Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Реферат'
Даний акт застосовується для оформлення операцій по зарахуванню об’єктів до складу основних засобів і для обліку ведення їх в експлуатацію. Його запов...полностью>>
'Автореферат'
Защита состоится « 6 » марта 2008 г. в ч. на заседании Диссертационного совета Д.209.001.02 в Дипломатической академии МИД России по адресу: Москва, ...полностью>>
'Урок'
Цели: 1) познакомить учащихся с основными особенностями классицизма как литературного направления 2) в ходе анализа «Оды на день восшествия…» М. В. Ло...полностью>>
'Пояснительная записка'

Курс лекций по дисциплине: «Электротехнические материалы»

Главная > Курс лекций
Сохрани ссылку в одной из сетей:

Краткий курс лекций

по дисциплине:

«Электротехнические материалы»

Составил преподаватель: Молчанова Н.А.

ВВЕДЕНИЕ

Цели и задачи изучения предмета. Значение предмета и его связь с другими специальными предметами.

Современный научно-технический прогресс неразрывно связан с раз­работкой и освоением новых материалов. Именно материалы стали ключевым звеном, определяющим успех многих инженерных решений при создании электротехнического оборудования и электронной аппаратуры. Поэтому изучению материалов отводится значительное место.

Программой предмета «Электротехнические материалы» предусматривается изучение свойств, областей применения, способов получения конструкционных и электротехнических материалов, применяемых в электротехнических устройствах.

Изучение предмета основывается на знаниях, полученных по общеобразовательным предметам и теоретическим основам электротехники. В свою очередь он является базой для изучения специальных предметов «Электрические измерения», «Основы промышленной электроники», «Основы автоматики и микропроцессорной техники», «Электрические машины» и других профилирующих предметов.

Для закрепления теоретических знаний и приобретения необходимых практических навыков и умений программой предусматривается выполнение 10 лабораторных работ.

В результате изучения предмета учащиеся

ДОЛЖНЫ ЗНАТЬ:

  • Механические, электрические, тепловые и физико-химические характеристики конструкционных и электротехнических материалов;

  • Физико-химические процессы, определяющие основные свойства материалов;

  • Строение конструкционных и электротехнических материалов;

  • Способы получения конструкционных и электротехнических материалов;

  • Области применения конструкционных и электротехнических материалов, перспективы их развития.

ДОЛЖНЫ УМЕТЬ:

  • Выбирать конструкционные и электротехнические материалы в соответствии с условиями применения;

  • Пользоваться контрольно-измерительными приборами, материалами, инструментами при выполнении работ с учетом требований безопасности труда;

  • Определять свойства и характерные особенности материалов;

  • Пользоваться каталогами, справочной литературой, первоисточниками.

Материаловедение - наука, занимающаяся изучением состава, структуры, свойств материалов, поведением материалов при различных воздействиях: тепловых, электрических, магнитных и т.д., а также при сочетании этих воздействий.

Ряд материалов традиционны для любого из разделов материаловедения, в первую очередь, это конструкционные материалы.

Электротехническое материаловедение - это раздел материаловедения, который занимается материалами для электротехники и энергетики, т.е. материалами, обладающими специфическими свойствами, необходимыми для конструирования, производства и эксплуатации электротехнического оборудования.

Классификация электротехнических материалов, основные области применения.

Материалы, используемые в электронной технике, подразделяют на электротехнические, конструкционные и специального назначения.

Электротехническими называют материалы, характери­зуемые определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике с учетом этих свойств.

Практически, различные материалы подвергаются воздействиям как отдельно электрических или магнитных полей, так и их совокупности. По поведению в магнитном поле электротехнические материалы подразделяют на сильномагнитные (магнетики) и слабомагнитные. Первые нашли особенно широкое применение в технике благодаря их магнитным свойствам.

По поведению в электрическом поле материалы подразделяют на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические.

Проводниковыми называют материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропроводность. Их применение в технике обусловлено в основном этим свойством, определяющим высокую удельную электрическую проводимость при нормальной температуре.

Диэлектрическими называют материалы, основным электриче­ским свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Реаль­ный диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводи­мость и чем слабее у него выраже­ны замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением теплоты.

Полупроводниковыми называют материалы, являющиеся по удель­ной проводимости промежуточными между проводниковыми и диэлект­рическими материалами и отличи­тельным свойством которых яв­ляется сильная зависимость удель­ной проводимости от концентрации и вида примесей или различных де­фектов, а также в большинстве слу­чаев от внешних энергетических воздействий (температуры, осве­щенности и т. п.).

Большинство электротехнических материалов можно отнести к слабомагнитным или практически немагнитным. Однако и среди маг­нетиков следует различать проводящие, полупроводящие и практичес­ки непроводящие, что определяет частотный диапазон их применения.

вые материалыры металлов и сплавов.

ие рисунки, графики, диаграммы;Условно к проводникам относят материалы с удельным электри­ческим сопротивлением ρ < 10-5 Ом·м, а к диэлектрикам — материа­лы, у которых ρ > 108 Ом·м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10-8 Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 1016 Ом·м.

Удельное сопротив­ление полупроводников в зависимости от строения и состава материа­лов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах 10-5—108 Ом·м.

При применении диэлектриков — одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов — довольно четко определи­лась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов.

Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, т. е. с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от земли). Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора определенной емкости и наимень­ших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость.

Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, ма­териалы для излучателей в лазерной технике, электреты и др.

Хорошими проводниками электрического тока яв­ляются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причем двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства.

Но кроме элементарных веществ сущест­вуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Четкую границу между значениями удельного сопротивления различных клас­сов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полу­проводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектри­кам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут прояв­лять свойства полупроводников.

Здесь также следует выделить целый громадный класс материалов не по признаку их функционирования, а по составу. Это композиционные материалы.

Композиционные материалы - материалы, состоящие из нескольких компонент, выполняющих разные функции, причем между компонентами существуют границы раздела.

Примеры композиционных материалов - стеклопластик (стержни и трубы), стеклотекстолит листовой, материалы для контактов (смеси электропроводного и тугоплавкого металлов). Сочетание двух или более материалов позволяет использовать сильные стороны каждого из материалов. При этом свойства композита, далеко не всегда являются промежуточными между свойствами компонентов. В ряде случаев улучшаются характеристики, либо появляется материал с принципиально новыми характеристиками.

Современные достижения науки в области производства электротехнических и конструкционных материалов и перспективы их развития.

Совокупность научно-технических знаний о физико-химической природе, методах исследования и изготовления различных материалов составляет основу материаловедения, ведущая роль которого в настоя­щее время широко признана во многих областях техники и промышлен­ности. Успехи материаловедения позволили перейти от использования уже известных к целенаправленному созданию новых материалов с заранее заданными свойствами.

Стихийными материаловедами были еще древние люди, например, научившиеся делать каменные наконечники или топоры из определенных камней со слоистой структурой. Технический прогресс человечества во многом основан на материаловедении. В свою очередь технический прогресс дает новые возможности, методы, приборы для материаловедения, позволяет создавать новые материалы.

Практика постоянно предъявляет все более жесткие и разнообраз­ные требования к свойствам и сочетанию свойств у материалов. Соот­ветственно растет количество и номенклатура материалов. В настоящее время число наименований материалов, применяемых в электротехнике для различных целей, составляет несколько тысяч.

Обязательная литература

Дополнительная литература

Раздел 1 ОСНОВЫ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ

Тема 1.1 Основные сведения о металлах и сплавах

В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место.

Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества: и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике.

Причина этого - в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.

Железный век продолжается. Примерно 9/10 всех используемых человечеством металлов и сплавов – это сплавы на основе железа. Железа выплавляется в мире примерно в 50 раз больше, чем алюминия, не говоря уже о прочих металлах.

Было время, когда железо на земле ценилось значительно дороже золота. Советский историк Г. Арешян изучал влияние железа на древнюю культуру стран Средиземноморья. Он приводит такую пропорцию: 1 : 160 : 1280 : 6400. Это соотношение стоимостей меди, серебра, золота и железа у древних хеттов.

До настоящего времени основной материальной базой машиностроения служит черная металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы имеют много положительных качеств и в первую очередь обеспечивают высокую конструкционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки как большая плотность, низкая коррозионная стойкость. Потери от коррозии составляют 20% годового производства стали и чугуна. Поэтому, по данным научных исследований, через 20…40 лет все развитые страны перестроятся на массовое использование металлических сплавов на базе титана, магния, алюминия. Эти легкие и прочные сплавы позволяют в 2-3 раза облегчить станки и машины, в 10 раз уменьшить расходы на ремонт.

Кристаллическое строение металлов. Характерные свойства металлов. Виды кристаллических решеток, дефекты их строения.

Металлы – простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свой­ствами:

  • специфический «металлический» блеск (хорошая отражательная способность и непрозрачность);

  • высокая электропроводность;

  • высокая теплопроводность;

  • пластичность;

  • отрицательный температурный коэффициент электропроводности (возрастание электросопротивления с повышением температуры).

Самыми распространенными в природе металлами являются алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний и титан.

Характерные свойства металлов обусловлены строением их атомов.

Из курса физики известно, что атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заря­женных частичек - электронов. В ядре атома находятся положи­тельно заряженные частицы - протоны. Количество протонов рав­но количеству окружающих ядро электронов, т. е. атом в целом является электрически нейтральным.

Атом может терять или приобретать электроны. Тогда он пре­вращается в электрически заряженный атом — ион. При избытке электронов ион заряжен отрицательно, при недостатке электро­нов — положительно.

Принадлежащие атому электроны разделяют на валентные (внешние), движущиеся по внешним орбитам, и внутренние, дви­жущиеся по более близким к ядру орбитам.

Благодаря слабой связи внешних электронов с ядром в метал­лах всегда имеются электроны, подвергающиеся воздействию по­ложительно заряженных ядер близлежащих атомов. Такие электроны называются свободными. Свободные электроны принадлежат не одному какому-либо ядру, а блуждают по всему металлу, вра­щаясь вокруг ядра то одного, то другого иона.

Наличием большого количества свободных электронов (называемых также коллективными или «электронный газ») и объясняются указанные вы­ше характерные признаки металлов.

В отличие от металлов неметаллы, как правило, хрупки, ли­шены металлического блеска, имеют низкую тепло- и электропро­водность. Электросопротивление неметаллов с повышением тем­пературы понижается.

Все металлы в нормальных условиях являются твёрдыми телами (за исключением ртути) и представляют собой вещества, состоящие из большого числа мелких зёрен – кристаллов, упорядоченно расположенных друг относительно друга в пространстве. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решётка.

Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Основными типами кристаллических решёток являются:

1) Объемно - центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис.1 а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, Feα)

2) Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 1 б), атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней (Cu, Al, Ag, Au, Feγ)

3) Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:

простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);

плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).

Рисунок 1 - Основные типы кристаллических решеток: а – объемно-центрированная кубическая;

б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная

 

Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом.

Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe): t<911°С – ОЦК - Feα; 911< t <1392°С – ГЦК - Feβ; 1392< t >1539°С – ОЦК - Feσ.

Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз.

Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.

В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Различают точечные, линейные и поверхностные дефекты.

Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей (рис. 2).

Рисунок 2 - Точечные дефекты

Вакансия – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки.

Дислоцированный атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие.

Примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов и располагаются в узлах решетки или междоузлиях.

Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к изменению свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом состоянии. При перемещении по материалу дефекты могут взаимодействовать.

Основными линейными дефектами являются дислокации.

Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей. Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые.

  

Рисунок 3 - Искажения в кристаллической решетке при наличии краевой дислокации

Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее механическое напряжение, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки.

Физические, химические, механические и технологические свойства металлов.

Чтобы правильно выбрать материал для определённых целей, необходи­мо знать свойства металлов. Так, например, для изготовления режущих инструментов требуются прочные, твердые и износоустойчивые металлические мате­риалы.

Физические свойства металлов и сплавов определяются цве­том, удельным весом, плотностью, температурой плавления, тепло­вым расширением, тепло- и электропроводностью, а также магнит­ными свойствами.

Физические свойства металлов характеризуются определенными числовыми значениями, которые приведены в таблице 1.

Таблица 1



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Курс лекций по дисциплине «проектирование вагонных депо и вагоноремонтных заводов»

    Курс лекций
    Термины «вагонное депо» и «вагоноремонтный завод» в силу их единого функционального назначения можно для дальнейшего изложения представить единым термином «вагоноремонтное предприятие» (ВРП).
  2. Курс лекций по дисциплине концепции современного естествознания введение

    Курс лекций
    Наука– это один из древнейших, важнейших и сложнейших компонентов человеческой культуры. Наука - это и целый многообразный мир человеческих знаний, который позволяет человеку преобразовывать природу и приспосабливать ее для удовлетворения
  3. Курс лекций по дисциплине «Компьютерные сети и телекоммуникации» для студентов факультета «Менеджмент» Николаев 2003 г

    Курс лекций
    Курс лекций посвящен компьютерным сетям, даны основные понятия сетевой терминологии, описаны виды архитектуры, приводится описание топологии и методов доступа.
  4. Курс лекций по дисциплине: «Охрана окружающей среды и энергосбережение» Городок 2011

    Курс лекций
    Курс лекций по дисциплине: «Охрана окружающей среды и энергосбережение» составлен для учащихся специальностей: 2-74 06 01 «Техническое обеспечение процессов сельскохозяйственного производства»; 2-74 06 06 «Материально-техническое
  5. Курс лекций по дисциплине «Информационные сети»

    Курс лекций
    Локальные сети (Local Area Networks, LAN), позволяющие предприятиям, применяющим в своей производственной деятельности компьютерные технологии, повысить эффективность коллективного использования одних и тех же ресурсов,

Другие похожие документы..