Электротехническое материаловедение. Учебное пособие

4

5

ЧАСТЬ 1.

ЦЕЛИ, ЗАДАЧИ И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

1.1.Цель преподавания дисциплины

Вдисциплине «Электротехническое материаловедение» излагается широкий круг вопросов, связанных со свойствами различных материалов по отношению к электрическому и магнитному полям. Излагаются свойства разновидностей электротехнических материалов, применяемых в технике.

Целью преподавания дисциплины является изложение основных сведений о процессах, происходящих в электротехнических материалах под воздействием электрического и магнитного полей, ознакомление с основными характеристиками и параметрами, посредством которых оцениваются свойства материалов к этим полям, методами их практического определения, ознакомление с основными видами электротехнических материалов, областями и способами их применения.

Дисциплина «Электротехническое материаловедение» является одним из основных предметов, необходимых для последующего успешного освоения специальных дисциплин, изучаемых студентами направления подготовки бакалавров «Электроэнергетика и электротехника».

1.2.Задачи изучения дисциплины

Врезультате изучения дисциплины «Электротехническое материаловедение» студенты должны иметь ясное представление о процессах, происходящих в электротехнических материалах при воздействии на них электрического и магнитных полей, знать основные характеристики и параметры материалов, научиться определять их экспериментально, усвоить требования, которым должны удовлетворять материалы при использовании в устройствах, предназначенных для работы в условиях горной промышленности, уметь производить выбор конкретных видов электротехнических материалов.

1.3. Перечень дисциплин с указанием разделов (тем), усвоение которых необходимо для изучения данной дисциплины

Успешное усвоение дисциплины «Электротехническое материаловедение» базируется на знаниях, полученных студентами при изучении физики (разделы: физика твёрдого тела, электричество, магнетизм), химии, теоретических основ электротехники (разделы: электрические цепи постоянного и переменного тока, магнитные цепи), электрических измерений (разделы: основы метрологии, методы измерения электрических величин).

6

1.4. Содержание дисциплины

1.4.1. Введение

Краткий исторический обзор развития производства и использования электротехнических материалов. Значение электротехнических материалов в развитии и совершенствовании современного электромашиностроения.

Роль русских и советских учёных в создании и совершенствовании современных электротехнических материалов.

Предмет дисциплины «Электротехническое материаловедение». Классификация электротехнических материалов.

Вопросы для самопроверки

1.Какое значение имеют электротехнические материалы в развитии электромашиностроения?

2.Перечислите основные классы электротехнических материалов по свойствам, которыми они обладают по отношению к электромагнитному полю.

3.Каковы перспективы развития производства электротехнических мате-

риалов?

1.4.2. Диэлектрики

Понятие о диэлектриках. Поляризация диэлектриков и основные виды поляризации.

Классификация диэлектриков. Понятие о диэлектрической проницаемости, абсолютная и относительная диэлектрические проницаемости. Зависимость величины диэлектрической проницаемости от внешних факторов.

Понятие об электропроводности диэлектриков. Удельные объёмное и поверхностное сопротивления и методика их определения.

Диэлектрические потери. Угол диэлектрических потерь. Схемы замещения диэлектриков для учёта диэлектрических потерь. Виды диэлектрических потерь.

Понятие об электрическом пробое диэлектриков. Пробивное напряжение и электрическая прочность. Пробой газообразных диэлектриков. Виды пробоев жидких и твёрдых диэлектриков.

Физико-механические свойства диэлектриков. Основные механические свойства диэлектриков. Нагревостойкость. Классы нагревостойкости. Температура воспламенения и температура вспышки. Морозостойкость и тропикостойкость. Гигроскопичность и влагопроницаемость. Химические и радиационные свойства.

Вопросы для самопроверки

1.Какие вещества называются диэлектриками?

2.По каким признакам классифицируются диэлектрики?

7

3.Какой процесс называется поляризацией диэлектриков?

4.Как происходит электронная поляризация?

5.Как зависит диэлектрическая проницаемость от температуры и частоты электрического поля при электронной поляризации?

6.Как происходит ионная поляризация, и в каких веществах она наблю-

дается?

7.Как происходит дипольная поляризация?

8.Как зависит величина диэлектрической проницаемости от температуры

ичастоты электрического поля?

9.Как происходит ионно-релаксационная, электронно-релаксационная и миграционная (структурная) поляризации?

10.Как осуществляется спонтанная поляризация, и для каких диэлектриков она характерна?

11.На какие группы подразделяются диэлектрики в соответствии с видами поляризации, которыми они обладают?

12.Как зависит диэлектрическая проницаемость газообразных диэлектриков от давления и температуры, величины напряжённости и частоты внешнего электрического поля?

13.Как зависит диэлектрическая проницаемость жидких диэлектриков от температуры, величины напряженности и частоты электрического поля?

14.Как зависит диэлектрическая проницаемость твёрдых диэлектриков от температуры, величины напряженности и частоты электрического поля?

15.Как определяется диэлектрическая проницаемость сложных диэлек-

триков?

16.Назовите причины возникновения электрического тока в диэлектрике под воздействием внешнего электрического поля.

17.Что такое объёмное и поверхностное удельные сопротивления, и как они определяются?

18.Как зависит электропроводность газообразных диэлектриков от напряжения и почему?

19.Чем обуславливается электропроводность твёрдых диэлектриков, и как она зависит от температуры и напряжённости электрического поля?

20.Чем обуславливается электропроводность жидких диэлектриков, как она зависит от температуры и напряжённости электрического поля?

21.Какие потери называются диэлектрическими?

22.Какой угол называется углом диэлектрических потерь?

23.Нарисуйте схемы замещения диэлектрика и соответствующие им векторные диаграммы для учёта величины диэлектрических потерь.

24.Установите связь между параметрами параллельной и последовательной схем замещения диэлектрика с потерями.

25.Какие виды диэлектрических потерь существуют в диэлектриках?

26.Какое явление называется электрическим пробоем диэлектриков?

27.Каким образом происходит пробой газообразных диэлектриков?

28.От каких факторов зависит электрическая прочность газообразных диэлектриков?

8

29.Объясните, как осуществляется электрический пробой жидких диэлектриков с высокой степенью очистки?

30.Как осуществляется электрический пробой технически чистых диэлектриков?

31.Назовите виды пробоев твёрдых диэлектриков.

32.Как происходит электрический, электротепловой и электрохимический

пробой?

33.Что такое гигроскопичность диэлектрика, и как она влияет на его электрические свойства?

34.Перечислите основные механические свойства диэлектриков.

35.Назовите основные параметры, с помощью которых характеризуются тепловые свойства диэлектриков.

36.Перечислите классы нагревостойкости диэлектриков и дайте краткую характеристику каждого из них.

1.4.3. Изоляционные материалы

Газообразные изоляционные материалы. Сравнительные характеристики основных газообразных изоляционных материалов и области их применения.

Жидкие изоляционные материалы. Нефтяные масла. Трансформаторное масло, его основные характеристики и свойства, старение и регенерация, методы испытаний и области применения.

Синтетические жидкие диэлектрики, сравнительные характеристики и области применения. Компаунды.

Полимерные изоляционные материалы. Волокнистые изоляционные материалы и слоистые пластики.

Слюда и материалы на основе слюды. Керамика и стекло.

Вопросы для самопроверки

1.Какие из газообразных изоляционных материалов нашли наибольшее практическое применение?

2.Произведите сравнительный анализ свойств газообразных изоляционных материалов.

3.В чём заключается старение трансформаторного масла, и как оно восстанавливается?

4.Какими параметрами характеризуется трансформаторное масло как электроизоляционный материал?

5.Перечислите основные синтетические жидкие диэлектрики, используемые на практике, их основные свойства и области применения.

6.Какие органические высокомолекулярные изоляционные материалы, используемые на практике, вам известны?

7.Какими свойствами обладают компаунды и основные области их применения?

9

1.4.4. Магнитные материалы

Природа магнетизма. Условия возникновения ферромагнитных свойств у веществ. Классификация веществ по магнитным свойствам.

Строение ферромагнетиков. Явление магнитной анизотропии и магнитострикции. Использование этих явлений в технике.

Основные характеристики магнитных материалов. Петля гистерезиса и основная кривая намагничивания. Остаточная индукция и коэрцитивная сила, индукция технического насыщения.

Относительная и абсолютная магнитные проницаемости. Потери на гистерезисе и вихревые токи при перемагничивании в переменных магнитных полях. Явление вытеснения магнитного поля и его последствия.

Магнитомягкие, магнитотвёрдые материалы и магнитные материалы специального назначения.

Разновидности магнитных материалов. Листовые электротехнические стали и пермаллой, основные характеристики и применение.

Вопросы для самопроверки

1.Какие элементарные круговые точки существуют в атоме?

2.Какой круговой ток создаёт наибольший магнитный момент в атоме?

3.Чем объяснить то, что не у всех химических элементов атомы обладают собственным магнитным моментом?

4.Как называются области в ферромагнетиках, в пределах которых магнитные моменты атомов ориентированы параллельно?

5.Как происходит намагничивание ферромагнетиков?

6.Какое явление в ферромагнетиках называется магнитной анизотропией?

7.Где и как учитывается явление магнитной анизотропии?

8.В чём заключается явление магнитострикции, и где оно используется?

9.Чем отличается основная кривая намагниченности от петли гистерезиса?

10.Назовите основные характеристики ферромагнитных материалов.

11.Как зависит величина магнитной проницаемости от напряжённости магнитного поля?

12.Как зависит магнитная проницаемость от частоты переменного магнитного поля?

13.Как расшифровать обозначения марок электротехнических сталей?

14.Назовите основные характеристики листовых электротехнических сталей и области их применения.

15.Что представляют собой сплавы пермаллои?

16.В чём преимущество холоднокатаных сталей перед горячекатаными?

17.Какие основные виды магнитотвёрдых материалов используются на практике?

18.Какие материалы специального назначения используются на практике?

19.Что представляют собой ферриты, и в чём их преимущество перед другими видами магнитных материалов?

10