Министерство образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Северо-Западный государственный заочный технический университет

Кафедра электроснабжения

Электроматериаловедение

Рабочая программа Задание на контрольную работу

Методические указания к выполнению контрольной работы Методические указания к выполнению лабораторных работ

Факультет энергетический Направления и специальности

подготовки дипломированных специалистов

650900 – энергетика

100400 – электроснабжение

654500 – электротехника, электромеханика, электротехнология

180200 – электрические и электронные аппараты

180100 – электромеханика

Направления подготовки бакалавров

551700 – электроэнергетика

551300 – электротехника, электромеханика, электротехнология

Санкт-Петербург

2003

1

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 621.315.6

Электроматериаловедение: Рабочая программа. Задание на контрольную работу. Методические указания к выполнению контрольной работы. Методические указания к выполнению лабораторных работ. – СПб.: СЗТУ, 2003. – с.

Программа дисциплины разработана в соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов высшего образования по направлениям подготовки дипломированных специалистов: 650900 – энергетика; 654500 – электротехника, электромеханика, электротехнология и направлениям подготовки бакалавров: 551700 – электроэнергетика, 551300 – электротехника, электромеханика, электротехнология.

Изложена рабочая программа дисциплины, включающая в себя основные группы электротехнических материалов. В число тем, подлежащих изучению, включены процессы, возникающие в диэлектрических, полупроводниковых, проводниковых и магнитных материалах в электромагнитных полях в зависимости от состава, структуры и внешних воздействий; основные характеристики и классификации основных групп материалов.

Представлены задания на контрольную работу и методические указания к её выполнению.

Дано описание лабораторных работ, предназначенных для закрепления студентами полученных теоретических знаний, и методические указания к их выполнению.

Рассмотрено на заседании кафедры электроснабжения 19.03.2003 г., одобрено методической комиссией энергетического факультета 01.04.2003 г.

Рецензенты: кафедра электроснабжения СЗТУ (Е.А. Родченко , канд. техн. наук, доцент); Г.А. Анисимова, гл. спец. производственного технического управления АО «Ленэнерго» .

Составители: В.С. Гончар, канд. техн. наук, доц.; Т.Е. Харламова, канд. физ-мат. наук, доц.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2003

2

Предисловие

Целью данной дисциплины является изучение свойств электротехнических материалов, проявляющихся в электромагнитных полях, в зависимости от их состава, структуры и окружающей среды.

Основными задачами изучения дисциплины являются:

-знакомство с основными достижениями в области электроматериаловедения;

-понимание физико-химических процессов, эффектов и явлений, происходящих в электрических, магнитных, тепловых, механических и радиационных полях;

-умение правильно выбрать материал для изделия, элемента, устройства, работающих в тех или иных условиях;

-способность понимать научно-технические аспекты содержания дисциплины в общей структуре изучения отрасли.

Содержанием дисциплины являются:

-структурные схемы дисциплины в целом и структурные схемы каждой из основных групп материалов: диэлектриков, полупроводников, проводников и магнитных материалов;

-основные сведения о составе, структуре и влиянии окружающей среды на свойства веществ (электротехнических материалов);

-энергетические диаграммы твердых тел;

-явления, процессы, характеристики каждой группы материалов и их основные параметры в электрическом и магнитном полях;

-классификация электротехнических материалов по отношению к электрическому полю и по отношению к магнитному полю, классификация диэлектриков, полупроводников, проводников и магнитных материалов, основные справочные характеристики каждой из основных групп материалов.

Дисциплина «Электроматериаловедение» базируется на курсах физики, химии, математики, теоретических основ электротехники. На знаниях, приобретенных в результате изучения данной дисциплины, базируется целый ряд специальных дисциплин.

Студенты изучают «Электроматериаловедение» на II курсе во 2-м семестре, выполняют одну контрольную работу и четыре лабораторные работы, после этого сдают экзамен.

3

I.Содержание дисциплины

Рабочая программа

Объем (90 часов)

Введение (4 часа) [1], с. 9…15

Электроэнергетика, электротехническая промышленность, электроснабжение неразрывно связаны между собой. Они занимаются разработкой и производством электрической энергии, электрических машин, аппаратов, устройств и их компонентов, необходимых для генерирования, передачи, распределения и использования электрической энергии.

Электротехническая продукция нашла применение в технике и технологии всех отраслей промышленности, сельского хозяйства, транспорта, коммунального хозяйства.

Надежность работы электротехнического оборудования: электротехнических машин, аппаратов, установок в основном зависит от качества и правильного выбора соответствующих электротехнических материалов. Потери энергии, габариты и вес, а также аварии электрического оборудования в основном определяются свойствами выбранных электротехнических материалов: диэлектриков, магнитных материалов, проводников и др.

Повышение эффективности производства, передачи и потребления электроэнергии, уменьшение материалоемкости, габаритов и энергопотребления электрооборудования, интенсификация экономики и ускорение научнотехнического прогресса – важнейшие задачи настоящего времени и ближайшего десятилетия. Это означает для электротехнической промышленности расширение фронта научных исследований и промышленного внедрения перспективных электротехнических материалов.

В структуре затрат на производство электротехнической продукции на долю материалов приходится ~ 70%, а иногда и больше.

Новая техника и технологические процессы в области материаловедения позволяют успешно решать многие задачи (проблемы): повышение основных электрических параметров материалов, их физико-химические, тепловые и радиационные свойства, осуществление перехода от одних (более дефицитных) к другим, более экономически выгодным материалам.

4

РАЗДЕЛ 1. Диэлектрики (24 часа) [1], с. 57...183; [2], с. 6…35

1.1.Основные особенности диэлектрических материалов.

1.2.Поляризация диэлектриков.

Взаимодействие связанных противоположных электрических зарядов с электрическим полем. Поляризуемость и её связь с относительной диэлектрической проницаемостью. Заряд на поверхности твердых тел. Типы поляризации веществ. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости от внешних факторов, её величина для разных групп диэлектриков. Электретный эффект.

1.3. Электропроводность диэлектриков.

Природа электропроводимости материалов. Удельная объемная (и удельная поверхностная) электропроводность газообразных, жидких и твердых диэлектриков. Влияние на неё температуры, высоких электрических полей, влажности и других факторов.

1.4. Диэлектрические потери.

Виды потерь. Схемы замещения идеальных и реальных диэлектриков; их векторные диаграммы токов и напряжений. Зависимость диэлектрических потерь от различных факторов для однородных и структурнонеоднородных диэлектриков.

1.5. Пробой диэлектриков в электрическом поле.

Виды пробоя и их характеристики. Зависимости электрической прочности газообразных, жидких и твердых диэлектриков от внешних и внутренних факторов.

Ионизационный пробой, его особенности, характеристики и способы повышения прочности газообразных диэлектриков.

Электронный пробой, его особенности, характеристики и связь с однородностью структуры твердых диэлектриков.

Электрохимический пробой, его особенности, характеристики и связь с составом диэлектрика, его температурой, влажностью, с частотой электрического поля.

Электротепловой пробой, его особенности, характеристики, связь с диэлектрическими потерями, температурой окружающей среды, теплоотводом, формой изделия.

Поверхностный пробой, его связь с состоянием окружающей среды и состоянием поверхности, а также с формой изделия.

1.6. Физико-механические, химические и радиационные свойства диэлектриков.

Плотность, вязкость, влагопроницаемость, гигроскопичность материалов; нагревостойкость, теплопроводность, температурный коэффициент расширения, температура размягчения, плавления, тепловое старение диэлектриков.

5

Механические свойства: прочность на сжатие, растяжение, изгиб, удар.

Химические свойства: стойкость к агрессивным средам.

Влияние радиационных излучений на основные свойства диэлектриков.

1.7. Классификация диэлектриков.

Газообразные и жидкие диэлектрики. Твердые органические, неорганические и элементоорганические диэлектрики.

РАЗДЕЛ 2. Полупроводники (12 часов) [1], с. 230…257; [2], с. 36…55

2.1.Общие свойства полупроводников.

2.2.Электропроводность собственная и примесная. Донорные и акцепторные примеси. Энергетические диаграммы.

2.3.Термочувствительность и термоэлектрические свойства полупроводников. Терморезисторы и термоэлементы. Их характеристики. Эффекты Пельтье и Зеебека.

2.4.Электронно-дырочный переход в полупроводниках. Его особенности, характеристики, практическое использование.

2.5.Фоторезистивные и фотоэлектрические явления в полупроводниках. Интегральные и спектральные характеристики. Использование фотоэффектов в приборах и элементах; солнечные батареи.

2.6.Классификация полупроводниковых материалов. Атомарные полупроводники, алмазоподобные соединения, оксиды, молекулярные полупроводники; стеклообразные и органические полупроводники.

РАЗДЕЛ 3. Проводники (18 часов) [1], с. 186…219; [2], с. 56…68

3.1.Общие свойства проводников.

3.2.Электропроводность проводников, влияние на неё примесей, температуры. Сопротивление металлов и сплавов. Сверхпроводимость металлов, сплавов, керамических материалов.

6

3.3.Контактная разность потенциалов, термоэлектрический эффект в проводниках, термопарный эффект. Явления на контакте двух проводящих материалов (разъемный контакт).

3.4.Классификация проводниковых материалов. Чистые металлы, сплавы, сверхпроводники I и II рода, материалы для сильноточных и слаботочных контактов.

РАЗДЕЛ 4. Магнитные материалы (20 часов) [1], с. 270…290; [2], с. 69…80

4.1.Общие свойства ферромагнитных материалов. Природа ферромагнетизма.

4.2.Намагничивание ферромагнетиков. Относительная магнитная проницаемость, индукция, коэрцитивная сила, петля гистерезиса, основные характеристики ферромагнетиков.

4.3.Потери в ферромагнитных материалах. Потери на гистерезис, на вихревые токи, на последействие. Способы уменьшения потерь на вихревые токи. Энергия в

зазоре постоянных магнитов.

4.4.Классификация магнитных материалов. Магнитно-мягкие материалы, магнитнотвердые, магнитодиэлектрики, ферриты.

Тематический план лекций

для студентов очно-заочной формы обучения (16 часов)

1.Введение. Классификация материалов. Структурные схемы дисциплины

иосновных её разделов …………………………………………………..2

часа

2.Диэлектрики, поляризация, электропроводность………………….……2

часа

3.Диэлектрические потери …………………………………………………2

часа

4.Пробой диэлектриков, классификация диэлектриков ………………….2

часа

5.Полупроводники. Собственная и примесная проводимость. Термоэлектрические свойства. Электронно-дырочный переход.

7

Фотоэлектрические свойства. Классификация полупроводников ……2 часа

6.Проводники. Влияние на электропроводимость различных факторов. Контактная разность потенциалов. Контакты.

Классификация проводников ……………………………………………2

часа

7.Магнитные материалы. Природа ферромагнетизма. Процесс намагничивания …………………………………………………………..2

часа

8.Основные характеристики ферромагнетиков. Потери. Классификация магнитных материалов …………………………………………………...2

часа

Примерный перечень лабораторных работ (12 часов)

1. Исследование взаимодействия веществ, имеющих доменную структуру, с внешними полями……………………………………….….4

часа

2.Исследование некоторых параметров диэлектрических материалов.....4 часа

3.Определение пара-, диа-, ферро- и ферримагнетизма материалов...…..2 часа

4.Исследование электрической прочности диэлектрических

материалов…………………………………………………………………2

часа

Библиографический список

Основная

1.Богородицкий Н.П., Пасынков В.В. Электротехнические материалы.- Л.: Энергоатомиздат, 1985.

2.Харламова Т.Е. Материаловедение. Электротехнические материалы. -

СПб.: СЗТУ, 2001.

Дополнительная

3.Справочник по электротехническим материалам: в 3т. – М.: Энергоатомиздат, 1986-1987.

4.Силенко В.Н. Электротехнические материалы и их применение на водном транспорте. - СПб.: Политехника, 1995.

5.Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. – СПб.:

Лань, 2001.

8