Электроматериаловедение. Практикум для СПО
.pdfСРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
_________________________________________________________________
Комсомольский-на-Амуре государственный университет
Р. В. Кузьмин, Р. Н. Хамитов, А. С. Мешков, А. В. Сериков
ЭЛЕКТРОМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Практикум для СПО
Профобразование
Саратов
2022
УДК 621.31 ББК 31.23
Э45
Рецензенты:
Кафедра систем электроснабжения
Дальневосточного государственного университета путей сообщения, (зав. кафедрой — канд. техн. наук, доц. И. В. Игнатенко);
Киница О. И. — канд. техн. наук, зам. генерального директора, директор учебно-производственного центра КГА ПОУ «Губернаторский авиастроительный колледж г. Комсомольска-на-Амуре (МЦК)»
Э45 Электроматериаловедение : практикум для СПО / Р. В. Кузьмин, Р. Н. Хамитов, А. С. Мешков, А. В. Сериков ; Комсомольский-на-Амуре государственный университет. — Саратов : Профобразование, 2022. — 64 с. — (Среднее профессиональное образование). — Текст : электронный.
ISBN 978-5-4488-1548-5
В практикуме изложены исследования электропроводности металлов, свойств полупроводниковых материалов, электропроводности диэлектриков. Показана методика проведения исследований поляризации диэлектриков, диэлектрических по-
терь в диэлектриках, пробоя диэлектриков, свойств магнитных материалов.
Практикум предназначен для студентов всех профессий и специальностей среднего профессионального образования, учебными планами которых предусмотрено изучение дисциплин «Электроматериаловедение», «Основы электроматериаловедения», «Материаловедение», «Электротехнические материалы».
Учебное электронное издание
ISBN 978-5-4488-1548-5 |
© Коллектив авторов, 2022 |
|
© Комсомольский-на-Амуре государственный |
|
университет, 2022 |
|
© Оформление. ООО «Профобразование», 2022 |
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………… 5
1.ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ МЕТАЛЛОВ…………………………..... 5
1.1.Основные сведения………………………………………………… 7
1.2.Измерительная установка и методика измерений……………….. 11
1.3.Задания к лабораторной работе…………………………………… 12
1.4.Контрольные вопросы…………………………………………….. 14
2.ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ………………………… 15
2.1.Основные сведения………………………………………………… 15
2.2.Измерительная установка и методика измерений……………….. 21
2.3.Задания к лабораторной работе…………………………………… 22
2.4.Контрольные вопросы…………………………………………….. 23
3.ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ……………………… 23
3.1.Основные сведения………………………………………………… 24
3.2.Методика определения удельной объемной проводимости и удельного объемного сопротивления…………………………... 26
3.3.Порядок измерения электрического сопротивления диэлектрика прибором ЕК6-11…………………………………… 27
3.4.Задания к лабораторной работе…………………………………… 28
3.5.Контрольные вопросы и задачи…………………………………… 29
4.ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ ДИЭЛЕКТРИКОВ…………………………………. 30
4.1.Основные сведения………………………………………………… 31
4.2.Методика определения относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика……………………………………… 35
4.3.Порядок измерения емкости прибором ВМ-560………………… 36
4.4.Задания к лабораторной работе…………………………………… 37
4.5.Контрольные вопросы…………………………………………….. 38
5.ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В ДИЭЛЕКТРИКАХ……………… 39
5.1.Основные сведения………………………………………………… 40
5.2.Методика измерения параметров диэлектрических потерь диэлектрика………………………………………………………… 45
5.3.Задания к лабораторной работе…………………………………… 47
5.4.Контрольные вопросы и задачи…………………………………… 48
6.ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОБОЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ……………………………………………………… 49
6.1.Основные сведения………………………………………………… 51
3
6.2.Методика определения электрической прочности диэлектриков……………………………………………………….. 53
6.3.Задания к лабораторной работе…………………………………… 54
6.4.Контрольные вопросы…………………………………………….. 56
7.ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ………………………………………. 57
7.1.Основные сведения………………………………………………… 58
7.2.Методика определения относительной магнитной проницаемости феррита…………………………………………… 61
7.3.Задания к лабораторной работе…………………………………… 63
7.4.Контрольные вопросы…………………………………………….. 63 ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………… 64
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………..... 64
4
ВВЕДЕНИЕ
Развитие электротехники и электроники тесно связано с совершенствованием производства и разработкой новых материалов.
Надежность, экономичность, верхний и нижний пределы допустимых при эксплуатации температур, стойкость к ударам, вибрациям, ремонтопригодность и другие важнейшие параметры изделий электроники и электротехники в конечном счете определяются не столько конструкцией или электрической схемой, сколько использованными в них материалами.
Студенту предлагается технология изучения материаловедческих дисциплин в виде лабораторного практикума, который он сначала выполняет самостоятельно, а затем в лаборатории будет проводить реальные эксперименты.
В процессе самостоятельной работы студенту необходимо подготовить по каждой лабораторной работе отчет. Содержание отчета:
1)название и цель работы;
2)задания для подготовки к работе:
письменно охарактеризовать понятия (при характеристике понятий кроме краткого словесного описания использовать при необходимости формулы, графики, эскизы);
построить и проанализировать графики зависимостей, приведенных в соответствующих таблицах (анализ графической зависимости должен содержать описательную и пояснительную части);
письменно ответить на вопросы и решить задачи.
При выполнении заданий для подготовки к работе производить поиск необходимой информации в теоретической части лабораторных работ и источниках, приведенных в библиографическом списке.
1.ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ МЕТАЛЛОВ
Цель работы: ознакомиться с основными процессами, обуславливающими электропроводность металлов, методикой исследования и определения удельного сопротивления, температурного коэффициента сопротивления, термоэлектродвижущей силы металлических проводников.
5
Задания для подготовки к работе:
1.Охарактеризовать понятия:
удельное сопротивление ρ;
температурный коэффициент удельного сопротивления TKρ;
проводник первого рода;
проводник второго рода;
удельная проводимость;
термоэлектродвижущая сила;
температурный коэффициент линейного расширения проводников;
сверхпроводимость.
2.Построить и проанализировать графики зависимостей, приведен-
ных в табл. 1.1 – 1.4.
Таблица 1.1
Зависимость ρ = f(T) для меди
T, C |
ρ, мкОм м |
0 |
0,012 |
200 |
0,025 |
400 |
0,035 |
600 |
0,050 |
800 |
0,065 |
T, C |
ρ, мкОм м |
1100 |
0,150 |
1200 |
0,225 |
1600 |
0,250 |
1800 |
0,350 |
2000 |
0,500 |
Таблица 1.2 Зависимость ρ = f(T) для чистого железа
T, C |
ρ, мкОм м |
0 |
0,090 |
200 |
0,220 |
400 |
0,400 |
T, C |
ρ, мкОм м |
|
0,700 |
600 |
|
800 |
1,050 |
1000 |
1,180 |
Таблица 1.3
Зависимость ρ = f(T) для электротехнической стали с содержанием 4 % кремния
T, C |
ρ, мкОм м |
0 |
0,050 |
200 |
0,620 |
400 |
0,790 |
T, C |
ρ, мкОм м |
|
0,940 |
600 |
|
800 |
1,200 |
1000 |
1,210 |
Таблица 1.4 Зависимость ρ = f(T) для сплава Fe-Ni-Cr
T, C |
ρ, мкОм м |
0 |
1,090 |
200 |
1,120 |
400 |
1,160 |
T, C |
ρ, мкОм м |
|
1,200 |
600 |
|
800 |
1,200 |
1000 |
1,290 |
6
1.1. Основные сведения
В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при определенных условиях и газы. Твердыми проводниками, нашедшими широкое практическое применение в электротехнике, являются металлы и сплавы.
Из металлических проводников можно выделить металлы высокой проводимости, имеющие при нормальных условиях удельное сопротивление ρ < 0,05 мкОм, и сплавы высокого сопротивления, имеющие
ρ > 0,3 мкОм м [1, 6].
Значительный интерес представляют собой материалы, обладающие малым ρ при низких (криогенных) температурах, – сверхпроводники и криопроводники.
К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты.
Механизм прохождения тока в металлах (как в твердом, так и в жидком состоянии) обусловлен движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля. Поэтому металлы называют проводниками с электронной проводимостью (проводниками первого рода).
Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти вещества связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов (в соответствии с законом Фарадея).
Все газы и пары (в том числе и пары металлов) при малых напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако при
E > Eионизации газ становится проводником с электронной и ионной электропроводностью.
Плазма – сильно ионизированный газ, представляющий собой особую проводящую среду.
Электропроводность металлов. Классическая электронная теория металлов представляет твердый проводник в виде системы, состоящей из узлов кристаллической решетки, внутри которой находится электронный газ (свободные, коллективизированные электроны). В свободное состояние от каждого атома металла переходят от одного до двух электронов.
Электронная теория металлов дала возможность аналитически описать и объяснить найденные ранее экспериментальным путем законы электропроводности и потерь электрической энергии в металлах (закон Ома, Джоуля-Ленца), установить и объяснить связь между электропроводностью и теплопроводностью (закон Видемана-Франца-Лоренца) [1].
Представляя металл как систему, в которой положительные ионы скрепляются посредством свободно движущихся электронов, легко понять природу всех основных свойств металлов: высокой электропроводности, теплопроводности, ковкости, пластичности.
7
Основными параметрами, характеризующими электрические свойства проводниковых материалов, являются:
1)удельная проводимость или обратная ей величина – удельное сопротивление;
2)температурный коэффициент удельного сопротивления.
Связь плотности тока j и напряженности электрического поля E в проводнике описывается законом Ома в дифференциальной форме
j = γ E,
где γ – удельная проводимость.
Величина ρ = 1/γ называется удельным электрическим сопротивлением, которое можно вычислить, зная сопротивление металлического провода R, его длину l и его площадь поперечного сечения S, по формуле
ρ = (R S)/l.
Единицей измерения удельного сопротивления является Ом м. Для измерения ρ проводниковых материалов разрешается пользоваться внеси-
стемной единицей (Ом мм2)/м. Вместо этой единицы измерения ρ предпочтительно применять равную ей по размеру мкОм м:
1 Ом м = 106 мкОм м = 106 (Ом мм2)/м.
Диапазон значений ρ металлических проводников (при нормальных
условиях) довольно узок: от 0,016 для серебра и до 10 мкОм м для железохромалюминиевых сплавов [1].
Удельная проводимость металлических проводников согласно классической теории металлов может быть выражена следующим образом:
γ = (e2 n0 λ)/(2 m υT),
где e – заряд электрона; n0 – число свободных электронов в единице объема металлического проводника; λ – средняя длина пробега электрона; m – масса электрона; υT – средняя скорость теплового движения свободного электрона.
Скорости хаотического теплового движения свободных электронов υT и их концентрации для различных металлов примерно одинаковы. Поэтому значение γ в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в данном проводнике, которая, в свою очередь, определяется структурой материала. Дефекты и микродефекты кристаллических решеток вызывают снижение γ металлов.
Число носителей заряда в металлическом проводнике при повышении температуры практически остается постоянным. Однако в результате колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути движения свободных элек-
8
тронов под действием электрического поля. Уменьшаются длина свободного пробега, подвижность и γ, возрастает ρ.
Для оценки изменений удельного электрического сопротивления используется температурный коэффициент удельного сопротивления металлов
TKρ = αρ = (1/ρ)(dρρ/d).
Согласно выводам электронной теории металлов, значения αρ чистых металлов в твердом состоянии должны быть близки к температурному коэффициенту расширения идеальных газов и составлять величину порядка 0,0037 K-1. В узком диапазоне температур, используя температурный коэффициент удельного сопротивления металлов, можно прогнозировать изменение удельного электрического сопротивления по формуле
ρt ρ20 1 αρ (t 20) ,
где ρ20 – удельное электрическое сопротивление металла при температуре
20 С; t – температура, С, для которой оценивается прогнозируемое ρt. Введение примесей снижает величину αρ и для некоторых сплавов
она может достигнуть нуля или приобрести небольшое отрицательное значение. Удельное сопротивление металлов при наличии примесей повышается (рис. 1.1).
As, P |
Fe |
Sn |
Δρ, %
7,5
Zn
5,0 
Cd
2,5
0 |
0,1 |
0,2 |
% |
Рис. 1.1
Среди металлических проводников выделяют проводниковые материалы высокой проводимости, к которым относятся серебро, медь, алюминий, железо, биметаллы.
Серебро обладает наименьшим значением ρ = 0,016 мкОм м, очень устойчиво к окислению. Высокая цена ограничивает применение серебра, оно используется в качестве обкладок в керамических, слюдяных конденсаторах (наносится методом напыления), а также для изготовления контактов.
9
Медь является основным проводниковым материалом, применяемым в электротехнике. Это объясняется удачным сочетанием высокой электропроводности с механической прочностью, стойкостью к коррозии, хорошей обрабатываемостью, легкостью пайки (сварки), большой распространенностью в природе. Удельное электрическое сопротивление меди лишь
немного хуже серебра и составляет 0,01724 мкОм м. Для улучшения механических свойств меди разработаны и широко используются сплавы меди (латунь, бронза).
Алюминий является следующим по значению проводниковым мате-
риалом после меди, он в 3,5 раза легче меди, а ρAl = 0,0285 мкОм м. Очень широко в электротехнике используются алюминиевые сплавы.
Железо (сталь) нашло широкое применение как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий высокой механической прочностью, а
удельное электрическое сопротивление железа составляет 0,1 мкОм м. Биметалл (проводниковый биметалл) – сталь, алюминий, покрытые
медью.
Проводниковые материалы высокого сопротивления используются для изготовления сопротивлений, реостатов и электронагревательных приборов. Для этого необходим материал с повышенным удельным электрическим сопротивлением (чистые металлы не подходят). Используются специальные сплавы, представляющие собой твердые растворы двух или трех компонентов. Ниже приведены составы некоторых сплавов и величины их удельных сопротивлений.
На основе меди:
манганин (Mn 12 %, Ni 2,5...3,5 %); ρ = 0,42...0,48 мкОм м;
константан (Ni 40 %, Mn 1...2 %); ρ = 0,48...0,52 мкОм м;
нейзильбер (Ni 15 %, Zn 20...25 %); ρ = 0,35...0,40 мкОм м.
На основе никеля нихром (Fe-Ni-Cr); ρ = 1,1...1,2 мкОм м. На основе железа:
фехраль (Cr 12...15 %, Al 3,5...5,5 %); ρ = 1,25 мкОм м;
хромаль (Cr 23...27 %, Al 4,5...6,5 %); ρ = 1,25 мкОм м.
Углерод в кристаллографической модификации, называемой графитом, используется в качестве материала высокого сопротивления, его
удельное электрическое сопротивление составляет 10 мкОм м.
В электротехнике находят применение сверхпроводники и криопроводники. Под сверхпроводимостью понимают явление полного исчезновения электрического сопротивления проводника при температурах, близких к
абсолютному нулю (-273 С = 0 K). Температура, при которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние, называется температурой сверхпроводящего перехода, а вещество – сверхпроводником. Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым.
10