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 2

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ НА ЭВМ

Общие сведения о программах

Все программы, применяемые при изучении дисциплины « Материаловедение. Технология конструкционных материалов» первоначально были написаны на Турбо-Бейсике. Первые три программы были созданы еще в 2000 году, а в 2001 году – отмечены дипломом Министерства образования Российской Федерации. Эта награда послужила стимулом для создания новых программ. Первые программы создавались как копии лабораторных работ на стендах и в первую очередь предназначались для студентов заочного и вечернего отделения, которые по разным причинам не смогли выполнить лабораторные работы своевременно, поэтому изучали пропущенный материал самостоятельно на домашних компьютерах.

C 2000 года на кафедре создано уже 9 программ на Турбо-Бейсике. Эти программы можно разбить на три группы:

а) у программы есть аналог на стенде (в этом случае в описании приведена фотография стенда);

б) в основу программы положена работа на стенде, но порядок выполнения работы на ЭВМ существенно отличается от порядка выполнения на стенде (на ЭВМ реализовано построение зависимостей, получение которых на стенде обычно не проводится);

в) в программе изучается очень важная тема, для которой создать исследовательскую установку в условиях вуза нереально (например, исследование криопроводимости).

C 2004 года основные программы, в которых используются фотографии реальных экспериментальных установок, продублированы на Delphi. Это позволяет студентам проводить лабораторные работы приближенно к реальным условиям. В 2009 году новые лабораторные работы были отмечены дипломом Министерства образования и науки Российской Федерации.