МУ к ПЗ_ОП.07 Электроматериаловедение 1116. Методические указания по выполнению различного вида работ на практических занятиях по дисциплине оп. 07 Электроматериаловедениепредназначены для обучающихся по профессии 08. 01. 18 Электромонтажник электрических сетей и электрооборудования
 Скачать 131.33 Kb.
|
|
ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ГОРОДА МОСКВЫ Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение города Москвы «Образовательный комплекс градостроительства «Столица» 115473 г. Москва, Ореховый бульвар, д.22. тел. +7(499)610-33-11 e-mail:stolitsa@edu.mos.ru МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ профессии 08.01.18 Электромонтажник электрических сетей и электрооборудования дисциплины ОП.07 Электроматериаловедение Москва 2021 Рассмотрено и одобрено на заседании ПЦК «Электрооборудование и Электрические сети» протокол № 11 от «31» мая 2021г. Составители: Дергачева О.В., преподаватель ГБПОУ ОКГ «Столица» СодержаниеСодержание 3 Введение 4 Темы и трудоемкость практических работ 5 Практическое занятие №1. 6 Выбор проводниковых материалов по их маркам, свойствам и условиям эксплуатации. 6 Практическое занятие №2 11 Сравнительный анализ характеристик полупроводниковых материалов. 11 Практическое занятие№3: «Определение по виду кривой гистерезиса магнитомягких и магнитотвердых материалов». 15 ВведениеМетодические указания по выполнению различного вида работ на практических занятиях по дисциплине ОП.07 Электроматериаловедениепредназначены для обучающихся по профессии 08.01.18 Электромонтажник электрических сетей и электрооборудования. Задания практических занятий выполняются обучающимися самостоятельно во время образовательного процесса в соответствии с календарно-тематическим планированием на основании нормативных документов, методических указаний, полученных теоретических знаний. В результате выполнения заданий в ходе практических занятий обучающийся должен научиться уметь: выбирать электротехнические материалы на основе анализа их свойств для конкретного применения; Обучающиеся в ходе выполнения заданий закрепляют ранее полученные знания, знакомятся с новым материалом, необходимым для выполнения практической части заданий. Практические занятия проходят в форме практических работ. В настоящих методических указаниях приведены рекомендации обучающимся по выполнению заданий практических работ, теоретические сведения по темам, задания для самостоятельного выполнения и контрольные вопросы для контроля знаний и умений. Методические указания призваны помочь обучающимся правильно организовать выполнение практических работ и рационально использовать свое время при овладении содержанием учебного материала по дисциплине ОП.07 Электроматериаловедение, в закреплении теоретических знаний и овладении практических умений. Темы и трудоемкость практических работ
Практическое занятие №1.Выбор проводниковых материалов по их маркам, свойствам и условиям эксплуатации.Цели выполнения практической работы: Ознакомиться с видами, свойствами и применением проводниковых материалов; научиться, пользуясь таблицей проводниковых материалов, давать их сравнительную характеристику. Теоретические основы для выполнения практических заданий Проводники высокой проводимости обладают удельным электрическим сопротивлением не более 0,05 мкОмм. Их применяют для изготовления обмоток электрических машин и трансформаторов, монтажных и установочных электрических проводов и кабелей. К проводникам высокой проводимости относятся медь, алюминий, железо, серебро, молибден и др. Медь — основной проводниковый материал. По электропроводности она уступает лишь серебру. В качестве проводникового материала используют медь марок Ml и МО. Медь марки Ml содержит до 0,1 % примесей, МО — не более 0,05 %. Медную проволоку получают горячей прокаткой медных болванок в катанку с последующим протягиванием без подогрева. В результате холодной протяжки получается твердая медь (МТ), обладающая высокой прочностью, твердостью и упругостью. Твердую медь марки МТ применяют, когда необходимо обеспечить высокую прочность и сопротивление истиранию: контактные провода, коллекторные пластины электрических машин, токоведущие жилы кабелей и проводов. После отжига с последующим охлаждением получают мягкую медь с проводимостью на 3—5 % выше, чем у твердой. Мягкая отожженная медь применяется в основном для изготовления изолированных обмоточных и монтажных проводов, в тех случаях, когда важна гибкость и пластичность, а прочность не имеет большого значения. Для изделий повышенной прочности и износостойкости применяются сплавы меди — латуни и бронзы с кадмием и бериллием. Удельное электрическое сопротивление латуни больше, чем меди. Из нее изготовляют проводниковые детали резисторов, конденсаторов, катушек и др. Кадмиевые бронзы используются для изготовления контактов и коллекторных пластин, бериллиевые бронзы — для токоведущих пружин, щеткодержателей, скользящих контактов; электродов и зажимов. Для электрифицированных железных дорог применяют медные, бронзовые и низколегированные контактные провода. Медные контактные провода производятся из твердотянутой меди с удельным электрическим сопротивлением 0,018 мкОмм. Бронзовые контактные провода по сравнению с медными и низколегированными более прочные и износостойкие. Однако они обладают меньшей проводимостью, что увеличивает потери электроэнергии в контактной сети. Для снижения потерь электроэнергии в состав бронзы вводят легирующие элементы (цирконий, кадмий, магний, никель, цинк и др.), повышающие износостойкость проводов и оказывающие незначительное влияние на их проводимость. В низколегированных контактных проводах в качестве легирующих компонентов применяют олово, магний, цирконий, кремний и др. Низколегированные контактные провода меньше раз упрочняются под действием нагрева тяговыми токами и растягивающих нагрузок, чем медные. Они могут длительно работать при температуре нагрева ПО °С, оказывают более высокое сопротивление разрыву. Медные и в небольшом количестве бронзовые проволоки применяются для изготовления неизолированных проводов несущих тросов цепных контактных подвесок, там, где требуется большая электропроводимость троса. Алюминий — главный заменитель меди в качестве проводникового материала, но его электрическое сопротивление больше, чем меди. Поэтому сечение алюминиевого провода больше медного. Алюминий применяется в качестве проводов в воздушных линиях электропередач и кабельных изделиях; для изготовления конденсаторной фольги, пластин воздушных конденсаторов, а также для изготовления обмоток вращающихся электрических машин с малой тепловой нагрузкой на обмотки и др. Алюминиевый провод легче медного в 3,3 раза, устойчивый против коррозии: благодаря пленке оксидов неизолированные алюминиевые провода могут длительно работать на открытом воздухе. При холодном деформировании алюминий становится довольно твердым, а после отжига — мягким. Выпускают алюминиевую проволоку следующих марок: АТП — твердая повышенной прочности; АТ — твердая; АПТ — полутвердая; AM — мягкая. По мере снижения твердости проволоки уменьшается предел ее прочности при растяжении. На воздухе алюминий окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет алюминий от коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта проводов и делает невозможной пайку алюминия обычными методами. Однако при небольших напряжениях оксидная пленка алюминия может служить естественной межвитковой изоляцией. Оксидная изоляция получила широкое применение в производстве электролитических конденсаторов и микросхем. При необходимости обеспечения большей прочности используются сплавы алюминия с добавками магния и кремния. Главным проводниковым сплавом на основе алюминия является альдрей, содержащий 0,5 % магния, 0,7 % кремния, 0,3 % железа. У альдрея механическая прочность примерно равна прочности меди, а по легкости он соответствует алюминию. Проводниковое железо — это низкоуглеродистые (до 0,15 % углерода) качественные стали, а также стали обыкновенного качества, из них изготовляют токопроводящие шины и электроды для печей. Стальная проволока применяется в качестве сердечников биметаллических проводов для повышения их прочности (стальной провод, покрытый медью). Из сталемедных и сталеалюминиевых проводов производят несущие тросы контактных подвесок контактной сети. Такие провода используются в тех случаях, когда большая проводимость несущего троса не требуется. Серебро имеет самое низкое удельное сопротивление, используется в качестве электрических контактов в электрических аппаратах и в составе припоев. Вольфрам и молибден применяются при изготовлении электровакуумных приборов. Тугоплавкость и высокая твердость вольфрама позволяет использовать его для изготовления размыкающих контактов в электрических аппаратах. Сплавы высокого сопротивления должны выдерживать высокую температуру, не окисляясь и не расплавляясь. Они обладают удельным электрическим сопротивлением не менее 0,3 мкОмм. Сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления реостатов, термопар, электронагревательных приборов, электрических печей сопротивления. Сплавы высокого сопротивления можно разделить на сплавы для проволочных резисторов (манганин, константан) и для электронагревательных элементов (нихром, фехраль, хромаль). Манганин — это сплав на основе меди, содержащий 12 % Мп и 3 % Ni. Манганин — пластичный материал, после прокатки и волочения получают проволоку диаметром до 0,02 мм. Его электрическое сопротивление очень мало зависит от температуры. При температуре плюс 60 °С манганиновая проволока окисляется, ее применяют в стеклянной изоляции, которая отличается высокими электроизоляционными свойствами, нагрево- и влагостойкостью, но пониженной гибкостью. Константан — сплав меди с никелем (40 % никеля). Констан- тан имеет низкий коэффициент температурного сопротивления. При нагревании до температуры 900 °С константан окисляется с образованием оксидной изолирующей пленки. Это позволяет применять константан для изготовления реостатов и резисторов без межвитковой изоляции. Манганин и константан не могут длительно работать при высоких температурах, так как начинают интенсивно окисляться. Поэтому изделия, работающие при температурах 800—1200 °С, изготовляются из нихромов, фехралей, хрома- лей. Нагревостойкость проволоки и лент из этих сплавов обеспечивается благодаря введению в состав сплавов металлов, которые при нагреве на воздухе образуют сплошную поверхностную оксидную пленку. Эта пленка надежно защищает сплавы от воздействия кислорода воздуха. Нихром состоит из никеля и хрома (например, Х20Н80). Иногда в состав нихрома вводят железо для улучшения обрабатываемости сплава и снижения его стоимости. Однако железо легко окисляется и снижает нагревостойкость сплава. Хром придает высокую тугоплавкость оксидным поверхностным пленкам. При резких сменах температуры происходит растрескивание оксидных пленок, в результате чего кислород воздуха проникает в трещины и продолжает процесс окисления. Поэтому при многократном кратковременном включении электронагревательных элементов из нихрома он перегорает быстрее, чем в случае непрерывной работы при той же температуре. Для увеличения срока службы трубчатых нагревательных элементов нихромовую проволоку помещают в трубки из стойкого к окислению металла и заполняют их диэлектрическим порошком с высокой теплопроводностью. Такие нагревательные элементы применяют в электрических кипятильниках, комбинированных котлах систем отопления пассажирских вагонов, которые могут работать длительное время. Фехраль (например, Х13Ю4) и хромаль (например, 0X23 Ю5) — хромоалюминиевые сплавы. Они дешевле нихрома, более твердые и хрупкие, обладают высокими жаростойкостью и электрическим сопротивлением. Чем выше содержание в сплавах хрома, алюминия, тем выше окалиностойкость и рабочая температура нагревательного элемента. Из них получают проволоку большого диаметра и ленты с большим поперечным сечением. Их используют в электронагревательных устройствах большой мощности и промышленных электрических печах. Порядок выполнения заданий Используя данные справочной литературы и учебника, заполните таблицы и из перечисленных материалов выберите обладающий лучшими электрическими характеристиками. Таблица №1
Таблица №2
Ответить на контрольные вопросы Контрольные вопросы: Что такое проводниковые материалы? По каким признакам классифицируют проводники? Какие примеси меди значительно снижают пластичность и электропроводность? Где используются металлы с высокой электропроводностью? Перечень рекомендуемых учебных изданий, интернет-ресурсов, дополнительной литературы Основные источники: Дудкин, А.Н. Электротехническое материаловедение: Учебное пособие / А.Н. Дудкин, В.С. Ким. - СПб.: Лань, 2016. - 200 c. Дополнительные источники: Журавлёва Л.В. Электроматериаловедение. – М.:ИЦ Академия. – 2008 Интернет-ресурсы: http://electricalschool.info/spravochnik/material/ Практическое занятие №2Сравнительный анализ характеристик полупроводниковых материалов.Цель выполнения практической работы: Изучить свойства полупроводниковых приборов, их применение в электротехнической промышленности Задание: Используя учебник «Электроматериаловедение», изучите свойства полупроводниковых материалов: а) арсенид галлия – стр.130; б) фосфид галлия - стр.132; в) халькониды – стр.134; г) оксидные полупроводники – стр.139; д) стеклообразные полупроводники – стр. 140; е) органические полупроводники стр.141. Теоретические основы для выполнения практических заданий Электропроводность полупроводников. В полупроводниках свободных электронов не много, валентные электроны связаны со своими атомами. Ток может, возникнут и изменяться в широких пределах под влиянием внешних воздействий: нагревание, облучение или введение примесей. Это увеличивает энергию электронов, позволяет им оторваться от своих атомов. Место на внешней оболочке атома, покинутое электроном называется дыркой. Дырку принято считать положительно заряженной частицей с зарядом равным заряду электрона. Ч  истый полупроводник обладает собственной проводимостью и имеет одинаковое количество электронов и дырок, в результате разрыва ковалентных связей. Если к полупроводнику приложить электрическое напряжение, то электроны будут перемещаться от одних атомов к другим в одном направлении, а кажущееся перемещение дырок в противоположном.Удельная проводимость собственного полупроводника (мала)  где q – заряд электрона; n – число электронов и дырок в единице объёма; µ – подвижность электронов и дырок; υ – дрейфовая скорость электронов и дырок; Евн – напряжённость внешнего электрического поля. Германий (Ge). Твёрдый кристаллический хрупкий материал с металлическим блеском (содержание в земной коре 0,001%). Свойства: - рабочая температура полупроводниковых приборов от -60 до 80 0С; - не взаимодействует с водой; - высокая коррозийная стойкость (до 600 0С); - не прозрачен для видимого света и относительно прозрачен для инфракрасных лучей при длине волны более 1,8 мкм. Применение: полупроводниковые приборы, фотоэлементы, тензодатчики, детекторы ядерного излучения. Кремний (Si). Кристаллический материал тёмно-серого света с металлическим блеском, самый распространенный в природе после кислорода (содержание в земной коре 29,5%). Свойства: - рабочая температура полупроводниковых приборов от -60 до 200 0С; - не взаимодействует с водой; - высокая коррозийная стойкость (до 900 0С); - химически устойчив при комнатной температуре, не реагирует с многими кислотами в любой концентрации, и растворяется в кипящих щелочах; - не прозрачен для видимого света и относительно прозрачен для инфракрасных лучей при длине волны более 1,2 мкм. Применение: базовый элемент полупроводниковой электроники (полупроводниковые приборы, интегральные микросхемы), фотоэлементы солнечных батарей, тензодатчики, детекторы ядерного излучения, раскислитель при производстве стали. Селен (Se). Кристаллический материал различной окраски в зависимости от строения, в природе встречается редко и в малых концентрациях (содержание в земной коре 6∙10-6 %). Свойства: - рабочая температура полупроводниковых приборов от -60 до 75 0С; - не взаимодействует с водой до 100-150 0С; - не окисляется при комнатной температуре; - растворяется в щелочах с образование солей; - спектральные характеристики почти совпадают со спектральной характеристикой глаза; - прозрачен для инфракрасных лучей. Применение: полупроводниковые приборы, фотоэлементы, защитные покрытия в приборах инфракрасного диапазона, краситель для красок, пластмасс, резин и керамики. Карбид кремния (SiC). Хрупкий поликристаллический бесцветный материал, в природе встречается крайне редко в виде минерала муасанита. Свойства: - высокая твёрдость (немного уступает алмазу); - при содержании кремния Si более 70% обладает электронной проводимостью, а при содержании углерода С более 30% – дырочной; - при легировании элементами V группы, окрашивается в зелёный свет, а при легировании элементами II и III групп, окрашивается в голубой или тёмно-фиолетовый свет; - нелинейная зависимость между током и напряжением; - рабочая температура полупроводниковых приборов до 700 0С. - высокая коррозийная стойкость (до 1400 0С); - высокая химическая стойкость, при комнатной температуре не взаимодействует с кислотами, при нагревании растворяется в расплавах щелочей, а так же взаимодействует с ортофосфорной кислотой (Н3РО4); Применение: варисторы (нелинейные резисторы), светодиоды, высокотемпературные диоды, транзисторы, для механической обработки материалов. Порядок выполнения заданий 1. Заполните таблицу №1. Укажите область применения простого полупроводника Таблица №1
2.Заполните таблицу №2. Укажите область применения сложного полупроводника Таблица №2
3. Ответить на вопросы Контрольные вопросы: 1. Назовите отличия примесной проводимости от собственной. 2. Расскажите о методах получения монокристаллических полупроводников. 3. Объясните, что представляют собой сложные полупроводниковые соединения. Перечень рекомендуемых учебных изданий, интернет-ресурсов, дополнительной литературы Основные источники: Дудкин, А.Н. Электротехническое материаловедение: Учебное пособие / А.Н. Дудкин, В.С. Ким. - СПб.: Лань, 2016. - 200 c. Дополнительные источники: Журавлёва Л.В. Электроматериаловедение. – М.:ИЦ Академия. – 2008 Интернет-ресурсы: http://electricalschool.info/spravochnik/material/ Практическое занятие№3: | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ферромагнитные материалы | Коэрцитивная сила | Остаточная индукция | Магнитная проницаемость | Применение материалов |
| Электротехническая сталь | | | | |
| Пермаллои | | | | |
| Ферриты | | | | |
| Магнитодиэлектрики | | | | |
| Углеродистые стали | | | | |
2. По виду гистерезисных кривых, определите типы магнитных материалов и укажите их
А_______________
Б_______________
В_______________
Г_______________
3. Ответить на вопросы
Контрольные вопросы:
1.Как классифицируют магнитные материалы?
2. Поясните понятие коэрцитивной силы.
3. Что представляет собой петля Гистерезиса?
Перечень рекомендуемых учебных изданий, интернет-ресурсов, дополнительной литературы
Основные источники:
Дудкин, А.Н. Электротехническое материаловедение: Учебное пособие / А.Н. Дудкин, В.С. Ким. - СПб.: Лань, 2016. - 200 c.
Дополнительные источники:
Журавлёва Л.В. Электроматериаловедение. – М.:ИЦ Академия. – 2008
Интернет-ресурсы:
http://electricalschool.info/spravochnik/material/