Методические указания

Общие сведения о магнитных материалах изложены в [1].

Следует обратить большое внимание на электротехническую сталь, пермаллой, ферриты, магнитодиэлектрики и материалы специализированного назначения.

В [1] приведен материал о магнитотвердых материалах.

Особое внимание надо уделить сплавам «альни», «альниси», «альнико» и «магнико» (старые названия ) и ознакомиться с их новой маркировкой и свойствами. Сведения о магнитах из порошков магнитотвердых ферритов даны в [1].

                   

Тема 11. Основные свойства конструкционных материалов Содержание

Основные конструкционные материалы и их классификация. Физико-механические и химические свойства и характеристики материалов.

Зависимость свойств сталей от химического состава и содержания примесей. Маркировка сталей.

Основные свойства цветных металлов и сплавов. Области их применения и маркировка основных сплавов.

Неметаллические материалы, используемые в машино- и приборостроении. Классификация материалов. Область применения неметаллических материалов.

Методические указания

Изучение раздела следует начинать с рассмотрения кристаллического строения металлов, обратив внимание на основные типы кристаллических решеток, их параметров.

Рассматривая кристаллизацию сплавов, необходимо уяснить, что процесс кристаллизации начинается с образования центров кристаллизации и последующего роста кристаллитов. При этом возможны различные искажения кристаллических решеток, которые влияют на свойства сплава.

Все металлы и сплавы характеризуются определенными физическими, химическими, механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами. Изучите методы определения прочности, пластичности, твердости и ударной вязкости. Особое внимание обратите на технологические свойства конструкционных материалов: обрабатываемость, свариваемость, ковкость, литейные свойства, так как они определяют технологические методы получения заготовок деталей машин и их обработки.

Необходимо также изучить влияние примесей на свойства железоуглеродистых сплавов. Следует рассмотреть классификацию сталей по химическому составу и усвоить их маркировку.

В заключение раздела ознакомьтесь с основными свойствами цветных металлов и сплавов, областью их применения и маркировкой. Материал данной темы изложен в [3].

Задания на контрольные работы и вопросы для самопроверки Электроизоляционные материалы

1. В чем заключается различие полярных (дипольных) и неполярных веществ? Приведите примеры тех и других.

Что называется дипольным моментом молекулы и в каких единицах он измеряется?

2. Что называется поляризацией диэлектрика? Как количественно оценивается поляризация диэлектрика? Что называется диэлектрической проницаемостью, диэлектрической восприимчивостью, поляризуемостью частицы?

3. Укажите основные виды поляризации диэлектриков. Как классифицируются диэлектрики по виду поляризации?

4. Какова зависимость диэлектрической проницаемости жидких диэлектриков от частоты для неполярной и полярной жидкостей?

5. Какова зависимость диэлектрической проницаемости различных типов твердых диэлектриков от температуры и частоты?

6. Изложите особенности поляризации сегнетоэлектриков по сравнению с поляризацией обычных (линейных) диэлектриков.

7. Как определяется диэлектрическая проницаемость для смеси нескольких диэлектриков?

8. Укажите причины возникновения абсорбционного тока. Какова его зависимость от частоты?

9. Определите методом графического дифференцирования значения температурного коэффициента (ТКε) диэлектрической проницаемости полистирола при температурах –60 ^оC и +60 ^оС, воспользовавшись приведенным на рис. 1 графиком зависимости диэлектрической проницаемости полистирола от температуры.

10. Постройте график зависимости ТКε поливинилхлорида от температуры, воспользовавшись приведенным на рис. 2 графиком зависимости диэлектрической проницаемости от температуры.

11. Для получения пенопласта был использован полиуретан плотностью 1200 кг/м³, имеющий диэлектрическую проницаемость, рав-ную 4. Определите  пенопласта, если полиуретан составляет 40 % его массы.

Рис. 1. Зависимость диэлектрической проницаемости полистирола от температуры

Рис. 2. Зависимость диэлектрической проницаемости поливинилхлорида от температуры

12. Постройте график зависимости температурного коэффициента диэлектрической проницаемости (ТКε) канифоли от температуры, воспользовавшись приведенным на рис. 3 графиком зависимости диэлектрической проницаемости канифоли от температуры.

Рис. 3. Зависимость диэлектрической проницаемости

канифоли от температуры

13. Двухслойный диэлектрик работает под переменным напряжением 1 кВ. Слои имеют толщину 2 и 4 мм и соответственно состоят из полистирола и поливинилхлорида. Определите напряжение на обоих слоях и значения напряженности поля в них для любых двух случаев, когда температура равна: 1) –20 и +50 ^оС; 2) –40 и +20 ^оС; 3) –60 и +40 ^оС; 4) 0 и +60 ^оС. Значение диэлектрической проницаемости полистирола и поливинилхлорида при заданных температурах возьмите из рис. 1 и рис. 2.

14. Двухслойный диэлектрик включен под переменное напряжение. Напряжение на первом слое составляет 6, на втором 12 кВ. Толщина слоев соответственно равна 1 и 4 мм. Определите диэлектрическую проницаемость первого слоя, если диэлектрическая проницае-мость второго слоя равна: 1) 5; 2) 4; 3) 6; 4) 7; 5) 8.

15. Чем объясняется падение тока в твердом диэлектрике при включении его под напряжение? С чем связаны быстрые и медленные процессы этого падения в однородном диэлектрике?

16. Объясните зависимость удельной проводимости твердых диэлектриков от напряжения.

17. На две противоположные грани кубика из микалекса с ребром 20 мм нанесены слои металла, служащие электродами, через которые кубик включается в электрическую цепь. Определите величину установившегося тока через кубик при постоянном напряжении 2 кВ, если удельное объемное сопротивление микалекса 10¹¹ Ом·м, а удельное поверхностное сопротивление 5·10¹⁰ Ом.

18. Определите удельное объемное сопротивление диэлектрика плоского конденсатора, если известно, что ток через конденсатор при постоянном напряжении 10 кВ равен 5·10^–7 А. Толщина диэлектрика h мм; площадь обкладок с каждой стороны 25 см² (поверхностной утечкой пренебрегайте); h равно : 1) 0.2 мм; 2) 0.3 мм; 3) 0.4 мм.

19. Полый цилиндр из диэлектрика с наружным диаметром 50 мм, внутренним диаметром 35 мм и высотой 125 мм зажат между металлическими электродами, к которым приложено напряжение 1500 В постоянного тока.

Определите ток, протекающий через цилиндр и потери мощности в нем, если диэлектриком является: 1) полиэтилен; 2) полистирол; 3) поливинилхлорид; 4) эпоксидная смола; 5) фенолформальдегидная смола.

Значение удельного объемного сопротивления возьмите из [1], табл. 6-3, с. 123. Величину удельного поверхностного сопротивления примите в 10 раз меньше табличного значения _V.

20. Как изменяется tg  неполярной и полярной жидкостей при изменениях температуры и частоты?

21. Дайте объяснение наличия двух максимумов в графике зависимости tg  от температуры для изоляционной бумаги, пропитанной масляно-канифольным компаундом (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость от температуры tg  бумаги,

пропитанной масляно-канифольным компаундом

22. Когда будут в изоляционном материале потери больше: при постоянном или переменном токе и почему?

23. Диэлектрик плоского конденсатора имеет следующие характеристики: _V = 10¹³ Ом·м; tg  = 0.001;  = 5. Размер обкладок конденсатора 5·5 см², толщина диэлектрика 22 мм. Определите величину тока утечки и рассеиваемую в диэлектрике конденсатора мощность при постоянном напряжении 5 кВ.

24. Между плоскими электродами помещен двухслойный диэлектрик, один из слоев имеет относительную диэлектрическую проницаемость ₁, проводимость ₁ и толщину d₁, а другой соответственно: ₂, ₂, d₂. Этот диэлектрик подключен на постоянное по времени напряжение с величиной V = 1 кВ. Требуется определить величину напряженностей в обоих слоях при времени t = 0 и t =  и построить график распределения потенциала между электродами. При решении задачи учесть, что один электрод заземлен, а другой – изолирован. При решении пользуйтесь табл. 1.

25. Определите ток утечки и рассеиваемую в диэлектрике конденсатора мощность при постоянном напряжении 1 кВ, а также рассеиваемую в диэлектрике конденсатора мощность при переменном напряжении 1 кВ и частоте 1 кГц, если толщина диэлектрика 2 мм, а размер обкладок конденсатора 2 ·3 см. Значение V и tg  возьмите из [1] и [3]. Поверхностной утечкой пренебрегите.

Варианты: 1) диэлектрик слюда (мусковит);

2) диэлектрик слюда (флогопит);

3) диэлектрик рутил (окись титана).

26. На две противоположные грани кубика из полистирола с ребром 20 мм нанесены слои металла, служащие электродами. Определите величину установившегося тока через кубик при постоянном напряжении 2 кВ, если удельное объемное сопротивление полистирола 10¹⁵ Ом·м, а удельное поверхностное сопротивление 4·10¹⁵ Ом.

27. Двухслойный диэлектрик включен под переменное напряжение. Напряжение на первом слое составляет 4 кВ, а на втором слое –

8 кВ. Толщина слоев 2 и 6 мм соответственно. Определите диэлектрическую проницаемость второго слоя, если диэлектрическая проницаемость первого слоя равна 7.

28. Между плоскими электродами помещен двухслойный диэлектрик, один из слоев имеет диэлектрическую проницаемость ₁ и толщину d₁, а другой ₂ и d₂. Определите величину напряженности поля на каждом слое при переменном напряжении 10 кВ. Постройте график распределения потенциала в конденсаторе. При решении пользуйтесь табл. 1.

Таблица 1

Вари- анты задачи	1	2	3	4	5	6	7	8
d1, см	0.5	1.0	1.5	2.0	2.5	3.0	3.5	4.0
d2, см	1.0	1.5	2.0	2.5	3.0	3.5	4.0	4.5
1	1.0	2.0	3.0	4.0	5.0	6.0	7.0	8.0
1	4.0	5.0	6.0	7.0	8.0	9.0	10.0	2.0
1, Ом–1·м–1	0.5·10–6	1.0·10–6	1.5·10–6	2.5·10–6	3.0·10-6	3.5·10–6	3.5·10-6	3.5·10–6
2, Ом–1·м–1	0.5·10–6	1.0·10–6	1.5·10–6	2.5·10–6	3.0·10–6	3.5·10-6	3.5·10–6	4.0·10–6

29. Между плоскими электродами помещен двухслойный диэлектрик, один из слоев имеет проводимость ₁ и толщину d₁, а другой ₂ и d₂. Определите величину напряженности поля на каждом слое при постоянном напряжении 10 кВ спустя час после подачи напряжения. Постройте график распределения потенциала в конден-саторе. В табл. 1 указаны толщина d₁ и d₂ и проводимость ₁ и ₂ соответственно вашему варианту.

30. Медный провод сечения 10 мм² имеет поливинилхлоридную изоляцию толщиной 1 мм, снабженную в целях экранировки медной оплеткой.

Определите потери мощности в изоляции на 10 м провода при температурах 50 и 20 С и частотах 50 и 400 Гц, если напряжение между жилой и заземленной оплеткой равно 220 В. Диэлектрическую проницаемость поливинилхлорида возьмите на рис. 2. Величину tg  поливинилхлорида при 20 С примите равной 0.05, а при – 50 C равной 0.1.

31. Какова зависимость электрической прочности газов от рас-стояния между электродами и от формы последних

32. Как влияют на величину пробивного напряжения длительность приложения напряжения, температура и форма электрического поля при электрическом и электротепловом характере пробоя

33. Имеются два плоских конденсатора рис. 5

а воздушный с расстоянием между электродами 4 мм

б двухслойный, в котором изоляция состоит из слоя воздуха толщиной 3 мм и пластины толщиной 1 мм из твердого диэлектрика с диэлектрической проницаемостью 5 и электрической прочностью 75 МВм. Постройте график распределения напряженности электри-ческого поля в конденсаторе без твердого диэлектрика и с ним при напряжении на обкладках 6 кВ эффективное значение.

Рис. 5. Схема воздушных конденсаторов

34. Диэлектрик плоского конденсатора имеет слоистую структуру, образованную последовательно соединенными пленками полистирола и поливинилхлорида. Определите  смеси, если  полистирола 2.5, а  поливинилхлорида равна 5. Объемное содержание поливинилхлорида относится к объемному содержанию полистирола как 4  1.

35. Диэлектрик конденсатора представляет собой тесную смесь двух керамических материалов Т-80 и ультрафарфора. Каково должно быть соотношение составных частей, чтобы температурный коэффициент диэлектрической проницаемости смеси был равен нулю Чему равна диэлектрическая проницаемость такой смеси Примите для материала Т-80   80 и ТК  7 · 10^-4 град ^–1, для ультрафарфора   8 и ТК  1 · 10^–4 град ^–1.

Примечание. При решении этой задачи нужно пользоваться 1.

36. Постройте график зависимости диэлектрической проница-емости пористого политетрафторатилена от его объемного веса, имея в виду, что для сплошного, не имеющего пор политетрафторатилена диэлектрическая проницаемость равна 2.0, а плотность  2.3 гсм³.

37. Какие электроизоляционные материалы отличаются высокой гигроскопичностью Какими способами можно уменьшить гигро-скопичность

38. Опишите классы нагревостойкости электрической изоляции по ныне действующему стандарту.

39. Какое практическое значение имеет теплопроводность электро-изоляционных материалов В каких единицах измеряется удельная теплопроводность 

40. Чем отличаются органические диэлектрики от неорганических Назовите по 2-3 органических и неорганических диэлектрика и укажите их основные характеристики, в частности, допустимую рабочую температуру.

41. Укажите известные вам газы, обладающие повышенной по сравнению с воздухом электрической прочностью, и их основные особенности.

42. Что представляет собой трансформаторное масло Укажите его основные особенности как электроизоляционного материала и как охлаждающей среды.

43. Опишите свойства совола в сравнении со свойствами транс-форматорного масла. Какова связь электроизоляционных свойств совола с его химическим составом

44. Чем объясняется технико-экономическая целесообразность максимального расширения производства и использования синтети-ческих электроизоляционных полимеров

45. Укажите различие процессов полимеризации и поликон-денсации.

46. Опишите свойства гетинакса, его технологию, укажите область применения.

47. Укажите, какими преимуществами обладает стеклотекстолит в сравнении с обычным текстолитом, и приведите данные, подтверж-дающие его преимущество.

48. Что представляет собой текстолит, какие материалы входят в его состав, какими свойствами он обладает и какова его технология

49. Какие пропитывающие составы применяются при изготовле-нии лакотканей

50. Чем отличаются друг от друга термопластичные и термо-реактивные смолы Назовите несколько тех и других смол и кратко опишите их свойства.

51. Укажите свойства и области применения в электротехнике важнейших полиэфирных смол.

52. Опишите способности эпоксидных смол и укажите область их применения.

53. Укажите основные виды кремнийорганических электро-изоляционных материалов, их преимущества, недостатки и возможности.

54. Охарактеризуйте фторорганические электроизоляционные материалы фторопласт-4, фторопласт-3.

55. Опишите важнейшие природные смолы и возможности испльзования их в электроизоляционной технике.

56. Какие масла являются высыхающими В чем состоит сущность процесса высыхания растительных масел

57. В чем заключается отличие лаков от компаундов Для чего применяются и те и другие в электроизоляционной технике

58. Какую лакоткань – черную или светлую – следует исполь-зовать при изготовлении изоляции маслонаполненного транс-форматора

59. Опишите важнейшие виды лакотканей. К каким классам нагревостойкости они относятся

60. Опишите важнейшие виды синтетических и искуственных гибких пленок, укажите области их применения в электро-изоляционной технике.

61. Дайте определение и классификацию электроизоляционных пластических масс. Каковы основные составные части пластмасс В чем заключаются особенности без наполнителя

В чем заключается сущность процесса вулканизации каучука Для чего применяется вулканизация Что такое эскапон Каковы его свойства

63. Как получается стекловолокно Опишите его свойства в срав-нении со свойствами других известных вам волокнистых материалов и укажите области применения.

64. Какие материалы называются керамическими Укажите важнейшие типы и области применения керамических электроизоля-ционных матариалов.

65. Для чего и каким образом производится глазуровка фарфора

66. Где применяются слюда и изделия на ее основе Дайте класси-фикацию слюды по свойствам и назначению.

67. Укажите особенности и области применения керамических материалов с особо диэлектрической проницаемостью, в том числе сегнетокерамических материалов.

68. Укажите основные виды миканитов (включая микалеты и микафолии), их свойства (обратите внимание на классы нагревостойкости) и области применения.

69. Какая изоляция называется оксидной и как она получается на различных металлах и сплавах? Укажите возможности применения оксидной изоляции в электро- и радиопромышленности.

70. Что такое пластические массы? Какие компоненты входят в их состав? Дайте характеристику этих компонентов.

71. Опишите свойства и область применения неорганических диэлектрических пленок.

72. Что такое пресспорошки? Как получают из них изделия?

73. Укажите свойства пластмасс, получаемых на основе эпоксидных, полиэфирных и кремнийорганических смол.

74. Перечислите известные вам эластомеры, их особенности и электрофизические свойства. Где они применяются?