной проводимостью. Оцк, позисторная керамика , силит, вилит.
- •7.1. Электропроводность полупроводников и слабопроводящих материалов.
- •7.2. Резистивные материалы. Углеродные композиты, бетэл, эком, электропроводящие полимеры.
- •7.2.1 Металлические резистивные материалы
- •7.2.2. Графит. Бетэл
- •7.2.3 Материал «эком» для резисторов и обогревателей
- •7.2.4. Электропроводящие полимеры
- •7.3. Материалы с нелинейной проводимостью. Оцк, силит, вилит.
- •Лекция 8 Электропроводность и потери в диэлектриках
- •8.1. Диэлектрическое и резистивное состояние вещества.
- •8.2. Особенности электропроводности для различных агрегатных состояний.
- •8.3. Проводимость неоднородных диэлектриков.
- •8.4. Диэлектрические потери.
- •Лекция 9 Процессы в диэлектриках под действием сильных электрических полей
- •9.1. Элементарные процессы в газах. Лавина, стример, лидер.
- •9.2. Пробой в жидкостях. Эмпирические зависимости электрической прочности. Роль газовых пузырьков.
- •9.3. Пробой твердых диэлектриков. Электрический пробой. Тепловой пробой. Частичные разряды.
- •9.1. Элементарные процессы в газе. Лавина, стример, лидер.
- •9.2. Пробой жидкостей
- •Закономерности импульсного пробоя жидкости
- •9.3. Электрический пробой твердых диэлектриков
- •Лекция 10 Газообразные и жидкие диэлектрики
- •10.1. Газообразные диэлектрики.
- •10.1.1. Основные характеристики.
- •10.1.2. Электроотрицательные газы, применение газообразных диэлектриков.
- •10. 2. Жидкие диэлектрики.
- •10.2.1. Общие свойства.
- •10.2.2. Используемые и перспективные жидкие диэлектрики.
- •Лекция 11 твердые диэлектрики
- •11.1. Общие характеристики твердых диэлектриков.
- •11.2. Виды диэлектриков. Применение твердых диэлектриков в энергетике.
- •11.3. Свойства наиболее применяемых диэлектриков.
- •11.3.1. Полимерные материалы.
- •11.3.2. Бумага и картон.
- •11.3.3. Материалы для изоляторов.
- •11.3.4. Слюдяные материалы.
- •Лекция 12 Магнитные материалы
- •12.1. Общие характеристики магнитных материалов. Определения. Кривая намагничивания, гистерезис, индукция насыщения, коэрцитивная сила. Магнитомягкие и магнитотвердые материалы. Магнитные потери.
- •12.2. Виды магнитных материалов. Применение магнитных материалов в энергетике. Свойства наиболее применяемых материалов. Электротехнические стали. Ферриты. Магнитодиэлектрики.
- •12.1. Общие характеристики магнитных материалов.
- •12.2. Виды магнитных материалов. Применение магнитных материалов в энергетике. Свойства наиболее применяемых материалов. Электротехнические стали. Ферриты. Магнитодиэлектрики.
- •Лекция 13 Сверхпроводящие материалы
- •13.2. Низкотемпературные сверхпроводники.
- •13.3. Сверхпроводящая керамика.
- •13.1. Принцип сверхпроводимости. Влияние магнитного поля
- •13.2. Низкотемпературные сверхпроводники
- •13.3. Сверхпроводящая керамика
- •Лекция 14 Долговечность и старение материалов в условиях воздействующих факторов
- •14.1. Природные факторы старения.
- •14.2. Техногенные факторы старения.
- •14.3. Коррозия металлов и композитов. Электрокоррозия. Защита от коррозии.
- •14.1. Природные факторы старения
- •14.2. Техногенные факторы старения.
- •14.3. Коррозия материалов.
- •Медь свинец сталь в бетоне сталь в грунте алюминий цинк.
- •Лекция 15 Испытания материалов
- •15.1. Подготовка образцов и условия испытаний
- •15.2. Поддержание и контроль условий испытания.
- •15.3. Электрические испытания.
- •15.3.1. Определение общих и удельных сопротивлений образцов.
- •15.3.2. Определение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь на низких частотах.
- •15.3.3. Определение электрической прочности.
- •15.3.4. Определение стойкости к внешним электрическим воздействиям.
- •15.3.5. Определение параметров статической электризации.
- •15.4. Тепловые испытания.
- •15.5. Механические испытания.
- •Методические указания для студентов по дисциплине «Материаловедение»
- •Требования к оформлению контрольной работы
- •Правила техники безопасности при проведении лабораторных работ
- •«Исследование ферромагнитных материалов»
- •Основные положения и соотношения:
- •Порядок выполнения работы:
- •Часть 1. Экспериментальное определение вах катушки индуктивности с замкнутым магнитопроводом
- •Часть 2. Расчетное определение параметров кривой намагничивания ферромагнитного материала сердечника катушки индуктивности с учетом параметров магнитопровода
Лекция 10 Газообразные и жидкие диэлектрики
10.1. Газообразные диэлектрики.
10.1.1. Основные характеристики.
10.1.2. Электроотрицательные газы, применение в энергетике.
10.2. Жидкие диэлектрики. Применение в энергетике.
10.2.1. Общие свойства.
10.2.2. Используемые и перспективные жидкие диэлектрики.
В лекциях 10 и 11 будут рассмотрены вопросы, касающиеся основных свойств и применения диэлектриков. При этом больше будет уделено внимания общим сведениям и информации о новых перспективных материалах, получение конкретных сведения о свойствах конкретных материалов предполагаются из справочников по электротехническим материалам.
10.1. Газообразные диэлектрики.
10.1.1. Основные характеристики.
Основные характеристики газов, как диэлектриков, это диэлектрическая проницаемость, электропроводность, электрическая прочность. Кроме того, зачастую важны теплофизические характеристики, в первую очередь теплопроводность.
Диэлектрическую проницаемость газов очень просто рассчитать по формуле e = 1+n(a+m23¤kT)/e0, где n- число молекул с поляризуемостью a и дипольным моментом m в единице объема. Обычно значение e близко к 1, отличие от единицы можно обнаружить в 3-4 знаке после запятой. Причина этого - малое число молекул в газовой фазе n.
Электропроводность газов обычно не хуже 10-13 См/м, причем, как было показано во второй лекции, основным фактором вызывающим проводимость в не очень сильных полях, является ионизирующее излучение. Вольт-амперная характеристика имеет три характерные зоны - омическое поведение, насыщение, экспоненциальный рост. Диэлектрические потери незначительны и их стоит учитывать только в третьей области.
Электрическая прочность у газов, сравнительно с прочностью жидкостей и твердых диэлектриков, невелика и сильно зависит как от внешних условий, так и от природы газа. Обычно пробивные характеристики разных газов сопоставляют при нормальных условиях (н.у.). Эти условия - давление 1 атм, температура 20 °С, электроды, создающие однородное поле, площадью 1 см2, межэлектродный зазор 1 см. Воздух при н.у. имеет электрическую прочность 30 кВ/см. Коэффициент к, показывающий отношение электрической прочности газа к электрической прочности воздуха составляет для некоторых газов, используемых в технике: водород - к = 0.5, гелий - к = 0.2, элегаз к = 2.9, фреон-12 - к = 2.4, перфторированные углеводородные газы к = (4-10),.
Теплопроводность газов l также невелика по сравнению с теплопроводностью твердых тел и жидкостей, наибольшее ее значение l= 0.2 Вт/(м×К) - у водорода. Для наиболее популярных газов l= 0.03 Вт/(м×К)--воздух, l= 0.012 Вт/(м×К) - элегаз. Для сравнения - у алюминия l= 200 Вт/(м×К).
Максимальные температуры эксплуатации газов определяются либо разложением молекул газа (характерно для сложных молекул), либо увеличением электропроводности до перехода из диэлектрического до резистивного состояния за счет ионизации и диссоциации молекул газа под действием тепловой энергии. Характерные температуры для второго варианта - порядка и более тысячи градусов.