Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехническое материаловедение. Сборник практических заданий. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Ю.В. ЦЕЛЕБРОВСКИЙ, Н.А. ЧЕРНЕНКО
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
СБОРНИК ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАНИЙ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2016
1
УДК 621.315.5/.6(075.8)
Ц 341
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор А.Ф. Бернацкий
д-р. техн. наук, профессор А.И. Алиферов
Целебровский Ю.В.
Ц 341 Электротехническое материаловедение. Сборник практиче-
ских заданий : учебное пособие / Ю.В. Целебровский, Н.А. Черненко. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2016. – 148 с.
ISBN 978-5-7782-2895-5
Настоящее пособие используется при проведении практических
занятий по предмету «Электротехническое и конструкционное материаловедение», на которых студент предметно знакомится с применяемыми в электроэнергетике и электротехнике конкретными материалами. Выполняя практические задания по выбору материалов и расчёту простейших электротехнических конструкций с этими материалами, студент закрепляет знания по основам электричества
техники и осваивает такие разделы материаловедения, как электромагнитные свойства материалов; особенности расчёта этих свойств у композиционных материалов; виды электромагнитных потерь в проводниках, диэлектриках и магнитных материалах; электрическая прочность
диэлектриков.
Предназначено для студентов бакалавриата, обучающихся по
направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника». Может быть также использовано
«Техносферная безопасность», 22.03.02 «Материаловедение и технология материалов» и других направлений, образовательный стандарт которых включает предметы, связанные с изучением электротехнических
и конструкционных материалов.
студентами направлений 20.03.01
и электро-
УДК 621.315.5/.6(075.8)
ISBN 978-5-7782-2895-5 © Целебровский Ю.В., Черненко Н.А., 2016
© Новосибирский государственный
технический университет, 2016
2
ВВЕДЕНИЕ
Предмет «Электротехническое и конструкционное материаловедение» знакомит студентов с огромной областью знаний о свойствах и
применении постоянно обновляющегося множества материалов. Это
касается как техники вообще, так и электроэнергетики и электротехники в частности.
Свойства материалов необходимо знать и грамотно использовать
при разработке новых машин, механизмов, аппаратов и конструкций,
при проектировании электроэнергетических
троснабжения, при эксплуатации электрооборудования энергосистем и
электротехнических изделий. Любая ошибка в выборе или в создании
неверных условий эксплуатации материалов приводит к повреждению
электрооборудования и авариям в электроэнергетических системах.
Основой надёжности и экономичности электроустановок являются
правильно выбранные материалы и грамотная эксплуатация электрооборудования, учитывающая возможное старение и
алов, из которых изготовляется изделие.
Материаловедение в целом и «Электротехническое и конструкционное материаловедение» в частности, как никакой другой курс требует конкретных знаний о свойствах большого числа материалов. Безграничность числа материалов не предполагает запоминания всё
большего и большего количества свойств. Важно научиться разбираться в этих свойствах
рать материалы, удовлетворяющие условиям их применения в конкретном изделии.
В настоящем пособии представлены учебные задания, позволяющие на конкретных простейших примерах выбрать материалы для заданной конструкции или рассчитать характеристики этой конструкции
с заданными материалами.
В отличие от традиционных задачников в этом пособии
данные по материалам не приводятся. Их нужно разыскать самостоятельно, используя справочную литературу. Следует подчеркнуть эту
и с использованием справочной литературы выби-
3
объектов и систем элек-
коррозию матери-
исходные
особенность, отличающую задания настоящего пособия от привычных
физических задач, когда все исходные данные задаются условиями задачи. Выполняя задания, представленные в пособии, студент знакомится со спецификой конкретной инженерной деятельности, которая
всегда содержит элементы неопределённости, т. е. студент не «решает
задачку», а ищет инженерное решение.
Для облегчения этой деятельности сборник
начинается с рекомендаций по выполнению заданий (раздел 1). Эти рекомендации необходимо изучить перед началом практических занятий и освежать в памяти перед выполнением каждого из заданий.
Во втором разделе собраны сведения из физики и электротехники,
позволяющие сформулировать алгоритм выполнения задания и подобрать законы и расчётные выражения для каждого конкретного
задания. Эти законы и выражения необходимо понять и правильно применить, но это не главная цель изучения.
Главным является знакомство с конкретными материалами, описания и свойства которых представлены в справочной литературе. Эти
свойства не обязательно запоминать «на всю жизнь». Главный «багаж» – это приобретённый опыт работы со справочной
литературой,
который студент получает на практических занятиях. И этот багаж уже
терять не следует.
4
1. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАНИЙ
1.1. АЛГОРИТМ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ
Шаг 1. Формулировка задания.
Шаг 2. Определение величин, необходимых для выполнения за-
дания.
Шаг 3. Изучение и описание необходимых материалов с использо-
ванием справочной литературы.
Шаг 4. Выполнение вычислений, требуемых заданием и опреде-
лённых на шаге 2.
Шаг 5. Формулировка выводов.
Шаг 6. Список использованной литературы.
На шаге 1 следует дословно переписать
приведены в разделе 3. Студент выполняет задание под номером, установленным ему на весь семестр. Следует предостеречь студента от
оформления задания в виде «школьной задачки»:
задание. Тексты заданий
Дано:
….
….
….
Найти
….
Цель выполнения задания – не научиться решать задачки, а изучить
и правильно применить материал для рассматриваемого примера.
Переписав и осознав задание, можно переходить ко второму шагу.
5
1.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИН,
НЕОБХОДИМЫХ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ
Слово «определение» в заголовке шага 2 имеет двойной смысл: (а)
и (б).
В начале реализации этого шага следует разобраться с физической
сущностью задачи и подобрать необходимые законы и расчётные выражения, используя материал раздела 2. Если при этом встретятся затруднения, вам поможет преподаватель. С использованием
выбранных
соотношений задача решается в общем виде и доводится до конечного
выражения. В конечном выражении существуют величины, значения
которых приведены в задании, и величины, значения которых следует
найти в справочной литературе. По итогам этих действий студент
определяет (а) величины, поиск которых следует осуществить на шаге 3. Это «определение» в смысле (
а). После итоговой формулы студент пишет фразу: «Таким образом, для выполнения задания нам
необходимо найти значения … (и далее перечисляет величины)».
Каждая из этих величин имеет физическое определение (б). Такое
физическое определение (б) обычно представлено в форме: «Величиной Х называется…» или «Величина Х – это…». Для каждой из присутствующих в
конечном выражении величин с неизвестными значениями следует дать их письменное определение (б). Пример: «Магнитная индукция – это плотность магнитного потока».
Иногда в заданиях не приводятся значения некоторых вспомогательных величин, определяющих условия работы изделия. К таким
величинам относятся, например, температура, давление, частота и т. п.
В этом случае студент
вправе выбрать эти значения самостоятельно,
предварительно ознакомившись со справочной литературой.
1.3. РАБОТА СО СПРАВОЧНОЙ ЛИТЕРАТУРОЙ
Шаг 3 – это ядро задания. На этом шаге студент знакомится с материалами, упоминаемыми в задании, их составом, технологией изготовления, основными свойствами и областями применения.
Основным источником этих знаний является трёхтомный «Справочник по электротехническим материалам» [1, 2, 3].
Можно использовать и другую справочную литературу [4, 5, 6] и т. п. Следует только
предостеречь студента от использования сведений из Интернета.
6
В Интернете размещено огромное число рекламных и непроверенных
данных, которые не только не дают верного представления о материале, но могут привести и к ошибочным решениям. На практике это, как
правило, приводит к авариям и перерывам в энергоснабжении
1)
.
Начинать работу со справочниками [1, 2, 3] следует в читальном
зале библиотеки НГТУ. Прежде всего необходимо ознакомиться с содержанием всех трёх томов для того, чтобы получить общее понятие о
классах материалов, представленных в каждом томе. В дальнейшем
для поиска сведений о нужных материалах также следует начинать с
содержания. Допускается использовать и алфавитный
указатель материалов, имеющийся в каждом томе. Но при этом надо иметь в виду,
что не все материалы представлены в алфавитном указателе. Кроме
этого в начале второго тома приводится сводная таблица материалов,
подробные сведения о которых находятся в первом томе.
Отыскав расположение сведений о материале, студент начинает по-
дробно знакомиться с
этими сведениями. Настоятельно рекомендуется
прочитать всё о классе материалов, к которому принадлежит изучаемый.
Это особенно необходимо, если предстоит выбор типа материала.
При изучении класса материалов и конкретных представителей
этого класса следует составлять реферат, в котором отражать состав,
технологию изготовления, свойства и области применения материала.
При внесении в реферат сведений о
материале необходимо достичь
ясного их понимания и особенно свойств материала. Если приводится
значение свойства, которое не определено на шаге 2, в реферате желательно дать и определение этой величины. Сканирование и включение
в реферат таблиц из справочника не рекомендуется. Если в задании
предстоит выбор материала по значениям определённых параметров,
надо составить сводную
таблицу, содержащую различные материалы
со значением обсуждаемых параметров. Из этой таблицы на шаге 4
выбирается необходимый материал.
В реферате непременно даны должны быть даны ссылки на литературу, из которой взяты те или иные сведения. Обычно ссылки на литературу делаются в квадратных скобках, в которых указывается номер
литературы по списку,
приводимому в конце задания (шаг 6). При вы-
полнении задания ссылку рекомендуется расширить, указав в квадрат-
1)
А на практических занятиях задания, выполненные на основе сведений
из Интернета, не принимаются.
7
ных скобках кроме номера литературы по списку также страницу, номер таблицы и (или) номер рисунка. Примеры ссылок можно посмотреть в разделе 4.1 «Примеры выполнения заданий».
Рисунки и таблицы в реферате нумеруются по порядку. Каждый
рисунок и таблица должны иметь наименование.
1.4. ВЫЧИСЛЕНИЯ И ВЫВОД
На шаге 4 «Выполнение вычислений, требуемых заданием
и опре-
делённых на шаге 2» найденные на шаге 3 значения необходимых параметров материала подставляются в конечное выражение (конечные
выражения), полученное на шаге 2. При этом вначале пишется конечное выражение, затем в него подставляются значения с наименованиями единицы измерения в системе СИ. После этого вычисляется результат (результаты) и пишется
полученное значение с наименованием
единицы измерения в системе СИ. Допускается использовать кратные
и дольные единицы. При этом конечная единица измерения должна
образовываться из единиц, указанных в начальном выражении.
Не допускается после буквенного выражения сразу писать резуль-
тат вычисления.
Если значения параметра даются в определённом диапазоне, то вы-
числения проводятся для нижнего
и верхнего значений этого диапазона.
Вычисление значений при этом также приводится в определённом диапазоне. В некоторых заданиях оговаривается возможность или необходимость определять только максимальные или минимальные значения
определяемых величин. В таких заданиях рассчитывать верхнее и нижнее значение не обязательно.
Результаты вычислений можно сверить с ответами, приведёнными
в
разделе 4.
На шаге 5 «Формулировка выводов» следует просто и ясно сформулировать итог выполнения задания. Это формулировка не должна
содержать очевидных фраз типа: «При выполнении задания мы ознакомились…» и т. п. Вывод должен состоять из одной-двух фраз и содержать прямой ответ на вопрос, поставленный в задании.
8
1.5. ОФОРМЛЕНИЕ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИХ ССЫЛОК
Библиографические ссылки оформляются в соответствии с ГОСТ
Р 7.0.5–2008. Примеры оформления ссылок приведены в разделе 4.1.
В разделе 4 приводятся примеры выполнения заданий. Расчётные
выражения в этих примерах были взяты из раздела 2 настоящего задачника. При этом ссылки на источник не делались. Если расчётное
выражение в примере (или при выполнении
задания студентом) берётся из другого источника, ссылка на него приводится в обычном порядке [в квадратных скобках указывается номер источника в списке, представленном в конце задания], а сам источник – включается в список
использованной литературы.
9
2. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ
И РАСЧЁТНЫЕ СООТНОШЕНИЯ
2.1. РАСЧЁТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ, ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
ЁМКОСТИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
2.1.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ВЕЛИЧИН
Диэлектрическая проницаемость как параметр материала харак-
теризует поведение в электрическом поле заряженных частиц вещества, связанных в атомы, молекулы, кристаллы (не свободных). При
воздействии на материал внешнего электрического поля с напряжён-
ностью
ния
ция – это смещение (
ком и направлением поля. Поляризацию обозначают вектором поляризации
(
q × r) в единице объёма материала (V) и направлен против внешнего
поля:
Е , имеющего плотность потока электрического смеще-
пустоты
D Е , в нем происходит поляризация. Поляриза-
внешн 0 пустоты
r) связанных зарядов (q) в соответствии с их зна-
Р. Вектор поляризации Р равен сумме дипольных моментов
PV
qr
. (2.1)
Как видно из выражения (2.1), размерность вектора поляризации –
2
Кл/м . Поэтому вектор Р можно назвать плотностью потока поляри-
зации (смещения).
Суммарный поток электрического смещения в материале алгебраи-
чески складывается из внешнего потока с плотностью
электрического смещения, вызванного поляризацией –
вектор
Р противоположен вектору
D
внешн
, поток электрического сме-
D
внешн
и потока
Р. Поскольку
щения в материале уменьшается. Соответственно уменьшается напря-
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]