Ответы на экзаменационные вопросы по Электротехническим материалам - файл n1.docx

приобрести
Ответы на экзаменационные вопросы по Электротехническим материалам
скачать (221.9 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx222kb.08.07.2012 17:08скачать

n1.docx

  1   2   3   4   5   6
Экзаменационные вопросы по дисциплине «Электротехнические материалы».

Содержание:

  1. Классификация материалов…………………………………………………………………………..2

  2. Диэлектрик в электрическом поле……………………………………………………………….......3

  3. Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость…………………………………4

  4. Основные виды поляризации диэлектриков………………………………………………………….5

  5. Зависимость проницаемости от давления и температуры………………………………………6

  6. Классификация диэлектриков по виду поляризации………………………………………………..6

  7. Истинное сопротивление диэлектриков…………………………………………………………….7

  8. Объёмная и поверхностная проводимости………………………………………………………….8

  9. Диэлектрические потери………………………………………………………………………….......9

  10. Пробой диэлектриков. Пробивное напряжение и электрическая прочность диэлектриков…10

  11. Пробой газов……………………………………………………………………………………………..10

  12. Пробой жидких диэлектриков………………………………………………………………………..11

  13. Пробой твёрдых диэлектриков……………………………………………………………………….12

  14. Химические свойства диэлектриков…………………………………………………………………13

  15. Влажностные свойства диэлектриков……………………………………………………………...13

  16. Гигроскопичность, влагопроницаемость……………………………………………………………14

  17. Тепловые свойства диэлектриков…………………………..………………………………….……..15

  18. Механические свойства диэлектриков………………………………………………………….…...16

  19. Классификация диэлектрических материалов……………………………………………….…….17

  20. Газообразные диэлектрики……………………………………………………………………….…...18

  21. Жидкие диэлектрики……………………………………………………………………………….….19

  22. Синтетические масла………………………………………………………………………….……...19

  23. Органические полимеры………………………………………………………………………….……20

  24. Смолы……………………………………………………………………………………………….…...20

  25. Природные смолы……………………………………………………………………………….……...21

  26. Синтетические смолы…………………………………………………………………………….…..22

  27. Эпоксидные смолы………………………………………………………………………………….…..23

  28. Электроизоляционные лаки……………………………………………………………………….….24

  29. Компаунды……………………………………………………………………………………….….…..25

  30. Волокнистые материалы……………………………………………………………………….….…25

  31. Текстильные материалы. Лакоткани…………………………………………………………..…..26

  32. Слоистые пластики…………………………………………………………………………….….….27

  33. Эластомеры………..………………………………………………………………………………..….28

  34. Неорганические материалы. Стёкла………………………………………………………………..29

  35. Керамические диэлектрические материалы……………………………………………………….30

  36. Слюда и слюдяные материалы……………………………………………………………………….31

  37. Асбест и асбестовые материалы…………………………………………………………………....32

  38. Проводниковые материалы…………………………………………………………………………...33

  39. Материалы высокой проводимости…………………………………………………………………34

  40. Сплавы высокого сопротивления…………………………………………………………………….35

  41. Магнитные материалы. Общие сведения…………………………………………………………..36

  42. Классификация магнитных материалов…………………………………………………………...37

  43. Магнитомягкие материалы………………………………………………………………………….38

  44. Магнитотвёрдые материалы………………………………………………………………………..39



  1. Классификация материалов.

Материал - это объект обладающий определенным составом, структурой и свойствами, предназначенный для выполнения определенных функций. Материалы могут иметь различное агрегатное состояние: твердое, жидкое, газообразное или плазменное. Функции, которые выполняют материалы - разнообразны. Это может быть обеспечение протекания тока - в проводниковых материалах, сохранение определенной формы при механических нагрузках - в конструкционных материалах, обеспечение непротекания тока, изоляция - в диэлектрических материалах, превращение электрической энергии в тепловую - в резистивных материалах.

Материаловедение - наука, занимающаяся изучением состава, структуры, свойств материалов, поведением материалов при различных воздействиях: тепловых, электрических, магнитных и т.д., а также при сочетании этих воздействий.

Электротехническое материаловедение - это раздел материаловедения, который занимается материалами для электротехники и энергетики, т.е. материалами, обладающими специфическими свойствами, необходимыми для конструирования, производства и эксплуатации электротехнического оборудования. Ряд материалов традиционны для любого из разделов материаловедения, в первую очередь, это конструкционные материалы. Основные материалы в первую очередь диэлектрические материалы, затем проводниковые материалы, магнитные материалы, полупроводники.

Диэлектрики различают на газообразные, жидкие и твердые, которые могут быть природными и синтетическими, а также органическими и неорганическими. По размерам молекул делятся на низкомолекулярные и высокомолекулярные, по форме молекул и поведению при температуре – на термопластические и термореактивные, по электрическим свойствам классифицируются на полярные и неполярные, из-за широкой запрещенной зоны нет электронной электропроводности.

Проводники могут быть классическими, криопроводниками и сверхпроводниками, в которых система кристаллической решетки состоит из узлов с ? ионом, находящихся в среде свободных электронов, последние определяют высокую электропроводность и теплопроводность проводников.

Полупроводники классифицируются на химические элементы (простые) и химические соединения (сложные), причем последние по количеству составляющих могут быть: двухэлементные (бинарные), трехэлементные и многоэлементные; по типу электропроводности: типа n – электронная проводимость, типа p – «дырочная» проводимость; различают органические и неорганические, а по характеру электропроводности – электронные и ионные; по структуре - кристаллические и аморфные.

Магнитные материалы по своим физическим свойствам делятся на ферромагниты и фирримагниты (фирриты), по применению – магнитотвердые и магнитомягкие, последние выделяются с прямоугольной петлей гистерезиса и с постоянной магнитной проницаемостью; слабомагнитные материалы – это диамагнетики µ ? 1 и парамагнетики µ ? 1, сильномагнитные µ >> 1, которые зависят от напряженности магнитного поля (железо, никель, кобальт, сплавы (хром-марганец ит.п.)) и с µ << 1, не зависящие от магнитного поля (медь, цинк, серебро, золото, висмут, ртуть).



  1. Диэлектрик в электрическом поле.

Вещество в электростатическом поле. С точки зрения электричества, вещество делится на проводники и диэлектрики. Проводники – это тела, в которых имеются свободные носители заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этого тела (например, электроны в металле, ионы в жидкости или газе). Диэлектрики – это тела, в которых нет свободных носителей заряда, то есть нет заряженных частиц, которые могли бы перемещаться в пределах этого диэлектрика.

Диэлектрики в электрическом поле. Диэлектрики – это тела, состоящие из нейтральных молекул. Молекулы бывают полярные (обладающие дипольным моментом) и неполярные (не обладающие дипольным моментом). Диэлектрик, состоящий из полярных молекул, во внешнем поле поляризуется, то есть приобретет дипольный момент за счёт преимущественной ориентации молекулярных диполей в направлении внешнего поля. Вот имеем кусок диэлектрика, внешнее поле отсутствует. Дипольные моменты молекул ориентированы хаотически, и в среднем дипольный момент любого элемента объёма равен нулю (рис.5.6).

http://ftoe.ru/list3/1/image295.gifhttp://ftoe.ru/list3/1/image294.gif


Однако, если мы поместим внешнее электрическое поле, появится преимущественная ориентация, все эти дипольные моменты сориентируются примерно так, как показано на рисунке 5.7. Они не смогут все построиться вдоль поля, потому что хаотическое тепловое движение разрушает структуру, но, по крайней мере, на фоне этого хаоса они будут все стремиться сориентироваться вдоль поля.

Диэлектрик, состоящий из неполярных молекул, также поляризуется, потому что эти молекулы приобретают дипольный момент во внешнем поле.

http://ftoe.ru/list3/1/image297.gif
http://ftoe.ru/list3/1/image296.gif


http://ftoe.ru/list3/1/image298.gif, однако, если мы внесём эту молекулу во внешнее электрическое поле, то внешнее поле растаскивает положительный и отрицательный заряды, и молекула приобретает дипольный момент.

Процесс поляризации заключается в изменении расположения в пространстве частиц диэлектрика, имеющих электрические заряды, при приложении к диэлектрику электрического поля. После снятия поля частицы возвращаются в исходное состояние. При приложении электрического поля диэлектрик приобретает наведенный электрический момент, и в конденсаторе, образованном диэлектриком и электродами, образуется электрический заряд Q=UC, где Q - электрический заряд, Кл ; С - электрическая емкость конденсатора, Ф; U - приложенное напряжение, В. Энергия электрического поля, Дж, запасенная на участке изоляции, определяется как W = QU/2 = CU2/2. При приложении к диэлектрику переменного синусоидального напряжения через участок изоляции, емкостью С (Ф) проходит емкостной ток I=U?C=2?fC, где U - действующее значение приложенного напряжения, В; f - частота, Гц; ? - угловая частота, рад/ с. При параллельном включении n конденсаторов их результирующая емкость Ср равна сумме емкостей каждого отдельного конденсатора, а при последовательном их соединении результирующая емкость Сs определится как 1/ Сs = ?(1/ Сs) При последовательном соединении емкость Сs меньше, чем емкость каждого отдельного конденсатора, а при параллельном включении Cр будет больше, чем емкость каждого отдельного конденсатора или равна их сумме.

  1. Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость.

Поляризацией называется состояние вещества, при котором элементарный объем диэлектрика приобретает электрический момент. Возникновение (индуцирование) электрического момента в единице объема образца диэлектрического материала или участка электрической изоляции может происходить под действием электрического поля, механических напряжений или спонтанно (самопроизвольно).

Поляризованность Р - определяет интенсивность поляризации диэлектрика и является количественной характеристикой диэлектрика. Средний электрический момент, приходящийся на одну молекулу диэлектрика, дипольный момент молекулы

[поляризованные состояния молекулы диэлектрика]

p = q.l, (1) где q - величина заряда, l - расстояние между центрами положительного и отрицательного заряда. Если существует n таких молекул (диполей) в 1 м3, то P = n.p. (2). Поляризованность Р, Кл.м/м3 совпадает по значению с поверхностной плотностью зарядов, возникающих на поверхности диэлектрика.

Индуцированный полем электрический момент молекулы р, поляризованность диэлектрика Р и напряженность электрического поля Е векторные физические величины. Векторы Р и Е в изотропных кристаллических диэлектриках и текстурах совпадают и имеют различные направления в анизотропных средах. Для изотропных ("линейных") диэлектриков поляризованость Р пропорциональна напряженности внешнего поля Е: http://dvoika.net/education/tkm/polar/img00002.gif(3), где [cappa]- безразмерный параметр, диэлектрическая восприимчивость; [epsilon]о - электрическая постоянная, 8.854.10-12 Ф/м.

Для характеристики способности диэлектрических материалов к поляризации в технике используют безразмерный параметр - относительную диэлектрическую проницаемость[epsilon].

Рассмотрим электрический конденсатор, изготовленный из плоских параллельных пластин площадью S (м2), расстояние между которыми d (м). Приложим к пластинам (электродам) конденсатора электрическое напряжение U и рассмотрим два случая:

[pol3a]

На рисунке а) показан конденсатор, помещенный в вакуум. В этом случае на его пластинах возникнет заряд Qo. На рисунке б) показан тот же конденсатор, между пластинами которого вставлен диэлектрик толщиной, равной расстоянию между электродами. Из-за поляризации диэлектрика в электрическом поле на его противоположных сторонах возникают заряды Qд, знак которых противоположен знаку поляризационных зарядов на поверхности диэлектрика. Следовательно, полный заряд конденсатора с диэлектриком Q = Qо + Qд = [epsilon].Qо. (4) где [epsilon]- относительная диэлектрическая проницаемость. Относительная диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение суммарного заряда конденсатора с диэлектриком к заряду того же конденсатора, если поместить его в вакууме без диэлектрика, т.е. [epsilon]= Q/Qо = (Qо + Qд)/Qо = 1 + Qд/Qо. (5) Из формулы (5) видно, что если Qд=0, что соответствует относительной диэлектрической проницаемости вакуума, то диэлектрическая проницаемость любого диэлектрика будет больше 1. Определение диэлектрической проницаемости можно дать также и использованием понятия емкости электрического конденсатора С = Q/U. (6) Используя (4) найдем С = Q/U = [epsilon].Qo/U =[epsilon].Сo, (7)[epsilon]= С/Сo. (8) Используя понятие поляризации и диэлектрической проницаемости можно классифицировать диэлектрики на линейные и нелинейные (пассивные и активные).

  1. Основные виды поляризации диэлектриков.

Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул в электрическом поле. Под влиянием силовых линий электрического поля заряды диэлектрика смещаются по направлению действующих сил в зависимости величины напряженности. При отсутствии

электрического поля заряды возвращаются в прежнее состояние. Различают два вида поляризации: поляризация мгновенная, вполне упругая, без выделения энергии рассеяния, т.е. без выделения тепла, за время 10-15 – 10-13 с; поляризация не совершается мгновенно, а нарастает или убывает замедленно и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагревает - это релаксационная поляризация за время от 10-8 до 102 с. К первому виду относятся электронная и ионная поляризации.

Электронная поляризация (Cэ, Qэ) – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и ионов за время 10-15 с. Наблюдается такая поляризация для всех видов диэлектриков и не связана с потерей энергии, а диэлектрическая проницаемость вещества численно равна квадрату показа-

теля преломления света n2.

Ионная поляризация (Cи, Qи) характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением (колебанием) упруго связанных ионов в узлах кристаллической решетки за время 10-13 с. С повышением температуры смещение усиливается и в результате ослабления упругих сил между ионами, а температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ионных диэлектриков оказывается положительным. Ко второму виду относят все релаксационные поляризации.

Дипольно-релаксационная поляризация (Cдр, rдр, Qдр) связана с тепловым движением диполей при полярной связи между молекулами. Поворот диполей в направлении электрического поля требует преодоления некоторого сопротивления, выделения энергии в виде тепла (rдр). Время релаксации здесь порядка 10-8 – 10-6 с – это промежуток времени, в течение которого упорядоченость ориентированных электрическим полем диполей после снятия поля уменьшится вследствие наличия тепловых движений в 2,7 раза от первоначального значения.

Ионно-релаксационная поляризация (Cир, r ир, Q ир) наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых веществах с неплотной упаковкой ионов. Слабосвязанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых движений получают избыточные набросы в направлении поля и смещаются по силовой линии его. После снятия электрического поля ориентация ионов ослабевает по экспоненциальному закону. Время релаксации, энергия активации и частота собственных колебаний происходит в течение 10-6 – 10-4с и связано законом где f – частота собственных колебаний частиц; ? - энергия активации; k –постоянная Больцмана (8,63·10-5 ЭВ/град); T – абсолютная температура по К0.

Электронно - релаксационная поляризация (Cэр, rэр, Qэр) возникает за счет возбужденных тепловых энергий избыточных, дефектных электронов или «дырок» за время 10-8 – 10-6 с. Она характерна для диэлектриков с высокими показателями преломления, большим внутренним полем и электронной электропроводностью: двуокись титана с примесями, Са+2, Ва+2, ряда соединений на основе окислов металлов переменной валентности – титана, ниобия, висмута. При этой поляризации имеет место высокая диэлектрическая проницаемость и при отрицательных температурах наличие максимума в температурной зависимости ? (диэлектрической проницаемости). ? для титаносодержащей керамики уменьшается с возрастанием частоты.

Структурные поляризации различают: Миграционная поляризация (Cм, rм, Qм) протекает в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях, слоях, границ раздела или наличии примесей за время порядка 102 с.Эта поляризация проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеянием энергии. Причинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических, сложных диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т.д. На границах раздела между слоями в диэлектрике и в электродных слоях идет накопление зарядов медленно движущихся ионов – это эффект межслоевой или структурной высоковольтной поляризации.

Для сегнетоэлектриков различают спонтанную или самопроизвольную поляризацию,(Cсп, rсп, Qсп), когда идет значительное рассеяние энергии или выделение тепла за счет доменов (отдельные области, вращающихся электронных оболочек), смещающихся в электрическом поле, т. е. еще в отсутствии электрического поля в веществе есть электрические моменты, а при некоторой напряженности внешнего поля наступает насыщение и наблюдается возрастание поляризации.

  1. Зависимость проницаемости от давления и температуры.

Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры, давления, влажности, напряжения. Характер температурной зависимости ? - диэлектриков с различными видами поляризации часто определяют с помощью температурного коэффициента диэлектрической проницаемости Tk? = 1/? • d?/dT, K -1     (1.14) Влияние давления на ? учитывается барическим коэффициентом ? Bk? = 1/? • d?/dP, Па -1     (1.15) Для линейных диэлектриков Bk?, как правило, положителен, так как при всестороннем сжатии диэлектрика увеличивается число способных поляризоваться молекул в единице объема. В некоторых полярных жидкостях в зависимости ? от давления наблюдается максимум. Увлажнение заметно увеличивает ? гигроскопического диэлектрика, что в первую очередь можно объяснить высокими значениями ? воды (? = 81). Вместе с тем при увлажнении уменьшается удельное сопротивление, увеличивается угол диэлектрических потерь и уменьшается электрическая прочность диэлектрика. Для линейных диэлектриков, используемых главным образом в качестве электрической изоляции и диэлектрика конденсаторов, ? в большинстве случаев может считаться практически не зависящей от напряжения, приложенного к диэлектрику. Сильно выраженная зависимость ? от напряжения характерна для сегнетоэлектриков.


  1. Классификация диэлектриков по виду поляризации.

Первая группа – диэлектрики, обладающие электронной и ионной мгновенной поляризациями. Структура таких материалов состоит из нейтральных молекул, может быть слабополярной и характерна для твердых кристаллических и аморфных материалов таких, как парафин, сера, полистирол, а также жидкие и газообразные материалы как бензол, водород и др. ? < 3,0

Вторая группа – диэлектрики, обладающие электронной и дипольно-релаксационной поляризациями – это полярные органические жидкие, полужидкие, твердые вещества как маслоканифольные компаунды, эпоксидные смолы, целлюлоза, хлорированные углеводороды и т.п. материалы. 3,0 < ? < 4,5

Третья группа – диэлектрики твердые неорганические, которые делятся на две подгруппы, отличающиеся по электрическим характеристикам – а) диэлектрики, обладающие электронной и дипольно-релаксационной поляризациями, такие как кварц, слюда, каменная соль, корунд, рутил; б) диэлектрики с электронной и ионной релаксационными поляризациями – это стекла, материалы со стекловидной фазой (фарфор, микалекс и т.п.) и кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой ионов. 3,0 < ? < 4,0

Четвертая группа – это диэлектрики , обладающие электронной и ионной мгновенными и структурной поляризациями, что свойственно многим позиционным, сложным, слоистым и сегтоэлектриковым материалам. ? > 4,0



  1. Истинное сопротивление диэлектриков.

Поляризационные процессы смещения любых зарядов в веществе, протекая во времени до момента установления и получения равновесного состояния, обусловливают появление поляризационных токов, или токов смещения в диэлектриках. Токи смещения при различных видах замедленной поляризации, наблюдаемые у многих технических диэлектриков, называют абсорбционными токами (или токами абсорбции) http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image001.gif. Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свободных зарядов, а также инжекция их из электродов приводят к возникновению небольших токов сквозной электропроводности (или сквозных токов). Таким образом, полная плотность тока в диэлектрике, называемого током утечки, представляет собой сумму плотностей токов абсорбционного и сквозного: http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image002.gif

Плотность тока смещения определяется скоростью изменения вектора электрического смещения (индукции) http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image003.gif:http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image004.gifвключающего в себя мгновенные (электронное, ионное) и замедленные смещения зарядов.

Проводимость диэлектрика при постоянном напряжении определяется по сквозному току, который сопровождается выделением и нейтрализацией зарядов на электродах. При переменном напряжении активная проводимость определяется не только сквозным током, но и активными составляющими поляризационных токов. В большинстве случаев электропроводность диэлектриков ионная, реже – электронная.

Истинное сопротивление диэлектрикаhttp://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image005.gif, т. е. сопротивление изоляции, определяющее сквозной ток, заключенного между двумя электродами, при постоянном напряжении, можно вычислить по формуле: http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image006.gif где http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image007.gif– приложенное напряжение; http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image008.gif– наблюдаемый ток утечки; http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image009.gif– сумма токов, вызванных замедленными механизмами поляризации, ток абсорбции.



  1. Объёмная и поверхностная проводимости.

У твердых изоляционных материалов различают объемную и поверхностную электропроводности.

Для сравнительной оценки объемной и поверхностной электропроводности разных материалов используют также удельное объемное http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image013.gifи удельное поверхностное http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image014.gifсопротивления.

Удельное объемное сопротивление http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image013.gifчисленно равно сопротивлению куба с ребром в http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image015.gif, мысленно выделенного из исследуемого материала, если ток проходит через две противоположные грани этого куба; http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image013.gifвыражают в http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image016.gif.

В случае плоского образца материала при однородном поле удельное объемное сопротивление рассчитывают по формуле:

http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image017.gif,

 

где http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image018.gif– объемное сопротивление, http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image019.gif; http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image020.gif– площадь электрода, http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image021.gif; http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image022.gif– толщина образца, м.

Удельное поверхностное сопротивление http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image014.gifчисленно равно сопротивлению квадрата (любых размеров), мысленно выделенного на поверхности материала, если ток проходит через две противоположные стороны этого квадрата (http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image014.gif выражают в омах):

http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image023.gif,

 

где http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image024.gif– поверхностное сопротивление образца материала между параллельно поставленными электродами шириной http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image025.gif, отстоящими друг от друга на расстоянии http://ctl.mpei.ru/pubs/phd/4.files/image026.gif(рис. 4.2).

По удельному объемному сопротивлению можно определить
  1   2   3   4   5   6


Экзаменационные вопросы по дисциплине «Электротехнические материалы»
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации