Электротехнические материалы. Лабораторный практикум

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Комсомольский-на-Амуре государственный университет»

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Утверждено в качестве лабораторного практикума Редакционно-издательским советом Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Комсомольский-на-Амуре государственный университет»

Под общей редакцией Р. В. Кузьмина

Комсомольск-на-Амуре

2022

УДК 621.31(076.5) ББК 31.23я7

Э455

Рецензенты:

Кафедра «Системы электроснабжения» ФГБОУ ВО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения», зав. кафедрой кандидат технических наук, доцент И. В. Игнатенко;

О. И. Киница, кандидат технических наук, зам. генерального директора, директор учебно-производственного центра КГА ПОУ «Губернаторский авиастроительный колледж г. Комсомольска-на-Амуре (МЦК)»

Авторы:

Р. В. Кузьмин, Р. Н. Хамитов, А. С. Мешков, А. В. Сериков

Электротехнические материалы : лабораторный практикум /

Э455 Р. В. Кузьмин, Р. Н. Хамитов, А. С. Мешков [и др.] ; под общ. ред.

Р. В. Кузьмина. – Комсомольск-на-Амуре : ФГБОУ ВО «КнАГУ», 2022. – 64 с.

ISBN 978-5-7765-1505-7

В лабораторном практикуме даны основные теоретические положения. Рассмотрены основные электрофизические свойства и зависимости различных электротехнических материалов, а также эффекты и элементы электротехнических устройств, основанные на этих свойствах.

Предназначен для студентов всех форм обучения по направлениям 12.03.04 – «Биотехнические системы и технологии», 11.03.01 – «Радиотехника», 11.03.04 – «Электроника и наноэлектроника», 13.03.02 – «Электроэнергетика и электротехника», 15.03.06 – «Мехатроника и робототехника», 24.03.02 – «Системы управления движением и навигация», 27.03.05 – «Инноватика», 13.05.02 – «Специальные электромеханические системы» для освоения дисциплины «Электротехнические материалы и элементы электронной техники».

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.

Дисциплины «Материаловедение» и «Материалы и элементы электронной техники» являются базой для многих специальных дисциплин конструкторско-технологического профиля.

Целью этих дисциплин является формирование у будущих специалистов физического и инженерного подходов к оценке возможностей использования материалов в конкретных элементах и устройствах электроники и электротехники.

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

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 внесистемной 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).

Δρ, %

7,5

Zn

5,0 Cd

2,5

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 материалом 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