Классификация материалов по электрическим свойствам

Все материалы в зависимости от их электрических свойств можно разделить на диэлектрики, проводники и полупроводники. Различие между диэлектриками, проводниками и полупроводниками наиболее наглядно можно показать с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердых тел [2]. В энергетической диаграмме твердого тела различают три зоны: заполненная электронами, запрещенная (такие энергии электроны данного материала иметь не могут) и зона проводимости (свободная зона) (рис. 1).

У диэлектрика запрещенная зона настолько велика (3,5 эВ), что свободные электроны практически не возникают и электроны в обычных условиях не наблюдается, так как энергию3,5 эВ имеют лишь фотоны космических лучей и радиоактивного излучения.

Полупроводники имеют узкую запрещенную зону (3,5 < < 0), которая может быть преодолена за счет внешних воздействий (облучение полупроводника, нагрев и т. д.), и у материала появляется проводимость.

У проводников заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне проводимости или даже перекрывается ею (). Вследствие этого электроны из заполненной зоны могут свободно переходить на незанятые уровни зоны проводимости под влиянием слабой напряженности электрического поля и вызывать протекание тока.

Рис. 1. Энергетические диаграммы диэлектриков (а), полупроводников (б), проводников (в)

Классификация материалов по магнитным свойствам

Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает магнитный момент. Если взять катушку и поместить в нее сердечники из разных материалов, то магнитное поле, возникающее внутри сердечника, будет усиливать или ослаблять внешнее поле в  раз. По магнитным свойствам все материалы можно разделить на две группы:

1) слабомагнитные (µ  1);

2) сильномагнитные (µ >> 1).

Слабомагнитные материалы в технике применяются редко, поэтому их рассматривать не будем. В энергетике в качестве магнитных материалов используются лишь материалы, у которых µ >> 1.

Таким образом, в разделе «Электротехнические материалы» будут рассмотрены следующие группы материалов:

1. диэлектрики;

2. проводники;

3. полупроводники;

4. магнитные материалы (µ >> 1).

Конструкционные материалы – твёрдые материалы, предназначенные для изготовления изделий, подвергаемых механическому нагружению.

Они делятся на типы, основными из которых являются:

− металлы и сплавы;

− неметаллические материалы (пластмассы, полимеры, древесина и др.);

− композиционные материалы.

Наибольшее распространение из конструкционных материалов нашли металлы и сплавы. Поэтому в разделе «Конструкционные материалы» основное внимание уделено металлам и сплавам.

Ко всем разделам, перечисленным выше, разработаны лабораторные работы на стендах и ЭВМ.

Электротехнические материалы

1. Диэлектрики (часть 1: лаб. работы № 1−3; часть 2: лаб. работа № 1);

2. Проводники (часть 1: лаб. работа № 4; часть 2: лаб. работы № 2–4);

3. Полупроводники (часть 1: лаб. работа № 5; часть 2: лаб. работы № 5–6);

4. Магнитные материалы (часть 1: лаб. работы № 6–7; часть 2: лаб. работа № 7).

Конструкционные материалы

Металлы и сплавы (часть 2: лаб. работа № 8).

Часть 1

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ НА СТЕНДАХ

Правила техники безопасности при выполнении лабораторных работ

Особенностью лабораторных работ по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» является то, что одна из работ (№2) выполняется на установке высокого напряжения. Это обстоятельство, а также то, что студенты, как правило, не имеют квалификационной группы по технике безопасности в электроустановках до и выше 1000 В и не обучены правилам работы на установках высокого напряжения обуславливает дополнительные требования к организации проведения занятий. В соответствии с действующими правилами техники безопасности на лабораторных установках обязательно должны быть выполнены необходимые технические мероприятия, обеспечивающие безопасное проведение работ (установка защитных ограждений, заземлений, блокировки и сигнализаций, предупредительных плакатов и т. д.). Все студенты перед началом работы должны ознакомиться со специальной инструкцией по технике безопасности и расписаться в журнале. Лабораторные работы на установках выше 1000 В должны проводиться преподавателем, имеющим квалификационную группу не ниже четвертой (IV). Во время проведения работ в лаборатории должен обязательно присутствовать лаборант, причем преподаватель или лаборант должны постоянно находиться около высоковольтной установки и следить за работой студентов. По окончании работы преподаватель должен убедиться в том, что установка выключена и с нее снято напряжение.

Во время проведения лабораторных работ запрещается:

− включать схему под напряжение без разрешения преподавателя и без предупреждения всех работающих на данной установке;

− прикасаться к открытым токоведущим частям схемы, приборов и распределительных щитов;

− производить какие-либо измерения в схеме, находящейся под напряжением;

− выполнять лабораторные работы без надзора со стороны преподавателя или лаборанта;

− оставлять без наблюдения включенные под напряжением лабораторные установки, переходить во время выполнения лабораторных работ из одной бригады в другую.

При поражении электрическим током необходимо немедленно отключить напряжение на установке и на щите, сообщить об этом преподавателю или лаборанту и принять меры для оказания первой помощи пострадавшему.