ПРАВИТЕЛЬСТВО САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

КОМИТЕТ ПО НАУКЕ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«АВТОТРАНСПОРТНЫЙ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

Конспект лекций

Специальность: 270843 Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных гражданских зданий

Дисциплина: Электротехнические материалы

2014 Электромагнитное поле

Электромагнитное поле – это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами.

Электрическое поле – возникает вокруг неподвижных заряженных частиц или при изменении магнитного поля и обнаруживается по силовому воздействию на не неподвижные заряженные частицы.

Закон Кулона: сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

где q₁, q₂ – величина зарядов, Кл;

r – расстояние между зарядами, м;

ε_а – абсолютная диэлектрическая проницаемость, учитывает влияние среды на электрическое поле, Ф/м.

Магнитное поле – возникает вокруг подвижных заряженных частиц или при изменении электрического поля и обнаруживается по силовому воздействию на подвижные заряженные частицы.

Закон Ампера: сила, действующая на проводник с током, помещённый в однородное магнитное поле, прямо пропорциональная произведению магнитной индукции на силу тока, длину участка проводника и синус угла между вектором магнитной индукции и проводником.

где I₁, I₂ – сила токов в проводниках, А;

l – длинна проводников, м;

r – расстояние между проводниками, м;

µ_а – абсолютная магнитная проницаемость, учитывает влияние среды на магнитное поле, Гн/м.

Электрические и магнитные поля не существуют обособленно (независимо), т.К. Порождают друг друга. Электротехнические материалЫ

Электротехнические материалы – это материалы, обладающие определёнными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике с учётом этих свойств (различные материалы подвергаются воздействиям как отдельно электрических и магнитных полей, так и их совокупности).

Применение: электрические машины, аппараты, приборы и другие элементы электрооборудования и электроустановок.

Классификация электротехнических материалов.

1. В электрическом поле.

   1. Проводниковые материалы (проводники) – это материалы, в которых под действием электрического поля возникает электрический ток (металлы и их сплавы, графит).

В проводниках есть свободные носители заряда и под действием электрического поля они приобретают направленное движение. Такое упорядоченное движение электрических зарядов и есть электрический ток.

Применение: токоведущие части электрических машин, аппаратов и сетей.

2. Полупроводниковые материалы (полупроводники) – это материалы, в которых под действием эклектического поля возникает электрический ток, но их проводимость зависит от внешних условий (температуры, примесей, света, электрического и магнитного полей, давления, ядерного излучения и т.д.) (германий Ge, кремний Si, карбид кремния SiC).

Применение: электронная техника (диоды, транзисторы, тиристоры).

3. Диэлектрические материалы (диэлектрики) – это материалы, которые под действием электрического поля не создают электрический ток в обычных условиях, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле (резина, пластмассы, стекло).

В диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться, при этом происходит разделение центров положительного и отрицательного зарядов, т.е. поляризация.

Применение: изоляция токоведущих частей друг от друга, окружающих предметов и персонала.

2. В магнитном поле.

   1. Слабомагнитные материалы – это материалы, у которых магнитная восприимчивость очень мала (медь Cu, алюминий Al, свинец Pb, органические соединения).

Применение: не нашли широкого применения в технике.

2. Сильномагнитные материалы (магнетики) – это материалы, которые под действием магнитного поля намагничиваются и тем самым усиливают его (железо Fe, никель Ni, кобальт Co и их сплавы).

Применение: сердечники и магнитопроводы электрических машин и аппаратов, постоянные магниты.

Указанная классификация очень приблизительна, поэтому в пределах названных основных групп материалы систематизируются в подгруппы, причём при выборе критерия нет единства.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ

Механические характеристики позволяют оценить способность материалов выдерживать внешние статические и динамические нагрузки, необходимы для выбора технологической обработки материалов (резание, штамповка, литьё), расчёта на прочность, контроля и диагностирования состояния деталей конструкций в процессе эксплуатации.

Испытание на растяжение проводят на цилиндрических образцах и брусках с прямоугольным сечением. Образец закрепляют концами в захватах испытательной машины. Нижний захват неподвижен, к другому прикладывают разрушающее растягивающее усилие, которое плавно увеличивают с определённой скоростью до момента разрыва образца.

1. Пластичность – это свойство материала необратимо изменять свою форму и размеры под воздействием внешних механических нагрузок.

Относительное удлинение

где ∆l_ост – приращение длины образца после разрыва, мм;

l₀ – первоначальная длина образца, мм.

Чем больше значение относительного удлинения, тем пластичнее материал.

2. Прочность – это свойство материала сопротивляться деформации или разрушению под воздействием внешних механических нагрузок.

Разрушающее напряжение при растяжении (предел прочности при растяжении)

где Р_р – разрушающая нагрузка при разрыве образца, Н;

S₀ – площадь поперечного сечения образца до испытания, мм².

Чем больше значение предела прочности, тем прочнее материал.

3. Твёрдость – это свойство материала сопротивляться проникновению в его поверхность более твёрдого тела (индентора).

Индентор – твёрдосплавный наконечник в виде шара, пирамиды или конуса, твёрдость которого существенно превосходит твёрдость испытуемого материала.

По методу Бринелля в поверхность материала вдавливается стальной шарик.

где Р – нагрузка на индентор, Н;

S_отп – площадь поверхности отпечатка, мм².

По методу Виккерса в поверхность материала вдавливается алмазная четырёхгранная пирамида под действием нагрузки.

Чем больше значение твёрдости, тем более твёрдый материал.

4. Ударную вязкость – это свойство материала сопротивляться ударной нагрузке.

Испытание на ударный изгиб проводят на брусках с прямоугольным сечением (для металлов с надрезом U-образным и V-образны). Образец помещают в маятниковом копре. Удар, наносимый по центру образца маятником, плавно увеличивают. Указатель на шкале копра фиксирует значение работы, затрачиваемой маятником на разрушением образца.

где ∆А – работа, затраченная маятником на разрушение образца, МДж.

Чем больше значение ударной вязкости, тем менее хрупок материал.