МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОНІКИ ТА ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

КАФЕДРА «НАНОЕЛЕКТРОНІКИ»

Обов'язкове домашнє завдання

з дисципліни: «Електротехнічні матеріали»

Варіант №21

Виконав: Студент групи ЕТ-01

Шешеня І.О.

Перевірила: Космінська Ю.О.

Суми2012

Зміст:

Завдання 1…………………………………………………………………….3-5

Завдання 2…………………………………………………………………….6-8

Завдання 3…………………………………………………………………….9-10

Завдання 4…………………………………………………………………….11-13

Завдання 5…………………………………………………………………….14

Завдання 6…………………………………………………………………….15

Список літератури…………………………………………………………….16

Завдання 1:Наведіть схеми заміщення діелектрика із втратами й векторні діаграми до них.Порівняйте між собою параметри цих схем.Наведіть умову еквівалентності схем.

Діелектричними втратами називають електричну потужність, що розсію-ється в діелектрику в одиницю часу при впливі на нього електричного поля і викликає нагрівання діелектрика.Втрати енергії в діелектрику спостерігаються як при змінній, так і при постійній напрузі. При постійній напрузі діелектричні втрати обумовлені електропровідністю. При впливі змінної напруги в діелектриках, крім наскрізної електропровідності можуть проявлятися й інші механізми перетворення електричної енергії в теплову.

Для оцінки здатності діелектрика розсіювати енергію в електричному полі використовують кут діелектричних втрат чи тангенс цього кута. Кутом діелектричних втрат називається кут, що доповнює до 90⁰ кут фазо-вого зсуву між струмом і напругою в ємнісному ланцюзі.При постійній напрузі діелектричні втрати обумовлені практично тільки струмом наскрізної провідності, тому що втрати на однократну поляризацію незначні, а втрати, що виникають у результаті протікання поверхневого струму, розсіюються в навколишньому середовищі

Для вивчення поводження діелектрика з діелектричними втратами при змінній напрузі, доцільно подати його у вигляді еквівалентних схем, що вміщують ємність і активний опір, які включені між собою послідовно чи паралельно. Дані схеми представлені на рис.3.1.

I C_S r_S

Ir ZI U

C_P

U r_P

Рис.3.1–Векторні діаграми й еквівалентні схеми заміщення діелектрика

Ці схеми еквівалентні одна одній, якщо при рівності повних опорів Z₁ = Z₂ = Z рівні, відповідно, їх активні й реактивні складові. Ця умова виконується, коли кути зсуву струму щодо напруги рівні і значення активної потужності однакові.

Для послідовної схеми запишемо

; (3.2)

(3.3)

Для паралельної схеми

; (3.4)

(3.5)

Співвідношення між і , а також між і можна визначити, прирів-нюючи один до одного співвідношення (3.2), (3.4) і (3.3), (3.5):

; ) (3.6)

Для високоякісних діелектриків значенням можна зневажити і вважа-ти . Потужність, що розсіюється в діелектрику, у цьому випадку буде однаковою для обох схем:

. (3.7)

Якщо потрібно визначити розподіл діелектричних втрат у різних місцях діелектрика, то для розрахунку питомих діелектричних втрат у точці, де нап-руженість електричного поля дорівнює Е, використовують формулу

(3.8)

Добуток називається коефіцієнтом діелектричних втрат. З наведеної формули можна зробити висновок, що при заданій частоті і напруженості електричного поля, діелектричні втрати пропорційні коефіцієнту діелектричних втрат.

Використання електроізоляційного матеріалу, що володіє великими діелектричними втратами, приводить до нагрівання виготовленого з нього виробу і передчасного його теплового старіння.

Завдання 2:У чому полягає різниця між термопластичними й термореактивними смолами?Наведіть приклади й коротко опишіть їхні основні властивості.

1.Термопластичні пластмаси (термопласти) — це пластмаси на основі термопластичних полімерів, що під час нагріву розм'якшуються, переходять у в'язко текучий стан, а при охолодженні тверднуть, і цей процес повторюється при повторному нагріванні.

1.2. Будова і основні властивості термопластичних пластмас (термопластів)

Для одержання конструкційних термопластів як зв’язуючу речовину найбільш часто застосовують: полівінілхлорид, полеолефіни, поліаміди, фторопласт, поліуретан. Термопластичні пластмаси у порівнянні з традиційними конструкційними матеріалами мають:

- меншу густину, (0,9-2,2)Ч103, кг/м3

- вищу хімічну стійкість;

- кращі показники фрикційних або антифрикційних властивос-

тей;

- вищу здатність гасити динамічні коливання при знакозмінних

навантаженнях.

Разом з цими істотними перевагами термопластичні пластмаси мають недоліки, які стримують їх застосування в промисловості. Так більшість полімерів втрачає конструкційну міцність при нагріванні уже до 100°С, мають низьку теплопровідність. При експлуатації дета-лей з термопластичних пластмас внаслідок розігрівання прискорю-ються процеси старіння, які призводять до зниження їх експлуатаційних характеристик.

1.3. Механічні властивості термопластів

Границя міцності термопластів складає 10–100 МПа, модуль пружності знаходиться в межах (1,8-3,5)⋅103 МПа. Це у 10-100 разів нижче, ніж у металів і кераміки. Границя витривалості термопластів становить 0,2-0,3 від границі міцності. Під навантаженням термопластичні полімери поводяться як в′язкопружні речовини, а їх деформація є сумою пружньої деформації, високоеластичної деформації і деформації в’язкого плину. Співвідношення між вказаними складовими частинами деформації непостійні і залежать як від структури, так і від параметрів деформування: швид-кості та температури, які визначають стан полімеру. Наприклад, вище температури склування (в склоподібному стані) термопласти при роз-тягненні, як правило, сильно подовжуються. При розриві їх залишкова деформація складає десятки і навіть сотні відсотків. При нагріванні міцність термопластичних пластмас зменшується, вони стають більш в’язкими і схильними до повзучості. При тривалій дії навантаження міцність пластмас знижується і з'являється залишкова деформація. При збільшенні швидкості деформування підвищується твердість пластмас і зростає їх схильність до крихкого руйнування.

 Використовуються для виготовлення штучних шкір, взуття, іграшок,у хімічній та електрохімічній промисловості, у текстильній та харчовій промисловості, а також у медицині та ін.

2.Термореактивні пластмаси (реактопласти) — полімерні матеріали, які при нагріванні, розм'якшуються, але при певній температурі і під дією затвердівачів, каталізаторів чи ініціаторів хімічних реакцій зазнають полімеризації, внаслідок якої переходять у твердий стан і повторна переробка таких пластмас неможлива.

2.1. Будова і основні властивості термореактивних

пластмас (реактопластів)

Більш надійними ніж термопласти є термореактивні пластмаси. Термореактивні полімери застосовуються після твердіння, що обумовлене утворенням сітчастої структури з високою щільністю поперечних хімічних міцних зв'язків між макромолекулами. При цьому вони стають твердими, неплавкими і стійкими до старіння. Перевагою реактопластів порівняно з термопластами є стабільність та мала залежність механічних властивостей від температури, швидкості деформування і тривалості дії навантаження, але при випробуваннях на розтяг зразки термореактивних матеріалів руйнуються без пластичного плину й утворення шийки.

При нагріванні відбувається зниження міцності і твердості реак-топластів, однак у робочому інтервалі температур вони мають кращі механічні властивості, навантажну здатність, ніж термопласти. Важ-ливими перевагами термореактивних пластмас є висока питома міц-ність (σв/ρ), жорсткість (Е/ρ) а також вища, ніж у термопластів, твердість. Допустимі напруження для термореактивних пластмас складають 15–40 МПа, що істотно вище, ніж для термопластів. Однак більшість термореактивних полімерів після твердіння має низьку ударну в'язкість. До найважливіших термореактивних полімерів відносяться фенолформальдегідні, епоксидні, поліефірні і кремнійорганічні речовини.

З реактопластів виготовляють кнопки, ручки, контейнери, електроарматуру, зубчасті колеса, підшипники, кислототривкі, ванни, труби і інш. деталі. Їх застосовують у машино-будуванні для виготовлення різного інструментального оснащення, витяжних і формувальних пристосувань.

Завдання 3:Назвіть основні види міканітів,їх склад,властивості(зверніть увагу на нагрівостійкість) і особливості застосування в електромашино- і апаратобудуванні.

Міканіти- це тверді або гнучкі листові матеріали, одержувані склеюванням листочків щипаної слюди за допомогою лужної, гліфталевих, кремнійорганічних та інших смол або лаків на основі цих смол.  Основні види міканітів - колекторний, прокладочний, формувальний і гнучкий.

Колекторний і прокладочний міканіти відносяться до групи твердих міканітів, які після клеєння слюди піддаються пресуванню при підвищеному питомому тиску і нагріві. Ці міканіти володіють меншою усадкою по товщині і більшою щільністю.Формувальний і гнучкий міканіти мають більш рихлу структуру і меншу щільність.  Колекторний міканіт - це твердий листовий матеріал, що виготовляється з листочків слюди, склеєних за допомогою шеллачной або гліфталевої смол або лаків на основі цих смол. Для забезпечення механічної міцності при роботі в колекторах електричних машин в дані міканіти вводять не більше 4% склеювальної речовини.Застосовується в якості ізоляції між мідними пластинами колекторів електричнихмашин (межламельная ізоляція) Прокладочний міканіт являє собою твердий листовий матеріал, що виготовляється з листочків щипаної слюди, склеєних за допомогою шеллачной або гліфталевої смол або лаків на їх основі. Після склеювання листи прокладочного міканіту піддають пресуванню. В даному матеріалі 75-95% слюда і 25-5% склеювальної речовини. Застосовується для різного роду електроізоляційних прокладок і шайб.  Формувальний міканіт - твердий листовий матеріал, що виготовляється з листочків щипаної слюди, склеєних за допомогою лужної, гліфталевої або кремнійорганічних смол або лаків на їх основі. Після склеювання листи формувального міканіту пресують при температурі 140-150 ° С.  Такий міканіт використовують для виготовлення колекторних манжет, коробокроторного паза, сегментів та інших фасонних виробів, що застосовуються вапаратах і машинах. Гнучкий міканіт являє собою листовий матеріал, що володіє гнучкістю при кімнатній температурі. Він виготовляється з листочків щипаної слюди, склеєних масляно-бітумним, масляно-гліфталевим або кремнійорганічним лаком (без сикативу), створюючим гнучкі плівки. Призначається для міжвиткової ізоляції обмоток електричних машин, викладки паза, підбандажної ізоляції обмоток якорів. Окремі види гнучкого міканіту обклеюють з двох сторін мікалентной папером для збільшення механічної міцності. Гнучкий стекломіканіт - листовий матеріал, гнучкий при кімнатній температурі. Це різновид гнучкого міканіту, відрізняється підвищеною механічною міцністю і підвищеною стійкістю до нагрівання. Даний матеріал виготовляється з листочків щипаної слюди, склеєних один з одним кремнійорганічними або масляно-гліфталевими лаками, створюючими гнучкі нагрівостійкі плівки. Листи гнучкого скломіканіту обклеюються з двох або з одного боку безлужною склотканиною.

Міканіти використовують в основному для ізоляції обмоток електричних машин високої напруги (генератори, електродвигуни), а також ізоляції машин низької напруги і машин, що працюють у важких умовах. 

Завдання 4:Опишіть призначення магнітом’яких матеріалів і вимоги до них. Назвіть 8-10 таких матеріалів,назвіть їх основні магнітні властивості.

Магнітом'які матеріали повинні володіти високою магнітною проникністю, малою коерцитивною силою, великою індукцією насичення, малими втратами на перемагнічування. Магнітні властивості матеріалів повинні мало залежати від механічних напружень, внаслідок дії яких сильно змінюється m _поч, m _макс, Н _с. Магнітні властивості після механічної обробки відновлюють термообробкою (випалом). У деяких випадках важливими є температурна і тимчасова стабільність, лінійність кривої намагнічування і ін

Цим вимогам найбільш повно задовольняють залізо та його сплави. Залізо - це типовий магнітом’який матеріал, магнітні властивості якого істотно залежать від вмісту домішок, структури (особливо величини зерна - чим більші зерна, тим вищі магнітні властивості).

Внаслідок низького питомого опору залізо використовують для виготовлення виробів, які працюють у постійних магнітних полях.Технічно чисте залізо застосовується для одержання майже всіх феромагнітних сплавів.

Сталь електротехнічна є основним магнитом’ягким матеріалом і являє собою сплави заліза і кремнію (до 4,5%). Добавки кремнію підвищують питомий опір, збільшують m _н і m _max, зменшують Н _с, втрати на гістерезис, константи магнітної анізотропії та магнітострикції, підвищують стабільність магнітних властивостей у часі, але разом з тим збільшують крихкість і твердість сталі. Властивості сталі значно поліпшуються в результаті утворення магнітної текстури при її холодною прокатці і подальшому відпалі у водні. Вздовж напрямку прокатки спостерігається більш високе значення магнітної проникності і менше втрати на гістерезис. Текстуровані сталі використовуються при виготовленні стрічкових сердечників.

У цьому випадку магнітний потік повністю проходить вздовж напрямку легкого намагнічування. Сталь випускається у вигляді рулонів, листів та різаної стрічки товщиною 0,05 - 1 мкм. Тонкий прокат застосовується в полях підвищеної частоти (до 1 кГц). Зі зменшенням товщини зменшуються втрати на вихрові струми, однак зростає коерцитивна сила і збільшуються втрати на гістерезис.

Пермалої – залізо-нікелеві сплави, що володіють великою магнітною проникністю в області слабких полів і дуже маленькою коерцитивною силою. Високо пермалої містять 72 - 80% нікелю, а нізконікелевие - 40 - 50% нікелю. Зі збільшенням змісту нікелю зростає магнітна проникність, проте підвищуються питомі втрати і зменшується індукція насичення. Низьконікелеві пермалої мають m _н = (1.5 - 4) ×10 ^3, m _макс = (15 - 40) × 10 ^3, H _c = 8 -32 A / м, B _m = 1 - 1.5 Tл, а високо - m _н = (1 - 4) × 10 ^4, m _макс = (7 - 35) × 10 ^4, H _c = 0.4 - 4.8 A / м, B _m = 0.5 - 1 Tл.

Великі значення m _н і m _макс пермалоя пояснюються невеликими величинами магнітної апізотропіі і магнітострикції. Це полегшує поворот магнітних моментів з напрямку легкого намагнічування в напрямку поля і не викликає механічних напружень, які ускладнюють зміщення доменних меж під впливом слабкого поля. Магнітна проникність пермаллои сильно знижується зі збільшенням частоти (з-за впливу вихрових струмів) і напруженості подмагнічівающего (постійного) поля. Для збільшення питомої опору, поліпшення магнітних характеристик та їх стабільності в діапазоні напруженостей магнітного поля і температур, підвищення механічної міцності і оброблюваності в пермалой додають легуючі елементи - молібден, хром, кремній, марганець, мідь.

Пермалой дуже чутливий до механічних впливів, тому при виготовленні деталей з нього необхідно уникати ударів, рихтування і т.п.Після всіх механічних операцій виробляють термообробку у вакуумі або в атмосфері водню.

Пермалой використовується для виготовлення магнітних екранів, сердечників малогабаритних і імпульсних трансформаторів, сердечників котушок індуктивності, головок апаратури магнітного запису.

Альсифера - потрійні сплави заліза з кремнієм і алюмінієм. Оптимальний склад альсифера 9.5% Si, 5.6% Al, решта Fe. Такий сплав відрізняється твердістю і крихкістю. Властивості альсифера (m _н = 3500, m _макс = 117000, H _c = 1.8 A / м) не поступаються властивостям високо пермаллоя. Вироби з альсифера - магнітні екрани, корпуси приладів і т.п. виготовляються методом лиття з товщиною стінок не менше 2 - 3 мм на увазі крихкості сплаву. Його можна розмелювати в порошок і використовувати для виготовлення високочастотних пресованих сердечників.