Сокращенный курс лекций по предмету материаловедение для специальности «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования»

Введение

Для выполнения требований, которые предъявляются к электротехническим материалам, необходимо сотрудничество многих отраслей промышленностей, а именно:

-снабжение сырьем

-получение полуфабрикатов

-готовая продукция

Для этого необходимо сотрудничество с химией и металлургической промышленностью.

Изучив этот предмет, студент должен понять природу материалов, их особенности, область применения, понимать материалы справочников и гос. стандартов.

Все электротехнические материалы можно разделить на 4 группы:

-Проводники(твердое, жидкое, газообразное)

-Диэлектрики(твердое, жидкое, газообразное)

-Магнитные материалы(магнитотвердые, магнитомягкие)

-Полупроводники(органические, неорганические)

1. Проводниковый материал:

а) твердые проводники- широко используются металлы, их сплавы, а также модификация проводящего углерода. Сами металлы делятся на высокопроводимые и высокосопротивляемые.

б) к жидким проводникам относятся расплавы и электролиты

в) сверх проводники

2. Диэлектрики:

а) твердых больше всего, бывают:

-природные;

-синтетические;

-органические;

-неорганические;

-полярные и неполярные;

3. Полупроводники:

а) по типу проводимости

- n-электронная

- p-дырочная

б) по составу: органические и неорганические

в) по характеру электропроводности: электронные и ионные.

4. Магнитные материалы:

а) ферромагнитные

б) ферримагнитные.

Тема: Элементы ионной проводимости.

Цели урока: Изучить Элементы ионной проводимости.

1. Диэлектрик.

Валентные электроны связаны, запретная зона большая и этим электронам неоткуда взять энергию , чтобы преодолеть эту зону.

2. Полупроводник.

Запретная зона невелика, не более 3 ЭВ и при получении дополнительной энергии ( свет, тепло) валентные электроны преодолевают запретную зону и полупроводник проводит ток.

3. Проводник.

Запретная зона отсутствует, а валентная и зона проводимости накладываются друг на друга, т.е. валентные электроны свободно перемещаются в зону проводимости.

Тема: Магнитные материалы

Цели: Изучить магнитные материалы: - диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, ферримагнетики.

Любое вещество ,помещённое в магнитное поле намагничивается. Намагничивание веществ характеризуется:

В- (Тл)-магнитная индукция

Н- (А/м)- напряженность магнитного поля

Ф(Вб)-магнитныйпоток К_т- Коэффициент магнитной восприимчивости

µ₀- постоянная магнитная проницаемость (Гн/м)

µ_n-относительная магнитная проницаемость (Гн/м)

В соответствии с магнитными свойствами все материалы делятся:

- диамагнетики( газы, медь, цинк)

-парамагнетики;

-ферромагнетики(Имеют малое расстояние между незаполненными электронными оболочками возникает взаимодействие, в результате внешнего магнитного поля , материал намагничиваеться и при отсутствии поля намагничивание остается.)

-ферримагнетики(Пара и диамагнетики- это слабые магнитные материалы, а , Ферро и Ферри сильные.)

Тема: Процесс намагничивания и перемагничивания магнитных материалов( на примере ферромагнетиков)

Цель: Изучить петлю Гистерезиса, магнитомягкие материалы, магнитотвердые материалы, материалы высокой проводимости.

Петля Гистерезиса показывает зависимость изменения магнитной индукции от вызвавшей эти измения напряженностей.

Подаём постоянный ток, возникает магнитное поле, увеличивая ток, увеличивается напряженность (Н) определяемая законом полного тока. При плавном увеличении тока получим зависимость магнитной индукции (В) от напряженности (Н).

Участок 0-1- называется первичной намагниченностью. С определенного значения при росте напряженности магнитная индукция практически не растет. Отрезок 1-2 область технического насыщения. Если плавно после этого уменьшать ток , то напряженность и магнитная индукция будут уменьшаться, однако кривая не будет совпадать с первоначальной кривой намагничивания, а при Н=0 магнитная индукция будет иметь какое -то значение и называться остаточной индукцией. При изменении направлении тока на противоположное, магнитная индукция уменьшается до 0, а напряженность при этом будет иметь какое- то значение -Н_с задерживающая сила(коэрцетивная). Повторяя этот процесс несколько раз мы получим кривую замкнутую изменения индуктивности В при изменении напряженности Н от –Н_с до +Н_с, которое называется петлей гистерезиса. У магнитномягких материалов коэрцетивная сила мала и узкая( малая) петля гистерезиса. У магнитотвердых коэрцетивная сила большая и большая петля гистерезиса.

При намагничивании магнитных материалов наблюдается изменение их размеров и форм – это явление называется магнитострикцией, которая может быть объемной( т.е. изменение объема тела) и линейной (т.е. изменение размеров тела).

Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном связан с тепловыми потярями части магнитного поля, что внешне проявляется в нагревании метала.

По механизму возникновения различают потери на Гистерезис и динамические

Потери на Гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимым перемещением границ доменов.

Динамические потери которые учитывают в слабых магнитных полях, обусловлены вихревыми токами.

Магнитомягкие материалы (ммм)

Коэрцитивная сила мала, потери маленькие ( Н_с=0.005 или 0.01 А/м). По форме петли МММ различаются:

а) С прямоугольной петлей гистерезиса. Используется в цифровых ЭВМ, магнитных усилителях, устройствах автоматики.

б) Округлая петля гистерезиса. Используется в электрических машинах и аппаратах работающих в переменных магнитных полях и магнитопроводах электрических машин.

в) Прямолинейная зависимость В=µµ₀Н. Используются в магнитопроводах для катушек индуктивности, колебательных контурах, в антеннах связи, передатчиков и т.д.

К МММ относятся:

1. Технически чистое железо ( низкоуглеродистая сталь) общее количество примесей 0.1 %, свойства зависят от примесей и частоты обработки.

2. Кремнистая техническая сталь наиболее широко применяемая, содержание кремния от 0.4 до 4.8%, легирование( добавка) кремнием увеличивает удельное сопротивление, следовательно уменьшает потери на петле гистерезиса, при увеличении кремния свыше 5% ухудшаются механические свойства стали, их можно улучшить при холодной прокатке, выпускается в виде листов, слитков и т.д.

а)Железоникелевые сплавы называются «пермаллой» :

б) высоконикелевые 72-80%

в) низконикелевые 40-50%

4) Альсифер – тройной сплав железа, алюминия и кремния свойства аналогичны пермале, но более твердые и хрупкие, изделия получают путём литья и толщина стенок не меньше 2-3 мм, используют в магнитных экранах, корпусах приборов.

Сплавы с особыми свойствами.

Если необходимо создать материалы с большими магнитными потоками в слабых электрических полях используют ММ с добавлением кобальта и ванадия:

1. Перминвар – кобальт 25%, никель 45%, остальное железо. Сложность в механических получениях, высокая стоимость. Использование в аппаратуре телефонной связи, некоторых трансформаторах тока.

2. Перминдюр – 30-50% кобальта, 1.5-2% ванадия, остальное железо. Очень дорогой, применяется только в специальной аппаратуре ( мембраны телефонов, осциллограф). Недостатки – малое удельное сопротивление что повышает потери на вихревые токи.

Ферриты.

Достоинства – высокие магнитные параметры, большое электрическое сопротивление ( превышает сопротивление ферромагнетиков в 10³-10¹³ раз). Используются в высокочастотных электромагнитных устройствах.

Ni Fe₂ O₄ – никелевый феррит

Zn Fe₂ O₄ – цинковый феррит

К недостаткам можно отнести хрупкость, отверстия делают лазером.

Аморфные магнитные материалы.

План:

1. Получение

2. Характеристики ( как меняют добавки магнитные свойства)

3. Применение

1)АММ во многом подобны стеклам и металлическим расплавам. Такие материалы получают быстрым охлаждением из расплавленного состояния, кристаллизация при этом не успевает осуществляться. Скорость 10⁵-10⁸ К/с.

2) АММ обладают высокими магнитными параметрами на ряду с повышением сопротивления, но магнитные свойства становятся высокими только после специальной технической обработки во внешнем магнитном поле, коэрцетивная сила маленькая, повышенные значения индукции насыщения и удельного электрического сопротивления, что уменьшает потери на гистерезис и вихревые токи. По магнитным свойствам АММ близки пермаллоям. Металлические магнитомягкие АММ содержат 75-85% смеси или одного из металлов, железа, никеля, кобальта и 15-25% неметаллов. Самые популярные аморфные сплавы железа и никеля ( 40% Ni, 40% Fe); высокожелезистые ( 80% Fe, 16% P); высококобальтовые ( 70% Co, 15% Si).

3) Используют в технике магнитной записи и воспроизведения, специальных трансформаторах, импульсных источниках питания, в электродвигателях с высоким КПД и т.д.

Магнитотвердые материалы.

Кроме традиционных характеристик магнитного поля(магнитная индукция, магнитный поток, напряженность, магнитная проницаемость) добавляется еще магнитная энергия W_max Дж/м³.

Энергия поля будет тем больше, чем больше будет остаточная магнитная индукция, коэрцитивная сила и коэффициент выпуклости, который характеризует форму кривой размагничивания.

МТМ делятся на:

1. Литые высокоэрцетивные сплавы

2. Металлокерамические изделия

3. МТ ферриты

4. Сплавы на основе редкоземельных элементов.

Их состав и назначение:

1. Их основа железо, никель, алюминий, никеля до 30%, для повышения магнитных свойств легируют: медью, что повышает коэрцитивную силу, механические свойства, но уменьшает остаточную магнитную индукцию, при легировании кобальтом увеличивается все параметры. Марка сплава ЮНД4

2.2 Получают методом порошковой металлургии, это автоматизирует процесс и получает изделие со строго выдержанными параметрами.

А) их получают из измельченного ЮНДК путем прегования и спекания, для мелких или сложной конструкции детали.

Б) металло-пластическое получение из порошков диэлектрика(фенолформальдегидной смолой) смесь прессуют под большим давлением и температурой 120-180 градусов) такая добавка увеличивает механические свойства, а магнитные свойства уменьшаются

3.3 Чаще всего на основе бариевых и кобальтовых ферритов. Получают: отжиг, помол, полужидкую массу порошка прессуют в сильном магнитном поле. Достоинства: очень высокая коэрцитивная сила, высокая стабильность при воздействии магнитных полей, вибрации. Марка 4БА, 24СА-120

4.4 Церий, Самарий, Лантан, Иттрий, Разеодин. Соединение кобальта с этими металлами даёт фантастические значении коэрцитивной силы и магнитной энергии. Магниты получают путем спекания порошков в присутствии жидкой фазы или литьем. К недостаткам можно отнести хрупкость и стоимость.

Материалы высокой проводимости.

Требования:

1. Малое удельное сопротивление

2. Прочность

3. Коррозийная стойкость

4. Пластичность

5. Должны хорошо свариваться и паяться

Наиболее подходит к требованиям медь и сплавы на её основе.(бронза и латунь) или еще , медь и алюминий являются основными проводниковыми материалами.

1 Медь- получают из руд содержащий медный колчедан, медь и её сплавы занимают первое место по применению. Бывает мягкая( уступает по проводимости только серебру, стойка к коррозиям) и твердая медь.

Мягкая отожженная медь используют в виде проволок различного сечения , а также токопроводящих жил кабелей. Удельное сопротивление мягкой меди не должно превышать 0,01724 мкОм*м.

Твердая медь- получают путём холодной пластической деформации и используют там где необходима твердость, стойкость к истиранию, высокая механическая прочность. Удельное сопротивление твердой меди не должно превышать 0,0180 мкОм*м.

Применяют в шинах, контактных проводах, коллекторных пластинах электрических машин и т.д.

К недостаткам относятся: невозможность использования при температуре свыше 150 градусов, а также дорогая и дефицитная, поэтому для токопроводящих деталей, проводников работающих при температуре свыше 150 градусов используют сплавы на основе меди . а именно бронзы и латуни.