- •М. В. Шкаруба материаловедение. Технология конструкционных материалов
- •Введение
- •Классификация материалов по электрическим свойствам
- •Классификация материалов по магнитным свойствам
- •Наибольшее распространение из конструкционных материалов нашли металлы и сплавы. Поэтому в разделе «Конструкционные материалы» основное внимание уделено металлам и сплавам.
- •Лабораторная работа № 1 исследование влияния температуры на емкость конденсатора и диэлектрические потери в нем
- •Теоретические положения
- •Порядок выполнения лабораторной работы
- •Лабораторная работа № 2 определение электрической прочности воздуха в равномерном и неравномерном электрических полях
- •Теоретические положения
- •Описание установки
- •Включение и отключение установки
- •Порядок выполнения работы
- •Лабораторная работа № 3 изучение физических явлений в сегнетоэлектрических материалах
- •Теоретические положения
- •Подготовка осциллографа gos-622g к работе
- •Порядок проведения работы
- •Лабораторная работа № 6 исследование свойств электротехнической стали
- •Теоретические положения
- •Описание лабораторной установки
- •Подготовка приборов к работе
- •Порядок проведения лабораторной работы
- •Лабораторная работа № 7 исследование свойств ферримагнитных материалов
- •Теоретические сведения о магнитных свойствах материалов
- •Порядок выполнения лабораторной работы
- •Часть 2 лабораторные работы на эвм Общие сведения о программах
- •Лабораторная работа № 2 исследование влияния температуры на удельное сопротивление чистых металлических проводников
- •Теоретические положения
- •Описание установки и обработки результатов измерения
- •Порядок выполнения работы
- •Лабораторная работа № 3 исследование криопроводимости металлов
- •Теоретические положения
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Лабораторная работа № 4 исследование влияния температуры на удельное сопротивление сплавов высокого сопротивления
- •Теоретические положения
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Лабораторная работа № 5 исследование влияния температуры на удельную электропроводность полупроводника
- •Теоретические положения
- •Зависимость электропроводности полупроводников от температуры
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Лабораторная работа № 8 испытание материалов на растяжение
- •Подготовка к работе
- •Порядок выполнения работы
- •Библиографический список
- •Содержание
- •Часть 1. Лабораторные работы на стендах 5
- •Часть 2. Лабораторные работы на эвм 48
- •Лабораторная работа № 2
- •Исследование влияния температуры на удельное сопротивление сплавов высокого сопротивления 68
- •Лабораторная работа № 7
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:
диэлектрики;
проводники;
полупроводники;
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.