Электротехническое материаловедение. Учебное пособие

3.11.3. Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе должен иметь следующее содержание:

1.Цель лабораторной работы.

2.Характеристика и основные параметры исследуемого образца.

3.Характеристики средств измерения и вспомогательных средств исследования.

4.Таблицы с записью результатов экспериментальных исследований и расчетов.

5.Основные расчетные формулы.

6.Зависимости магнитной индукции Bm = F(Hm) и относительной магнитной проницаемости μr = F (Нm), дифференциальной магнитной проницаемости μrg = F (Н) от напряженности магнитного поля.

7.Зависимость потерь на перемагничивание от индукции в образце Р =

F(Вm).Зависимости магнитной индукции Bm = F(Hm) и относительной магнитной проницаемости μr = F (Нm) необходимо строить в одной системе координат, откладывая по оси абсцисс значения Hm, а по оси ординат значения Bm и μr, в выбранных для каждой из этих величин масштабах.

Отчет заканчивается выводами, в которых в краткой форме должны быть описаны характеры полученных экспериментально зависимостей и дано их теоретическое обоснование.

3.11.4.Вопросы для самоконтроля

1.Как зависит относительная магнитная проницаемость от напряженности магнитного поля?

2.Чем объяснить, что сначала магнитная проницаемость возрастает с ростом напряженности, а затем уменьшается при дальнейшем возрастании последней?

3.Как изменяется магнитная индукция в образце с ростом напряженности намагничивающего поля?

4.На чем основан принцип действия лабораторной установки?

5.Какими параметрами установки ограничивается наименьшая частота намагничивающего тока?

6.Определите наименьшую частоту магнитного поля, при которой можно исследовать образец.

7.Как зависят потери на перемагничивание от магнитной индукции, создаваемой в образце?

8.Какие причины обуславливают рост потерь на перемагничивание с ростом магнитной индукции?

9.Объясните, как осуществляется намагничивание ферромагнетиков на различных участках основной кривой намагничивания?

10.В какой точке основной кривой намагничивания относительная магнитная проницаемость максимальна?

71

11.Каким основным условиям должно удовлетворять вещество, являющееся ферромагнетиком?

12.Какой из видов элементарного движения электрических зарядов создает основной магнитный момент в атоме?

13.Какое явление называется магнитной анизотропией?

14.Какое явление называется магнитострикцией?

15.Почему ферромагнетик самопроизвольно делится на отдельные области, домены?

16.Какая область ферромагнетика называется доменом?

17.Как и где происходит изменение направления намагниченности между доменами?

3.12. Лабораторная работа № 2. «Исследование свойств магнитных материалов

в магнитных полях переменной частоты». Цель работы

Целью лабораторной работы является ознакомление студентов с индукционным методом измерения магнитных величин и экспериментальное определение свойств и характеристик магнитных материалов при воздействии на них магнитного поля переменной частоты.

3.12.1 Рабочее задание

Рассчитать для полученного образца постоянную времени интегрирующей цепочки τи и минимальную частоту магнитного поля, при которой его можно исследовать.

Собрать схему установки (рис. 3.21).

Зарисовать с экрана осциллографа семейство динамических петель намагничивания при различных частотах намагничивающего тока, поддерживая неизменной магнитную индукцию Bm = const.

Зарисовать семейство динамических петель намагничивания при различных частотах намагничивающего тока, поддерживая неизменной напряженность магнитного поля Нm = const.

Произвести калибровку осциллографа.

По данным калибровки рассчитать масштаб по напряженности и индукции магнитного поля.

Для каждой из динамических петель намагничивания рассчитать амплитудные значения напряженности и магнитной индукции.

Для каждой из динамических петель намагничивания определить потери на перемагничивание образца.

Рассчитать для каждой динамической петли значение относительной магнитной проницаемости.

Построить зависимости μr = F (f), Р = F (f) для обоих семейств динамических петель намагничивания.

Сделать выводы по работе.

72

3.12.2. Методические указания к выполнению рабочего задания

Подготовка к проведению эксперимента

Подготовка к проведению эксперимента осуществляется в соответствии с пунктом «Подготовка к проведению эксперимента».

Рекомендации по зарисовке семейств динамических петель намагничивания

Перед началом экспериментальных исследований выбирается диапазон частот магнитного поля в пределах от fmin до fmax, который задается преподавателем.

Зарисовка динамических петель намагничивания при различных частотах магнитного поля с неизменной магнитной индукцией в образце Bm = const производится в следующем порядке. Необходимо установить на генераторе частоту f = fmax. Увеличивая выходное напряжение генератора, добиться, чтобы динамическая петля намагничивания касалась двух горизонтальных линий, отстоящих друг от друга на расстоянии 5 клеток (рис. 3.26), и зарисовать на кальку.

Затем уменьшить частоту генератора на f. При этом амплитуда Bm возрастает. Уменьшая выходное напряжение генератора, восстановить прежнее значение индукции Bm в образце и снова зарисовать динамическую петлю намагничивания. В диапазоне изменения частоты генератора от fmax до fmin необходимо зарисовать шесть‒семь петель, сохраняя индукцию в образце неизменной при каждой частоте.

B΄

В΄m 2

1

0H΄m2 H΄m1 H

Рис. 3.26. Свойство динамических петель намагничивания с постоянной магнитной индукцией и различной частотой магнитного поля

Зарисовка семейства динамических петель намагничивания на различных частотах магнитного поля при постоянной напряженности магнитного поля в образце производится следующим образом. Частота звукового генератора устанавливается равной fmin. Увеличивая выходное напряжение генератора, добиваются максимальной по размеру экрана магнитной индукции Bm. Через вершины петель параллельно оси Bm проводятся две вертикальные линии на кальке. За-

73

тем увеличивают частоту генератора до следующего значения. При этом ширина динамической петли или Нm уменьшится. Увеличивая выходное напряжение генератора, добиваются, чтобы динамическая петля касалась линий, проведенных параллельно оси Bm, и зарисовывают петлю на кальку (см. рис. 3.27).

Изменяя частоту генератора в диапазоне от fmin до fmax, зарисовывают 6‒7 динамических петель намагничивания на различных частотах, сохраняя Нm = const по вышеприведенной методике.

B΄

B΄m1 1

B΄m2 2

H΄m H΄

Рис. 3.27. Семейство динамических петель намагничивания при Нm = const

Рекомендации по зарисовке семейств динамических петель намагничивания

Определение амплитудных значений индукции и напряженности магнитного поля потерь в сердечнике, значений относительной магнитной проницаемости для вершин каждой из зарисованных динамических петель намагничивания производится в соответствии с методикой, изложенной в пункте «Определение амплитудных значений индукции, напряженности магнитного поля и потерь в сердечнике образца на перемагничивание»данных методических указаний.

3.12.3 Содержание отчета

Содержание отчета по данной лабораторной работе должно отличаться от содержания отчета по лабораторной работе № 1 (см. 3.11.3) полученными экспериментально зависимостями.

Вэтой работе определяются и строятся графики зависимостей μr = F (f),

Р= F (f), когда Bm = const, и эти же зависимости, когда Нm = const. Необходимо строить зависимости μr = F (f) при Bm = const и μr = F (f) при Нm = const в одной системе координат, откладывая по оси абсцисс значенияНm, а по оси ординат — значения μr.

Аналогично в одной системе координат строятся зависимости Р = F (f) для обоих режимов испытания образца.

74

ЧАСТЬ 4. КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА.

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИЗОЛЯЦИИ ДВУХЖИЛЬНОГО КАБЕЛЯ»

4.1. Требования к оформлению контрольной работы

Контрольная работа состоит из двадцати вариантов с нумерацией вариантов от 0 до 19.

Номер варианта задачи, решаемой студентом в контрольной работе, определяется суммой двух последних цифр шифра студента. Например, если номер шифра студента 4298, то номер варианта задачи — 17.

К оформлению контрольной работы предъявляются следующие требования:

1.Контрольная работа выполняется в тетради, на обложке которой должны быть указаны фамилия, имя, отчество студента, учебный шифр, наименование дисциплины и домашний адрес.

2.Условия задачи переписываются полностью, без сокращений.

3.Текстовая часть, формулы, числовые выкладки должны быть выполнены чернилами без помарок и исправлений.

4. Графическая часть работы выполняется в карандаше с помощью че р- тёжных инструментов.

5.Электрические схемы вычерчиваются с соблюдением установленных стандартом условных обозначений.

6.Ответы на вопросы должны быть аргументированы теоретически с использованием в необходимом объёме рисунков, графиков.

7.В конце работы необходимо привести список использованной при выполнении контрольной работы литературы.

8.После списка литературы необходимо проставить дату выполнения работы и подпись.

4.2. Задание на контрольную работу

Питание электротехнической установки осуществляется с помощью кабельной линии длиной l. Кабель со свинцовой оболочкой имеет две токопроводящие жилы радиусом R (рис. 1). В качестве электрической изоляции жил друг от друга и жил от оболочки использована кабельная бумага. В пористой структуре диэлектрика имеются капилляры, заполненные воздухом. К жилам кабеля приложено переменное напряжение, действующее значение которого U, частотой f. При расчёте считать, что электрическое поле внутри кабеля однородно.

Требуется определить:

1)ёмкость между жилами кабеля, Cк;

2)сопротивление изоляции между жилами кабеля, Zиз;

3)значение тока утечки между жилами кабеля, Iу;

4)диэлектрические потери в изоляции кабеля, P;

5)пробивное напряжение изоляции между жилами кабеля, Uпр;

76

6)ёмкость Cкп, сопротивление изоляции Zизп и ток утечки Iуп, диэлектрические потери Pп, пробивное напряжение Uпрп, при условии, что оболочка кабеля заполнена газообразным либо жидким диэлектриком. При расчёте принять, что поры и капилляры полностью заполнены этим диэлектриком;

7)после расчёта составить таблицу сравнительных данных кабелей без пропитки и с пропиткой и произвести анализ влияния пропитки изоляции кабеля на его электрические свойства;

8)определить соответствие изоляционных свойств электрической изоляции кабеля требованиям правил установки электропотребителей (ПУЭ).

Геометрические размеры кабеля и электрические параметры диэлектриков, использованных в качестве изоляции, приведены в табл. 4.1.

Вопросы к контрольной работе

1.Дайте расшифровку цифр, используемых в обозначениях марок электрических сталей.

2.На основной кривой намагничивания укажите участки, на которых намагничивание осуществляется за счёт роста доменов. В чём отличие процессов намагничивания на этих участках?

3.Как влияют на магнитные свойства материалов вихревые токи? В каких магнитных полях возникают эти токи?

Таблица 4.1

Исходные данные для решения контрольной работы

77

4.3. Методические указания к выполнению контрольной работы

Кабельная бумага представляет собой механическую смесь целлюлозы и воздуха с неодинаковой относительной диэлектрической проницаемостью. Определение относительной диэлектрической проницаемости такого диэлектрика производится в соответствии с уравнением Лихтенеккера для последовательного расположения компонентов. В связи с тем, что при использовании этого уравнения необходимо знать объёмные концентрации компонентов, расчёт следует начать с определения последних по заданным значениям плотности целлюлозы и кабельной бумаги в соответствии с уравнениями

78

где θ1 — объёмная концентрация целлюлозы; θ2 — объёмная концентрация воздуха; D — плотность кабельной бумаги, кг/м3; D1 — плотность целлюлозы, кг/м3.

1

2

R

3

S

Рис. 4.1. Сечение двужильного кабеля 1 — оплётка кабеля; 2 — жила кабеля; 3 — изоляция кабеля

По вычисленному значению относительной диэлектрической проницаемости непропитанной кабельной бумаги и заданным геометрическим размерам кабеля рассчитывается ёмкость кабельной линии.

Для двухжильного кабеля ёмкость между жилами может быть определена из уравнения:

где S — расстояние между центрами жил кабеля, м; R — радиус жил кабеля, м; l — длина кабельной линии, м.

79

Тангенс угла диэлектрических потерь кабельной бумаги вычисляется по заданным значениям тангенсов углов диэлектрических потерь целлюлозы и воздуха по формуле:

Удельная активная (γа) и удельная реактивная (γр) проводимости изоляции в переменном электрическом поле с частотой f вычисляются по формулам, приведённым в основных учебных пособиях.

Удельная полная проводимость изоляции кабеля связана с удельными активной и реактивной проводимостями соотношением:

Полная проводимость Yиз изоляции кабеля определяется по удельной проводимости γиз и геометрическим размерам кабеля:

Ток утечки кабеля, возникающий под воздействием приложенного напряжения, сопротивление изоляции между жилами в двухжильных кабелях рассчитываются на основании соотношений:

Диэлектрические потери в изоляции кабеля P находятся по действующему значению приложенного переменного напряжения, ёмкости кабельной лини, тангенсу угла диэлектрических потерь и частоте питающей сети

где U — рабочее напряжение кабельной линии, В; f — частота, Гц; Ck — ёмкость кабельной линии, Ф; tgδ — тангенс угла диэлектрических потерь; P — диэлектрические потери, Вт.

Для упрощения расчёта величины пробивного напряжения делаем допущение, что электрическое поле внутри кабеля однородное, т. е. напряженность

80