2. Электротехнические материалы
Задание 2.1
Пластина из диэлектрика размером aхbтолщинойhрасположена между электродами, как показано на рис.2. Размеры электродовcхd..
Поскольку размеры пластины диэлектрика больше размеров электродов, то поверхностной утечкой между обкладками можно пренебречь. Для постоянного напряжения в условиях установившегося режима через диэлектрик протекает ток сквозной проводимости (ток утечки), вызванный движением свободных зарядов.
Сопротивление диэлектрика
,
где R– сопротивление диэлектрика, Ом;
ρ – удельное объемное сопротивление диэлектрика, Ом∙м;
h– толщина диэлектрика, м;
S– площадь электродов, м2.
Ток утечки через диэлектрик:
,
где I– ток утечки, А;
U– напряжение, приложенное к диэлектрику, В.
Полные потери в диэлектрике при постоянном напряжении можно определить по формуле:
,
где Р – мощность потерь, Вт;
U- напряжение, В;
I– ток утечки, А.
Для постоянного напряжения поле считать равномерным, поэтому удельные потери можно определить делением полных потерь на объем диэлектрика:
,
где Р – полные потери, Вт;
V– объем диэлектрика.
Затем переходим к определению потерь при переменном напряжении. Потери в диэлектрике для переменного тока с частотой fравны:
,
где Р – потери, Вт;
ω=2πf– угловая частота, с-1;
f– частота переменного тока, Гц;
С – емкость, Ф;
tgδ– тангенс угла диэлектрических потерь.
Емкость плоского конденсатора:
,
где С – емкость конденсатора, Ф;
ε0 = 8,85∙10-12Ф/м – диэлектрическая проницаемость;
ε – относительная диэлектрическая проницаемость;
S– площадь электродов, м2;
h– толщина диэлектрика, м.
Постоянная времени конденсатора, С∙Rопределяют в секундах.
Удельные потери можно найти по формуле :
где Е=U/h– напряженность поля, кВ/м
,
где γа– удельная объемная активная проводимость Ом-1∙м-1.
Произведение ε∙tgδназывается коэффициентом диэлектрических потерь данного материала. Данные для расчета приведены в табл. 8.
Таблица 8
|
Велич. и един. измерения |
Номер варианта по последней цифре шифра | |||||||||
|
Вариант |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
а, мм |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
110 |
120 |
130 |
140 |
|
b, мм |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
110 |
120 |
130 |
140 |
|
h, мм |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
U, кВ |
10 |
9 |
8 |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
|
f1, Гц |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
|
f2, МГц |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
с, мм |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
110 |
120 |
|
d, мм |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
110 |
120 |
|
ρ∙10-14, Ом∙м |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
55 |
|
ε |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
2,5 |
6 |
3,5 |
7 |
4,5 |
|
tgδ∙10-2 |
10 |
1 |
20 |
2 |
30 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
Необходимо определить ток утечки, полную величину потерь мощности в диэлектрике, постоянную времени конденсатора, коэффициент диэлектрических потерь, а также удельные потери для двух случаев:
- для постоянного напряжения;
- для переменного напряжения частотой f1иf2.
Более подробно с диэлектриками можно ознакомиться в рекомендованном списке литературы /6,с. 43-58/, /7,с. 130-144/, /16,с. 22-26/.
Задание 2.2
Между плоскими электродами помещена пластина диэлектрика толщиной h. Определить пробивное напряжение диэлектрика при электротепловом пробоеUпр.эффдля двух частотf1иf2, при рабочей температуре 50○С.
Пробивное напряжение плоского однородного диэлектрика в случае теплового пробоя при переменном токе можно определить по формуле
,
где Uпр– пробивное напряжение (эффективное значение), кВ;
λ – коэффициент теплопроводности диэлектрика, Вт/(м∙К);
ε – диэлектрическая проницаемость;
tgδ50– угол диэлектрических потерь при температуре 50оС;
α – величина характеризующая темп роста потерь при повышении температуры, К-1;
С – безразмерный параметр, характеризующий условия отвода тепла из диэлектрика через электроды в окружающую среду.
При расчете безразмерного параметра С можно пренебречь тепловым сопротивлением металлических электродов, т.е. считать электроды очень тонкими и принять толщину каждого электрода равной нулю. Тогда:
,
где σ = 13 Вт/(м2∙К) – коэффициент теплоотдачи электродов в окружающую среду;
h– толщина диэлектрика, м.
Значение функции φ(с) определяется по графику /6,с. 72/.
Температурная зависимость ε ∙ tgδ может быть выражена экспонентой
,
где ε1, ε2,tgδ1,tgδ2– значения диэлектрической проницаемости и угла диэлектрических потерь при температурах θ1и θ2.
Таким образом, для вычисления характеризующей данный материал величины α необходимо знать значения ε ∙ tgδ материала при двух различных температурах. Практически можно пренебречь изменяемостью ε от температуры, как значительно менее резко выраженной по сравнению с температурной зависимостьюtgδ и определять α из уравнения:
,
Зная значение α, можно определить tgδ для любой температуры. Электрическая прочность материала диэлектрика определяется из формулы:
,
где U– пробивное напряжение, кВ;
h– толщина диэлектрика, м.
Численные значения величин, необходимых для расчета даны в табл. 9.
Таблица 9
|
Велич. и един. измерения |
Номер варианта по предпоследней цифре шифра | |||||||||
|
Вариант |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
tgδ20∙ 10-2 |
1,2 |
1,4 |
1,6 |
1,8 |
2,0 |
2,2 |
2,4 |
2,6 |
2,8 |
3,0 |
|
tgδ60∙ 10-2 |
2,4 |
2,6 |
2,9 |
3,1 |
3,2 |
3,5 |
3,7 |
3,8 |
4,1 |
4,2 |
|
λ,Вт/(мК)10-2 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
|
h∙10-2,м |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
12 |
18 |
22 |
14 |
8 |
|
f1 , Гц |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
|
f2 , кГц |
0,5 |
1,0 |
1,5 |
2,0 |
2,5 |
3,0 |
3,5 |
4,0 |
4,5 |
5,0 |
|
ε |
2 |
2,5 |
3 |
3,5 |
4 |
4,5 |
5 |
5,5 |
6 |
6,5 |
Более подробно можно ознакомиться в рекомендованном списке литературы /6,с. 69-72/, /7,с. 150-152/, /16,с. 27-32/.
В таблице: tgδ20- тангенс угла диэлектрических потерь приt=20○С;tgδ60- тангенс угла диэлектрических потерь приt=60○С.
Задание 2.3
При выборе диэлектрика для конкретного применения
следует учитывать не только электрические, но так же и физико-механические, тепловые и химические свойства.
Указать, какие свойства двух названных в таблице 10 материалов определяются их электрическими характеристиками (ε,ρ, tgδ , Епр) и характеристиками, обозначенными в таблице. Необходимо кратко описать физический смысл и практическое значение этих свойств, привести единицы измерения и величины этих характеристик.
Для твердых диэлектриков указать класс нагревостойкости. Необходимо также указать область применения, преимущества и недостатки диэлектрика.
Наименование диэлектриков и обозначение их физико-механических характеристик приведены в табл. 10.
Более подробно со свойствами диэлектриков можно ознакомиться в рекомендованном списке литературы /6,с. 88-185/, /7,с. 165-207/, /16,с. 38-58/.
В таблице:αn – удельная ударная вязкость;
σр– предел прочности при растяжении;
σс– предел прочности при сжатии;
σи– предел прочности при изгибе;
tН – наибольшая допустимая рабочая температура;
tВ– температура вспышки;
tn– температура плавления;
λ – коэффициент теплопроводности;
∆l/l– относительное удлинение при разрыве;
ν – кинематическая вязкость;
α1–температурныйкоэффициент линейного расширения;
D– плотность.
Таблица 10
|
Номер варианта последней цифре шифра |
Наименование диэлектрика |
Буквенные обозначения характеристик |
|
0 |
Трансформаторное масло |
ν, tn |
|
1 |
Полихлорвинил |
σр,tn |
|
2 |
Полистирол |
αn,tn |
|
3 |
Полиэтилен |
σр,tn |
|
4 |
Поливинилацетат |
D, σр |
|
5 |
Фторопласт-4 |
σр,tn |
|
6 |
Эпоксидные полимеры |
α1, σр |
|
7 |
Шестифторитсая сера |
D, tккн |
|
8 |
Фторорганические жидкости |
D, ν |
|
9 |
Полиэтилентерефталаня |
∆l/l, λ |
|
0 |
Слюда мусковит |
σс,tН |
|
1 |
Стеклотекстолит |
σр, tН |
|
2 |
Изоляционная резина |
∆l/l,tН |
|
3 |
Коллекторный миканит |
σс,tН |
|
4 |
Фарфор |
α1, σс |
|
5 |
Гетинакс |
σр, λ |
|
6 |
Стеатитовая керамика |
α1, σр |
|
7 |
Асбест |
σр,tН |
|
8 |
Микалекс |
D, tН |
|
9 |
Слюда флагонит |
σс, tН |
Задание 2.4
В качестве проводниковых материалов применяются металлы и их сплавы, также жидкости. Область применения проводников зависит от электрических, тепловых и механических свойств. Различают материалы высокой проводимости, сплавы высокого сопротивления, контактные материалы, материала для пайки, материалы для термопар, материалы и сплавы для электровакуумной техники и электроугольные изделия.
В задаче необходимо указать область применения, описать основные свойства и привести характеристики указанных материалов, их преимущества и недостатки. Для сплавов указать их состав.
Таблица 11
|
Номер варианта по пред-последней цифре шифра |
Наименование проводникового материала |
|
0 |
Ртуть,электротехническийуголь |
|
1 |
Алюминий, нихром Х15Н60 |
|
2 |
Медь, твердый припой ПСр – 25 |
|
3 |
Серебро, манганин |
|
4 |
Латунь, вольфрам |
|
5 |
Цинк, копель |
|
6 |
Свинец, константант |
|
7 |
Палладий, фехраль Х131О4 |
|
8 |
Молибден, припой ПОС-18 |
|
9 |
Бронза, станнид ниобия |
Задание 2.5
Все полупроводниковые материалы могут быть подразделены на полупроводниковые элементы и полупроводниковые химические соединения. Разнообразные свойства полупроводников обусловили широкое применение полупроводниковых приборов в различных областях.
В здании необходимо кратко описать технологию получения указанного полупроводникового материала, его основные характеристики и область применения.
Наименования полупроводниковых материалов приведены в табл. 12.
Подробно с полупроводниковыми материалами необходимо ознакомиться в списке рекомендованной литературы /6,с. 251-267/,/7,с.94-107/,/16,с.67-73/.
Таблица 12
|
Номер варианта по предпоследней цифре шифра |
Наименование полупроводникового материала |
|
0 |
Германий ГЭС 0.4/0.3 |
|
1 |
Германий ГДГ 1.0/0.6 |
|
2 |
Кремний КЭФ1/0.15 |
|
3 |
Карбид кремния SiC |
|
4 |
Селен |
|
|
|
|
Продолжение таблицы 12 | |
|
Номер варианта по предпоследней цифре шифра |
Наименование полупроводникового материала |
|
5 |
Арсенид галлия GaAs |
|
6 |
Кремний КДБ 1.25/0.2 |
|
7 |
Гемиоксид(закись)меди Cu2O |
|
8 |
Cернистый свинец PbS |
|
9 |
Антимонит индия InSb |
Задание 2.6
Способность намагничивания ферромагнитных материалов во внешнем магнитном поле и их коэрцитивная сила определяет область применения магнитных материалов.
В задаче необходимо построить зависимость магнитной индукции В от напряженности поля Н для магнитомягких и магнитотвердых материалов. Зависимость В=f(H) является основной характеристикой ферромагнитных материалов. Для магнитотвердых-кривой размагничивания. Кривая намагничивания лежит в первом квадранте, кривая размагничивания - во втором. Для магнитомягкого материала необходимо определить индукцию насыщения, для магнитотвердого-остаточную индукцию и коэрцитивную силу. Описать основные характеристики и область применения материала.
Наименования материалов и значения В и Н приведены в табл.13
Таблица13
|
Номер по последней цифре шифра |
Наименование магнитомяг- кого материала |
Значения Н в А/м и В вТл |
|
0 |
Карбонильное железо |
Н 10 20 30 40 60 80 100 В 1,18 1,3 1,38 1,43 1,52 1,58 1,6 |
|
1 |
Электротехническая сталь1211 |
Н 171 261 397 502 1440 2500 31000 В 0,5 0,7 0,9 1,0 1,3 1,5 2,0 |
|
|
|
|
|
|
|
Продолжение таблицы 13 |
|
Номер по последней цифре шифра |
Наименование магнитомяг- кого материала |
Значения Н в А/м и В вТл |
|
2 |
Электротехническая сталь 1513 |
Н 96 148 325 414 1080 3850 23000 В 0,4 0,6 0,9 1,0 13 1,5 1,8 |
|
3 |
Пермалой 79НМ |
Н 10 30 50 100 300 500 В 0,53 0,66 0,69 1,73 1,77 1,78 |
|
4 |
Электротехническая сталь3413 |
Н 81 130 182 275 390 800 1500 В 0,6 0,8 1,0 1,3 1,6 1,7 1,8 |
|
5 |
Электротехническая сталь 2411 |
Н 48 53 72 116 192 410 600 760 В 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,9 |
|
6 |
Электротехни-ческая сталь 2013 |
Н 52 60 124 185 320 520 1150 2670 В 0,4 0,6 0,8 1,0 1,3 1,5 1,7 1,9 |
|
7 |
Литая сталь, поковки-Ст3 |
Н 80 240 400 584 798 924 1290 4100 В 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,0 1,2 1,6 |
|
8 |
Пермаллой 50НХС |
Н 10 30 50 100 300 500 В 0,2 0,53 0,76 1,05 1,24 1,28
|
|
9 |
Альсифер |
Н 1000 2000 3000 4000 5000 6000 В 0,08 0,18 0,21 0,26 0,3 0,34 |
Таблица 14
|
Номер по предпоследней цифре шифра |
Наименование магнитотвердого материала |
Значения Н в А/м и В вТл |
|
0 |
Сплав ЮН14ДК24 |
Н 0 15 30 40 43 44 В 1,2 1,17 1,0 0,67 0,28 0 |
|
|
|
|
|
|
|
Продолжение таблицы 14 |
|
Номер по предпоследней цифре шифра |
Наименование магнитотвердого материала |
Значения Н в А/м и В вТл |
|
1 |
Сплав ЮН14ДК25БА |
Н 0 10 20 40 60 62 В 1,28 1,26 1,23 1,15 0,56 0 |
|
2 |
Металлокерамика ММК-3 |
Н 0 10 20 40 60 62 В 1,28 1,26 1,23 1,15 0,56 0
|
|
3 |
Феррит 3БА |
Н 0 20 30 40 80 120 155 В 0,37 0,35 0,33 0,3 0,26 0,2 0 |
|
4 |
Феррит 1БИ |
Н 0 40 100 140 180 217 В 0,3 0,25 0,17 0,11 0,05 0 |
|
5 |
Сплав. ЮНДК35Т5 |
Н 0 20 60 80 100 120 В 0,83 0,72 0,59 0,47 0,29 0 |
|
6 |
Металлокерамика ММК-10 |
Н 0 30 50 70 90 100 В 0,8 0,68 0,57 0,42 0,19 0 |
|
7 |
Феррит 7БИ215 |
Н 0 20 40 80 100 119 В 0,19 0,17 0,14 0,08 0,05 0 |
|
8 |
Феррит 1,5КА |
Н 0 10 30 60 100 120 140 В 0,25 0,24 0,21 0,16 0,1 0,05 0 |
|
9 |
Феррит3БА |
Н 0 10 30 60 100 120 140 В 0,25 0,24 0,21 0,16 0,1 0,05 0 |
Более подробно со свойствами магнитных материалов необходимо ознакомиться в рекомендуемом списке литературы /6,с. 267-298/, /10,с. 95-22/, /11,с. 117-214/, /16,с. 74-81/.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.
1. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учеб. пособие / под ред. В.С. Чередниченко. 3-е изд. М.: ОМЕГА-Л, 2007. 752с.
2. Лахтин Ю.М. Материаловедение: учебник для высших учебных заведений / Ю.М. Лахтин, В.Л. Леонтьева. М.: Машиностроение, 1990. 528с.
3. Материаловедение: учебник для высших технических учебных заведений / под общ. ред. Б.Н.Арзамасова. М.: Машиностроение, 1980. 384с.
4. Гуляев А.П. Материаловедение: Учебник для высших учебных заведений / А.П. Гуляев. М.: Металлургия. 1986. 544с.
5. Конструкционные материалы: Справочник / под общ.ред. В.Н. Арзамасова. М.: Машиностроение, 1990. 648с.
6. Богородицкий Н.П. Электротехнические материалы / Н.П. Богородицкий, В.В. Пасынков, В.М. Тареев. 7-е изд. Л.: Энергия, 1985. 304с.
7. Электроматериалы / под. ред. Б.М. Тареева. М.: Высш. шк., 1978. 336с.
8. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов / Б.М. Тареев, М.: Энегрия, 1982. 320с.
9. Справочник по электротехническим материалам / под ред. Ю.В. Корицкого. М-Л.: Энергия, 1974. Т.1 583с., Т.2. 685с., Т.3. 896с.
10. Преображенский А.А. Магнитные материалы и элементы / А.А. Преображенский. М.: Высшая школа, 1976. 336с.
11. Преображенский А.А. Магнитные материалы и элементы / А.А. Преображенский, Е.Г. Биннард. М: Высш. шк., 1986. 352с.
12. Технология конструкционных материалов / под ред. А.М. Дальского. М.: Машиностроение, 1990. 352с.
13. Материаловедение и технология металлов: учебник для вузов/ Ю.П. Солнцев и др. М.: Металлургия, 1988. 512с.
14. Пасынков В.В. Материалы электронной техники: учебник для вузов / В.В. Пасынков, В.С. Сорокин. СПб.: Лань, 2001
15. Перцев Ю.А. Материаловедение и обработка материалов: учебное пособие / Ю.А. Перцев. Воронеж: Кварта, 2002. 80с.
16. Перцев Ю.А. Электротехнические материалы: учебное пособие / Ю.А. Перцев. Воронеж: Кварта, 2002. 80с.
СОДЕРЖАНИЕ
|
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………… |
1 |
|
Содержание дисциплины………………………… |
1 |
|
ЗАДАНИЯ НА КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ……………… |
5 |
|
1. Конструкционные материалы………………………….. |
5 |
|
Задание 1.1………………………………………………….. |
5 |
|
Задание 1.2………………………………………………….. |
6 |
|
Задание 1.3………………………………………………….. |
7 |
|
Задание 1.4………………………………………………….. |
9 |
|
Задание 1.5………………………………………………….. |
9 |
|
Задание 1.6………………………………………………….. |
10 |
|
2. Электротехнические материалы………………………... |
11 |
|
Задание 2.1………………………………………………….. |
11 |
|
Задание 2.2………………………………………………….. |
14 |
|
Задание 2.3………………………………………………….. |
16 |
|
Задание 2.4………………………………………………….. |
17 |
|
Задание 2.5………………………………………………….. |
18 |
|
Задание 2.6………………………………………………….. |
19 |
|
Библиографический список…………………….. |
22 |
Методические указания и контрольные задания
по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» для студентов специальностей 110302 «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» и 140601 «Электромеханика» заочной формы обучения
Составители:
Перцев Юрий Алексеевич
Зеленская Светлана Геннадьевна
В авторской редакции
Подписано в печать 15.12.2010
Формат 60х84/16. Бумага для множительных аппаратов.
Усл. печ. л. 1,6. Уч. изд. л. 1,4. Тираж 100 экз. «С»376.
Заказ № 578
ГОУВПО “Воронежский государственный технический университет”