Реферат: Материаловедение

Вопросы кконтрольной работе.

1.

Опишитесвойства нагревостойких диэлектриков, область их применения.

2.

Объяснитемеханизм пробоя жидких диэлектриков.

3.

Чтопроисходит при контакте двух полупроводников с разным типом проводимости.Начертите вольт — амперную характеристику полупроводникового диода с краткимобъяснением этой характеристики.

4.

Перечислитеосновные параметры магнитных материалов и начертите «петлю гистерезиса».

5.

Опишитетребования, предъявляемые к контактам и материалам, которые применяются для созданиякачественного контакта.

1.

Опишитесвойства нагревостойких диэлектриков, область их применения.

К важнейшим тепловым свойствам диэлектриковотносятся нагревостойкость, холодостойкость, теплопроводность, и тепловоерасширение.

Способность электроизоляционныхматериалов и изделий без вреда для них как кратковременно, так и длительновыдерживать воздействие высоких температур, называют нагревостойкостью.

Нагревостойкость неорганическихдиэлектриков определяется, как правило, по началу существенного измененияэлектрических свойств, например по заметному росту угла диэлектрических потерь(tg ) или снижению удельногоэлектрического сопротивления. Нагревостойкость оценивают соответствующимизначениями температуры (в оС), при которой появились эти изменения.

Нагревостойкость органическихдиэлектриков часто определяют по началу механических деформаций растяжения илиизгиба, погружению иглы в материал под давлением при нагреве. Однако и для нихвозможно определение нагревостойкости по электрическим характеристикам.

Способы оценки нагревостойкости(например способ Мартенса), температуры размягчения материалов (способ кольца ишара и др.) достаточно условны, так как форма и размеры образца, характер изначение механической нагрузки, скорость возрастания температуры и предельныедеформации выбираются произвольно.

Температуру жидкости, при нагреведо которой смесь паров её с воздухом вспыхивает при поднесении к ней небольшогопламени, называется температурой вспышки.Температура воспламенения – ещё более высокая температура, при которой приподнесении пламени испытуемая жидкость загорается.

Эти характеристики представляютособый интерес при оценке качества трансформаторного масла, а также растворителей, применяемых впроизводстве электроизоляционных лаков.

Вопрос о наивысшей допустимой рабочей температуререшается на основании тщательного изучения кратковременной и длительнойнагревостойкости материала с учётом коэффициента запаса, зависящего от условийэксплуатации, степени надёжности и срока службы изоляции.

Если ухудшение качества изоляцииможет обнаружиться только при длительном воздействии повышенной температуры, тоэто явление называют тепловым старениемизоляции. Старение может проявляться, например, у лаковых плёнок и целлюлозныхматериалов в виде повышения твёрдости и хрупкости, образовании трещин и т. п.

Скорость старения зависит оттемпературы, при которой работает изоляция электрических машин и другихэлектроизоляционных конструкций.

Помимо температуры, влияние наскорость старения могут оказывать изменение давления воздуха или концентрациякислорода, присутствие озона (более сильного, чем кислород, окислителя), атакже химических реагентов, замедляющих или ускоряющих старение. Тепловоестарение ускоряется от освещения ультрафиолетовыми лучами, от воздействия электрическогополя, механических нагрузок и т. п.

Возможность повышения рабочейтемпературы изоляции для практики очень важна. В электрических машинах иаппаратах повышение нагрева, которое обычно ограничивается именно материаламиэлектрической изоляции, даёт возможность получить большую мощность при тех жегабаритах или же при сохранении мощности уменьшить размеры и стоимость изделия.

ГОСТ предусматривает разделениеэлектроизоляционных материалов для электрических машин, трансформаторов иаппаратов на классы нагревостойкости, для которых фиксируются наибольшие допустимыерабочие температуры при использовании этих материалов в электрооборудованииобщего применения, длительно работающего в нормальных для данного вида электрооборудованияэксплуатационных условиях..

класс нагревостойкости

наибольшая допустимая рабочая температура, оС

105

120

130

155

180

более 180

При этих температурах обеспечиваютсяцелесообразные сроки службы электрооборудования.

К классу Y относятсяволокнистые материалы на основе целлюлозы и шёлка (пряжа, ткани, ленты, бумаги,картоны, древесина и т.п.), если они не пропитаны и не погружены в жидкийэлектроизоляционный слой.

К классу А относятся те же органические волокнистые материалы, если ониработают пропитанными лаками либо компаундами или погружены в жидкийэлектроизоляционный материал, то есть защищены от непосредственногосоприкосновения с кислородом воздуха, который ускоряет тепловое старение материалов.К классу А относятся такжеполиамидные плёнки, литые полиамидные смолы, изоляция эмаль-проводов намасляно-смоляных и поливинилацеталевых лаках и т.п.

К классу Е принадлежат пластические массы с органическим наполнителем итермореактивным связующим типа фенолоформальдегидных и подобных им смол(гетинакс, текстолит, пресс-порошки с наполнением древесной мукой и т.п.),полиэтилентерефталатные плёнки, эпоксидные, полиэфирные и полиуретановые смолыи компаунды, изоляция эмалированных проводов на полиуретановых и эпоксидныхлаках и т.д.

Таким образом к классам Y, А, Е относятся в основном чисто органическиеэлектроизоляционные материалы.

В класс В входят материалы, для которых характерно большое содержаниенеорганических компонентов, например щепаная слюда, асбестовые и стекловолокнистыематериалы в сочетании с органическими связующими и пропитывающими материалами;таковы большинство миканитов (в том числе с бумажной или тканевой органическойподложкой), стеклолакоткани, стеклотекстолиты, на фенолформальдегидныхтермореактивных смолах, эпоксидные компаунды с неорганическими наполнителями ит.п.

К классу Fпринадлежат миканиты, изделия на основе стекловолокна без подложки или снеорганической подложкой, с применением органических связующих и пропитывающихматериалов повышенной нагревостойкости; эпоксидных, термореактивных полиэфирных,кремнийорганических.

Материалы класса Н получаются при использованиикремнийорганических смол особо высокой нагревостойкости.

К классу С относятся чисто неорганические материалы, совершенно безсклеивающих или пропитывающих органических составов. Это слюда, стекло истекловолокнистые материалы, кварц, асбест, микалекс, непропитанный асбоцемент,шифер, нагревостойкие (на неорганических связующих) миканиты и т.п. Из всехорганических электроизоляционных материалов к классу нагревостойкости С относятся только политетрафторэтилен(фторопласт 4) и материалы на основе полиимидов (плёнки, волокна, изоляция эмалированныхпроводов и т.п.).

Для ряда диэлектриков, вособенности хрупких (стёкла, керамические материалы и пр.), важна стойкость поотношению к резким сменам температуры (термоударам), в результате которых вматериале могут образоваться трещины.

2.

Объяснитемеханизм пробоя жидких диэлектриков.

Диэлектрик, находясь вэлектрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, еслинапряжённость поля превысит некоторое критическое значение. Это явлениеназывается пробоем диэлектрика, тоесть нарушением его электрической прочности. Значение напряжения, при которомпроисходит пробой диэлектрика,называется пробивным напряжением, асоответствующее значение напряжённости поля – электрической прочностью диэлектрика.

Электрическая прочностьопределяется пробивным напряжением, отнесённым к току диэлектрика в местепробоя:

Епр =

Uпр

где Uпр– пробивное напряжение, а h– толщина диэлектрика.

Пробойжидких диэлектриков происходит в результате ионизационных тепловых процессов.Одним из главных факторов, способствующих пробою, является наличие в нихпосторонних примесей.

Предельночистые жидкости получить крайне трудно. Постоянными примесями в жидкостях являютсявода, газы и твёрдые частицы.

Наличиепримесей вызывает большие затруднения для создания точной теории пробоя этихвеществ. Поэтому представления теории электрического пробоя применяют кжидкостям, максимально очищенным от примесей.

При высокихзначениях напряжённости электрического поля может происходить вырывание электроновиз металла электродов и разрушение молекул самой жидкости за счёт ударовзаряженными частицами. При этом большая электрическая прочность жидкихдиэлектриков по сравнению с газообразными, объясняется значительно меньшейдлиной свободного пробега электронов.

Пробойжидкостей, содержащих газовые включения, объясняется местным перегревомжидкости (за счёт энергии, выделяющейся в сравнительно легко ионизирующихсяпузырьках газа), который приводит к образованию газового канала междуэлектродами.

Наличие воды в жидкомдиэлектрике, даже в очень небольших количествах, сильно снижает егоэлектрическую прочность. Вода при нормальной температуре не смешивается сжидким диэлектриком, а содержится в нём в виде мельчайших капелек. Под влияниемэлектрического поля эти капельки воды (сильно полярной жидкости) поляризуются исоздают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым ипроисходит электрический пробой.

Наблюдается своеобразнаязависимость электрической прочности жидкого диэлектрика, содержащего воду оттемпературы. При повышении температуры выше комнатной, вода переходит изсостояния эмульсии в состояние молекулярного раствора, в котором она болееслабо влияет на величину электрической прочности. Вследствие этогоэлектрическая прочность жидкого диэлектрика, в частности трансформаторногомасла, возрастает до некоторого максимума. А дальнейшее снижение электрическойпрочности объясняется явлениями кипения жидкости. При снижении температуры приусловии, когда вода не успевает испариться из масла, электрическая прочностьизменяется по той же кривой. В сухом масле, не содержащем воды, электрическаяпрочность не зависит от температуры в пределах до 80 оС, когданачинается кипение лёгких масляных фракций и образование большого количествапузырьков пара внутри жидкости.

Увеличениеэлектрической прочности трансформаторного масла при низких температурах связываютс увеличением вязкости масла и меньшими значениями диэлектрическойпроницаемости льда по сравнению с водой.

Твёрдыевкрапления (сажа, волокна и т. п.) искажают электрическое поле внутри жидкости и также приводят к снижениюэлектрической прочности диэлектрических жидкостей.

Очисткажидких диэлектриков, в частности масел, от примесей заметно повышаетэлектрическую прочность. Так, например, неочищенное трансформаторное маслоимеет электрическую прочность примерно 4 МВ/м; после тщательной очистки онаповышается до 20 – 25 МВ/м.

На пробой жидких диэлектриков,как и газов, оказывает влияние форма электродов: с увеличением степенинеоднородности электрического поля пробивное напряжение при одинаковыхрасстояниях снижается. В неоднородных электрических полях, так же как и вгазах, может быть неполный пробой – корона. Сколь либо длительная корона вжидких диэлектриках недопустима, так как она вызывает разложение жидкости.

Так же к факторам, влияющим наэлектрическую прочность, следует отнести частоту тока. С увеличением частоты электрическая прочность жидких диэлектриковуменьшается.

3.

Чтопроисходит при контакте двух полупроводников с разным типом проводимости.Начертите вольт-амперную характеристику полупроводникового диода с краткимобъяснением этой характеристики.

В электротехнике особое значение получила односторонняяэлектропроводность пластинки, состоящей из половинок с разными типамиэлектропроводности (p иn). На этом принципеосновано действие полупроводниковых диодов.

Электроды, на которые может бытьподана определённая разность потенциалов, наложены на торцы пластинки.

Без создания электрического поляза счёт поданных на электроды потенциалов на границе между половинками сразными типами проводимости в так называемом электронно-дырочном переходе (или p – n-переходе) образуется тонкийзапорный слой, порядка 10-5 см, через который не проходят ниэлектроны, ни «дырки». Механизм образования этого запорного слоя сводится кследующему физическому процессу.

В половинке с p-проводимостью концентрация «дырок»больше, чем в зоне с n-проводимостью;в последней же имеется повышенная концентрация электронов. Благодаря этомупроисходит диффузия «дырок» и электронов из одной половины в другую, приводящаяк появлению отрицательного заряда у p – n-перехода в области с p-проводимостью и положительного заряда в области с n-проводимостью. Эти зарядысоздают внутреннее диффузное поле, прекращающее диффузию «дырок» и электроновчерез зону действия этого поля – через запорный слой. При приложении кэлектродам разности потенциалов, когда на электрод, присоединённый к половинкес p-проводимостьюподсоединён отрицательный, а к электроду половинки с n-проводимостью – положительный полюс,создаваемое ими поле совпадает с диффузным полем, p – n-переход остаётся запертым – токпроходить не будет.

При приложении разностипотенциалов противоположных знаков внешнее поле будет направлено противдиффузного, в результате чего через p – n-переход будут свободно проходить электроны и «дырки», полупроводникповышает электропроводность – через пластинку пройдёт ток, p – n-переход будет открыт.

В реальных полупроводниках посравнению с этой теоретической картиной будет следующее отличие: благодаряналичию неосновных носителей (в p-зоненекоторого количества электронов и в n-зоне некоторого количества «дырок») в запертом состоянии через p – n-переход при наличииразности потенциалов на электродах будет осуществляться слабое проникновениеэлектронов и «дырок», будет некоторая остаточная проводимость, обуславливающаяналичие слабого обратного тока.

Полупроводниковые диоды разныхтипов имеют примерно следующую вольт-амперную характеристику.

+I, A

+ U, B

— U, B

— I, mA

В правой части характеристики дана зависимостьпрямого тока от напряжения в пропускном (прямом) направлении. В левой части – зависимостьобратного тока от напряжения в запирающем (обратном) направлении. Численные значениятоков и напряжения изменяются в очень больших пределах в зависимости от свойствполупроводника.

4.

Перечислитеосновные параметры магнитных материалов и начертите «петлю гистерезиса».

По особенностям магнитных свойстввсе материалы и вещества могут быть разделены на два вида: парамагнетики идиамагнетики. Парамагнетики отличаются тем, что при помещении их в магнитноеполе они усиливают его внутри себя вследствие совпадения их намагничивания снаправлением внешнего поля.

Диамагнетики ослабляют внутри себя магнитное поле,действующее извне, вследствие того что их намагничивание направлено противвнешнего поля.

Магнитные свойства материалов связаныс вращением электронов в атомных ядрах вокруг собственных осей – электронные спины и орбитальным вращениемэлектронов в атомах. Электроны, вращающиеся в атоме, являются элементарнымимагнитиками данного тела.

Кроме диамагнетиков ипарамагнетиков, существуют ещё ферромагнетики– материалы, магнитнаяпроницаемость которых значительно больше единицы и зависит от напряжённостимагнитного поля (у диамагнетиков и парамагнетиков этой зависимости нет ивеличина их магнитной проницаемости постоянна). Поэтому у ферромагнетиковзависит от напряжённости также и намагниченность и индукция.

В качестве магнитных материалов вэлектротехнике применяются ферромагнетики и ферримагнитные химическиесоединения (ферриты).

Явление ферромагнетизма связано собразованием внутри некоторых материалов ниже определённой температуры (точкаКюри) таких кристаллических структур, при которых электронные спины в пределахопределённых областей – магнитных доменов,оказываются ориентированны параллельно друг другу и одинаково направленными. Тоесть у ферромагнетика существует самопроизвольная (спонтанная) намагниченностьбез приложения внешнего магнитного поля. Но магнитные моменты отдельных доменоврасположены неупорядоченно, вследствие чего суммарная намагниченность их равнанулю.

При наложении внешнего, дажеслабого магнитного поля происходит рост доменов, намагниченность которыхсовпадает с внешним полем или близка к направлению внешнего поля, содновременным сокращением размеров доменов, намагниченность которых сильно несовпадает с направлением внешнего поля. При достаточно сильном внешнем полеимеет место поворот векторов намагниченности некоторых доменов до их полногосовпадения с направлением внешнего поля. В сильных полях завершаются ростдоменов и поворот их векторов намагниченности, наступает магнитное насыщение.

Описанный выше процесс находит своё отражение накривой намагничивания, представляющей собой зависимость магнитной индукции вматериале от напряжённости магнитного поля. Магнитная проницаемость с ростомнапряжённости магнитного поля проходит через максимум.

У ферритов физическая природамагнетизма несколько отличается от природы магнетизма обычных ферромагнетиков,но по основным техническим свойствам они во многом схожи друг с другом.

Если медленно производитьнамагничивание ферромагнетика во внешнем магнитном поле, а затем, начиная скакой – либо точки основной кривой намагничивания, начать уменьшатьнапряжённость поля, то индукция будет также уменьшаться, но не по основнойкривой, а с отставанием.

То есть кривая изменения индукциипримет форму замкнутой кривой – «петлигистерезиса».

— Br

— Нс

Нс

В зависимости от значенийнапряжённости внешнего магнитного поля можно получить целое семейство петельгистерезиса. Выберем из этих циклов предельный цикл, при котором достигаетсянамагничивание материала до насыщения Вмакс.Значение В при Н = 0 в процессе размагничивания образца, намагниченного донасыщения, называется остаточнойиндукциейBr . Для доведенияостаточной индукции до нуля необходимо довести силу магнитного поля до значения- Нс (приложить обратнонаправленную напряженность поля Нс),называемого коэрцитивной (задерживающей)силой.

Материалы с малым значениемкоэрцитивной силы и большой магнитной проницаемостью называются магнитно-мягкими материалами. Материалыс большой коэрцитивной силой и сравнительно малой проницаемостью носят названиемагнитно-твёрдых материалов.

Циклическое перемагничиваниематериала происходит с определёнными потерями энергии, её рассеиванием внутриматериала в виде выделяющегося тепла. Что обусловлено потерями на гистерезис и динамическимипотерями. Динамические потери вызываются вихревыми токами, индуктированными в массе магнитного материала, аотчасти и так называемой магнитнойвязкостью, или магнитнымпоследействием. Потери на один цикл перемагничивания пропорциональныплощади петли гистерезиса и зависят от качества материала.

При температурах выше точки Кюри, магнитныематериалы теряют свои ферромагнитные свойства. Для разных материалов точка Кюриимеет разные значения, являясь характеристикой магнитного материала.

Магнитные свойстваферромагнетиков в виде монокристаллов различны в разных направлениях. В поликристаллическихматериалах, каковыми являются обычно технические ферромагнетики, магнитная анизотропияимеет место за счёт условий обработки, например проката.

Магнитная анизотропия являетсяпричиной магнитострикции – измененияразмеров при намагничивании.

Часть магнитных материалов хорошоподдаётся обычным методам обработки: прокатывается в достаточно тонкие листы(главным образом магнитно-мягкие материалы), куётся и отливается (главнымобразом магнитно-твёрдые материалы). Другие материалы в силу особенности своихсвойств не поддаются этим методам обработки. Различные детали из них могут бытьполучены металлокерамическим способом (методом порошковой металлургии).

5.

Наиболее ответственными контактами, применяемыми вэлектротехнике, являются контакты, служащие для периодического замыкания иразмыкания электрических цепей (разрывные и скользящие контакты).

Материалы для разрывныхконтактов, применяемые при больших силах тока и высоких напряжениях должныобеспечивать высокую надёжность при малом переходном электрическомсопротивлении контактов в замкнутом состоянии, то есть исключать возможностьобгорания контактирующих поверхностей и приваривания их друг к другу поддействием электрической дуги, возникающей при разрыве контакта.

В качестве конструкционныхматериалов для разрывных контактов, помимо чистых тугоплавких металлов(например вольфрам), применяются различные сплавы и металлокерамическиекомпозиции. Большое применение имеет материал системы серебро – окись кадмия (Ag – CdO). Для разрывныхконтактов в установках большой мощности применяют композиции серебра (Ag) с кобальтом (Co), никелем (Ni), хромом (Cr), вольфрамом (W), молибденом (Mo), и танталом (Ta); меди (Cu) с вольфрамом и молибденом; золота (Au) с вольфрамом и молибденом.

Материалы для скользящихконтактов должны обладать высокой стойкостью к истиранию. Для их изготовленияприменяют холоднотянутую (твёрдую) медь, бериллиевую бронзу, а также материалысистемы Ag – CdO.

Для образования скользящегоконтакта между неподвижной и вращающейся частями электрической машины, то есть для подвода (или отвода) тока к коллекторуили контактным кольцам, служат щётки.

Выпускается несколько марокщёток, отличающихся друг от друга составом и технологией изготовления. Дляразличных марок характерны определённые значения удельного сопротивления,допустимой плотности тока, линейной скорости на коллекторе, коэффициентатрения, твёрдости щёток и т.д.

Различают щётки угольно-графитные (УГ), графитные (Г), электрографитированные(ЭГ), то есть подвергнутыетермической электрообработке – графитированию, медно-графитные (М и МГ) – с содержанием металлической меди.

Щётки с содержанием порошковогометалла обладают особенно малым электрическим сопротивлением и даютнезначительное контактное падение напряжения между щётками и коллектором.

Для создания постоянного (неразрывного или скользящего) контакта с малым переходным сопротивлениемприменяются пайка и сварка металлов.

Списоклитературы.

1.

2.

еще рефераты

Еще работы по материаловедению

Реферат по материаловедению

Производство заготовок валов

29 Августа 2013

Реферат по материаловедению

Расчёт калибров

29 Августа 2013