Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Физико-механические, химические и тепловые свойства диэлектриков

РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА №2

По дисциплине: «Электротехническое материаловедение».

 

На тему: «Задачи по электротехническому материаловедению».

 

Алматы 2015

Содержание

Введение…………………………………………………………………………….3

1 Физика диэлектриков……………………………………………………….….....4

1.6 Поляризация диэлектриков …………………………...………………...4

2.4 Электропроводность диэлектриков………………………………...…...5

3.3 Диэлектрические потери…………………………………………………6

4.18 Пробой диэлектриков…………..………………………………………..7

5.9 Физико-механические, химические и тепловые свойства диэлектриков…....8

6.8 Диэлектрические материалы…………………………………………….9

7.22Проводниковые материалы…………………………………………......10

8.7 Полупроводниковые материалы…………………………………….....12

9.11 Магнитные материалы……………………………………………….....13

Заключение………………………………………………………………………...14

Список литературы………………………………………………………………..15

 

 

 

Введение

Электротехнические материалы имеют существенные значения в конструкциях самых разнообразных электротехнических и радиотехнических устройств и аппаратов. Учитывая тенденцию в современной электротехнике к увеличению напряжений и мощностей, уменьшению габаритов и веса отдельных машин и аппаратов и повышению их надежности, роль ЭТМ становится более значительной.

Целью выполнения данной работы является закрепление теоретических знаний, полученных на лекциях по данной дисциплине и навыков, полученных на лабораторных занятиях. Достигается цель решением задач, наиболее приближенным к решениям проблем, встречающихся в практической деятельности инженеров-электроэнергетиков и других профессий.

 

Физика диэлектриков

Поляризация диэлектриков

Задача 28:

 

Рассчитать температурный коэффициент емкости силового конденсатора с комбинированным диэлектриком, состоящим из слоя поликарбонатной пленки толщиной h1=20 мкм, =3,0; ТК = - -6К-1 и слоя полиэтилентерефталата толщиной h2=1,0 мкм, =3,3; ТК = +200 К-1:

 

а) при последовательном соединении слоев диэлектрика;

б) при параллельном соединении слоев диэлектрика.

Номинальная емкость конденсатора при комнатной температуре составляет 0,01 мкФ.

 

При параллельном соединении:

 

*

*

 

где С – заданная емкость конденсатора;

и – емкости обоих секций;

и – значения ТКЕ этих секций.

 

При последовательном соединении:

Электропроводность диэлектриков

Задача 2:

На две противоположные грани кубика из микалекса с ребром 20 мм нанесены слои металла, служащие электродами, через которые кубик включается в электрическую цепь. Определить величину установившегося тока через кубик при постоянном напряжении 2 кВ, если для микалекса

 

Решение:

По закону Ома

I= ,

где R - полное сопротивление кубика определяется по закону преобразования двух параллельных сопротивлений:

.

Ответ: I =0,2*10 -9А.

Диэлектрические потери

 

Задача 2:

Керамический конденсатор, диэлектриком которого является материал типа Т-150, имеет емкость 0-10Ф. Найти величину диэлектрические потерь в этом конденсаторе при напряжении 3000 В и частотах 50 Гц и 50 кГц, если известно, что tg =0,005.

Решение:

Ответ: Р1= 12∙10-3 Вт, Р2= 12,7 ВТ.

Пробой диэлектриков

Задача 6.

Как влияют перечисленные факторы на напряжение пробоя Unp электроизоляционного масла:

а) Р - давление;

б) Т - температура;

в) f - частота;

г) чистота масла;

д) материал и форма электродов.

А) Большое влияние на пробой необезгаженных жидких диэлектриков оказывает давление. С увеличением давления пробивное напряжение такой жидкости возрастает.

Б) При отсутствии контакта масла с воздухом при температурах до 950С (окисления масла при этом не происходит) без воздействия электрического поля металлические части практически не окисляются и не влияют на параметры масла. Снижение температуры масла в пределах + 20 до -50С приводит к уменьшению электрической прочности, тогда как дальнейшее снижение от – 5 до – 450С приводит к росту прочности.

В) Пробой материалов при повышенных частотах обусловлен ее разогревом за счет диэлектрических потерь, что приводит к термическому разрушению жидкости. Поэтому предельно допустимые рабочие напряженности электрического поля для жидких диэлектриков на высоких частотах оказываются ниже, чем на промышленной частоте.

Г) В маслах нормируют содержание примесей, особенно с наиболее опасными размерами частиц от 2 до 10мкм, присутствующих в наибольших количествах. Микрочастицы в маслах резко снижают срок службы электрооборудования. При эксплуатации силовых трансформаторов большое влияние на электрическую прочность масла оказывают примеси воды в эмульсионном состоянии. Вода, в трансформаторном масле в виде эмульсии, образует капли диаметром м. В электрическом поле трансформатора сферические водяные включения втягиваются в пространство между электродами (фазами) и деформируются. При деформации водяных включений образуются эллипсоиды вращения, которые поляризуются, притягиваются друг к другу и, сливаясь, могут образовать между фазами «мостики» с малыми сопротивлениями, с последующим разрядом (пробоем). Электрическая прочность масла уменьшается, что может привести к короткому замыканию между фазами трансформатора.

Д) В случае пробоя в однородном поле тщательно очищенных жидкостей при очень чистых электродах обнаружить влияние материала электродов на пробивное напряжение весьма трудно. В случае резко неоднородного поля, когда вблизи одного из электродов напряженность поля может значительно превышать среднюю напряженность в толще жидкости, влияние материала электрода на пробивное напряжение может сделаться заметным.

Физико-механические, химические и тепловые свойства диэлектриков

Задача 19:

Какие данные положены в основу при составлении классов нагревостойкости

Величину нагревостойкости оценивают значением t 0 C, при которой появляются эти изменения.

Материалы, применяемые для изоляции с учетом их нагревостойкости, подразделяются на классы нагревостойкости. Для каждого класса фиксируются наибольшие допустимые рабочие температуры при использовании этих материалов в электрооборудовании общего применения, длительно (в течение ряда лет) работающего в нормальных для данного вида электрооборудования эксплуатационных условиях.

Рекомендацией Международной электротехнической комиссии (МЭК) предусмотрены классы нагревостойкости, указанные в таблице 1.

Таблица 1

Класс нагревостойкости У А Е В F H    
Рабочая t0 C               220 и выше

Класс У - изоляция из непропитанных и непогруженных в жидкий диэлектрик волокнистых материалов (древесина, бумага, картон, фибра, хлопчатобумажное волокно, натуральный шелк), полиамиды, поливинхлорид, вулканизированный и натуральный каучук.

Класс А - те же волокнистые материалы, но пропитанные масляными и другими лаками или погруженные в нефтяные или синтетические масла, изоляция эмалированных проводов «винифлекс» и «металвин», полиамидные пленки.

Класс Е- слоистые пластики (текстолит, гетинакс) на термореактивных связующих, эмалированные провода на эпоксидных лаках, поликарбонатные пленки и др.

Класс В - неорганические материалы: слюда, стекловолокно, асбест со связующими и пропитывающими органическими составами, соответствующей нагревостойкости, политрифторхлорэтилен и др.

Класс F - те же неорганические материалы с более нагревостойкими связывающими и пропитывающими составами, эмалированные провода на полиэфиримидных и полиэфирциануратных лаках.

Класс Н - тоже в сочетании с кремнийорганическими связывающими и пропитывающими составами, кремнийорганические эластомеры.

Класс 200 - неорганические материалы (слюда, электротехническая керамика, бесщелочное стекло, кварц) без связующих материалов или с неорганическими связующими.

Класс 220 - политетрафторэтилен, полиимидные материалы - пленки, волокна, изоляция эмальпроводов из полиимида и фторопласта-4, оксидная и фторидная изоляция, минералы.

Диэлектрические материалы

Задача 9:

Чем отличаются термопластичные полимеры от термореактивных?

Термопластичные полимеры (термопласты) состоят из макромолекул, соединенных между собой только физическими связями. Энергия разрыва физических связей невелика и составляет от 12 до 30 кДж/моль. При нагревании физические связи исчезают, при охлаждении — восстанавливаются. Энергия разрыва химических связей, соединяющих мономерные звенья в цепную макромолекулу, многократно превышает указанные значения и составляет 200-460 кДж/моль. Поэтому при нагревании термопластов до температуры плавления физические связи исчезают, а химические — ковалентные — сохраняются, и, следовательно, сохраняется неизменным химическое строение полимера.

 

При охлаждении и затвердевании такого расплава физические связи и основные физические свойства термопластичного полимерного вещества восстанавливаются. Таким образом, термопласты, во-первых, допускают формование изделий из расплава с его последующим охлаждением и затвердеванием и, во-вторых, могут перерабатываться многократно. Это, в свою очередь, позволяет возвращать в производственный цикл отходы производства, брак, изделия, утратившие потребительскую ценность.

 

Термореактивные полимеры (реактопласты) состоят из макромолекул, соединенных поперечными ковалентными, то есть химическими связями. Образовавшаяся сетчатая химическая структура необратима. Нелимитированное нагревание сетчатых полимеров приводит не к расплавлению, а к разрушению пространственной сетки, сопровождающемуся термодеструкцией. С точки зрения практики это означает, что реактопласты допускают лишь однократную переработку в изделия, которые формуются в результате химической реакции отверждения.

 

Технологические и иные отходы производства практически не рециклируются. Вместе с тем сетчатая молекулярная структура придает полимерам ряд особых свойств, не наблюдаемых у термопластов. Так, густосетчатые термореактивные полимеры, например, полиэпоксиды, характеризуются повышенными значениями модуля упругости, твердости и теплостойкости; редкосетчатые реактопласты, основными представителями которых являются эластомеры, обладают значительной и обратимой деформативностью, стойкостью к истиранию и повышенным коэффициентом трения.

Проводниковые материалы

Задача 3:

Описать свойства и применение чистой меди и ее сплавов.

 

Медь — золотисто-розовый пластичный металл, на воздухе быстро покрывается оксидной плёнкой, которая придаёт ей характерный интенсивный желтовато-красный оттенок. Тонкие плёнки меди на просвет имеют зеленовато-голубой цвет.

Наряду с осмием, цезием и золотом, медь — один из четырёх металлов, имеющих явную цветовую окраску, отличную от серой или серебристой у прочих металлов. Этот цветовой оттенок объясняется наличием электронных переходов между заполненной третьей и полупустой четвёртой атомными орбиталями: энергетическая разница между ними соответствует длине волны оранжевого света. Тот же механизм отвечает за характерный цвет золота.

Медь образует кубическую гранецентрированную решётку, пространственная группа F m3m, a = 0,36150 нм, Z = 4.

Медь обладает высокой тепло-[5] и электропроводностью (занимает второе место по электропроводности среди металлов после серебра). Удельная электропроводность при 20 °C: 55,5-58 МСм/м[6]. Медь имеет относительно большой температурный коэффициент сопротивления: 0,4 %/°С и в широком диапазоне температур слабо зависит от температуры. Медь является диамагнетиком.

Существует ряд сплавов меди: латуни — с цинком, бронзы — с оловом и другими элементами, мельхиор — с никелем, баббиты — со свинцом и другие.

Применение

В электротехнике

Из-за низкого удельного сопротивления (уступает лишь серебру, удельное сопротивление при 20 °C: 0,01724-0,0180 мкОм·м), медь широко применяется в электротехнике для изготовления силовых кабелей, проводов или других проводников, например, при печатном монтаже. Медные провода, в свою очередь, также используются в обмотках энергосберегающих электроприводов (быт: электродвигателях) и силовых трансформаторов. Для этих целей металл должен быть очень чистый: примеси резко снижают электрическую проводимость. Например, присутствие в меди 0,02 % алюминия снижает её электрическую проводимость почти на 10 %.

Теплообмен

Другое полезное качество меди — высокая теплопроводность. Это позволяет применять её в различных теплоотводных устройствах, теплообменниках, к числу которых относятся и широко известные радиаторы охлаждения, кондиционирования и отопления, компьютерных кулерах, тепловых трубках.

Для производства труб

В связи с высокой механической прочностью и пригодностью для механической обработки, медные бесшовные трубы круглого сечения получили широкое применение для транспортировки жидкостей и газов: во внутренних системах водоснабжения, отопления, газоснабжения, системах кондиционирования и холодильных агрегатах. В ряде стран трубы из меди являются основным материалом, применяемым для этих целей: во Франции, Великобритании и Австралии для газоснабжения зданий, в Великобритании, США, Швеции и Гонконге для водоснабжения, в Великобритании и Швеции для отопления.

 

Сплавы

В разнообразных областях техники широко используются сплавы с использованием меди, самыми широко распространёнными из которых являются упоминавшиеся выше бронза и латунь. Оба сплава являются общими названиями для целого семейства материалов, в которые помимо олова и цинка могут входить никель, висмут и другие металлы. Например, в состав так называемого пушечного металла, который в XVI—XVIII вв. действительно использовался для изготовления артиллерийских орудий, входят все три основных металла — медь, олово, цинк; рецептура менялась от времени и места изготовления орудия. Большое количество латуни идёт на изготовление гильз артиллейрийских боеприпасов и оружейных гильз, благодаря технологичности и высокой пластичности.

Для деталей машин используют сплавы меди с цинком, оловом, алюминием, кремнием и др. (а не чистую медь) из-за их большей прочности: 30—40 кгс/мм² у сплавов и 25-29 кгс/мм² у технически чистой меди. Медные сплавы (кроме бериллиевой бронзы и некоторых алюминиевых бронз) не изменяют механических свойств при термической обработке, и их механические свойства и износостойкость определяются только химическим составом и его влиянием на структуру. Модуль упругости медных сплавов (900—12000 кгс/мм², ниже, чем у стали). Основное преимущество медных сплавов — низкий коэффициент трения (что делает особенно рациональным применением их в парах скольжения), сочетающийся для многих сплавов с высокой пластичностью и хорошей стойкостью против коррозии в ряде агрессивных сред (медно-никелевые сплавы и алюминиевые бронзы) и хорошей электропроводностью. Величина коэффициента трения практически одинакова у всех медных сплавов, тогда как механические свойства и износостойкость, а также поведение в условиях коррозии зависят от состава сплавов, а следовательно, от структуры. Прочность выше у двухфазных сплавов, а пластичность у однофазных. Медноникелевый сплав (мельхиор) используются для чеканки разменной монеты.

Медноникелевые сплавы, в том числе и так называемый «адмиралтейский» сплав, широко используются в судостроении (трубки конденсаторов отработавшего пара турбин, охлаждаемых забортной водой) и областях применения, связанных с возможностью агрессивного воздействия морской воды из-за высокой коррозионной устойчивости.

Медь является важным компонентом твёрдых припоев — сплавов с температурой плавления 590—880 градусов Цельсия, обладающих хорошей адгезией к большинству металлов, и применяющихся для прочного соединения разнообразных металлических деталей, особенно, из разнородных металлов, от трубопроводной арматуры до жидкостных ракетных двигателей

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...