КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА Электрические и конструктивные материалы. Практикум по дисциплине Электротехническое материаловедение Уфа 2019 Составитель И. З. Шарипов удк620. 2 (07)
 Скачать 417.21 Kb.
|
|
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский государственный авиационный технический университет Кафедра материаловедения и физики металлов ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ по дисциплине «Электротехническое материаловедение» Уфа 2019 Составитель: И.З. Шарипов УДК620.2 (07) ББК 30.3 (27) Лабораторный практикум по дисциплине «Электротехническое материаловедение» / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Сост.: И.З. Шарипов – Уфа, 2019. – 85 с. Лабораторный практикум составлен в соответствии с программой курса «Электротехническое и конструкционное материаловедение». Посвящен изучению электрических свойств промышленных проводниковых, диэлектрических и магнитных материалов. Предназначен для студентов направления подготовки бакалавра 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника». Табл.6. Рис. 24 Библиогр. 22 назв. Рецензенты: канд. техн. наук , доц. Шарифьянов Ф.Ш. канд. техн. наук , доц. Фатхиев А.Р. © Уфимский государственный авиационный технический университет, 2019 СОДЕРЖАНИЕВведение 4 Основные правила безопасной работы в учебной лаборатории 5 Требования к оформлению отчета 6 Лабораторная работа №1. Изучение зависимости удельного электрического сопротивления проводников от их состава 7 Лабораторная работа №2. Температурная зависимость электрической проводимости твердых диэлектриков 15 Лабораторная работа №3. Исследование зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь от температуры 20 Лабораторная работа №4. Электрическая прочность диэлектриков при напряжении промышленной частоты 36 Лабораторная работа №5. Изучение магнитных свойств электротехнических сталей осциллографическим методом 40 Лабораторная работа №6. Изучение температурной зависимости электрического сопротивления металлов и сплавов 57 Лабораторная работа №7. Изучение температурной зависимости намагниченности ферромагнетика 69 Список литературы 84 Приложения 86 ВВЕДЕНИЕНаучно-технический прогресс неразрывно связан с использованием новых материалов и рациональным использованием уже известных материалов. В настоящее время инженерная практика предъявляет все более жесткие требования к свойствам и сочетанию свойств материалов. В настоящее время в электротехнической промышленности применяется огромное количество материалов. При решении конкретных инженерных задач часто приходится учитывать целый набор свойств материала (электропроводность, термическую стойкость, механическую прочность, коррозионную стойкость, особенности взаимодействия с магнитным полем и т.д.). Таким образом, подготовка специалистов в области электроэнергетики требует серьезного отношения. Поэтому кроме получения теоретических знаний необходимо выполнение широкого набора лабораторных работ для ознакомления со свойствами проводниковых, диэлектрических и магнитных материалов. Практикум предназначен для закрепления и углубления знаний, полученных на лекциях, из чтения книг и других источников. Для полного освоения дисциплины необходимо научиться применять теоретические знания при выполнении лабораторных работ. Для этого требуется не только помнить основные факты и теоретические положения, но и умение анализировать ситуацию, находить взаимосвязи между явлениями, вычленять наиболее важные моменты в процессе выполнения задач на практике. Подобная степень овладения материалом курса невозможна без самостоятельной практической работы на приборах. ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОЙ РАБОТЫ В УЧЕБНОЙ ЛАБОРАТОРИИВводный инструктаж проводят со всеми студентами перед началом лабораторных и практических работ в учебных лабораториях. О проведении вводного инструктажа делают запись в журнале регистрации вводного инструктажа с обязательной подписью инструктируемого и инструктирующего. Перед изучением новой темы при выполнении лабораторных работ на рабочем месте проводят первичный инструктаж. Все работы в лаборатории могут производиться только с разрешения преподавателя, ведущего занятия, заведующего лабораторией или старшего лаборанта, отвечающего за данную установку. Объем и содержание каждой работы, персональный состав студентов, а также ответственный исполнитель работы устанавливаются в каждом конкретном случае до начала выполнения работы преподавателем или заведующим лабораторией. Включение напряжения производится только после проверки схемы руководителем работы. Перед каждой подачей напряжения включающий обязан предупредить всех работающих на установке. Если в процессе работы электроустановки требуется неоднократно включать и отключать ее, то эти операции должны быть поручены только одному лицу. В аварийных случаях отключение установки может быть произведено любым из участников работы. Особая осторожность должна быть проявлена при работе с движковыми реостатами, контактными клеммами открытого типа. При передвижении движка реостата вторая рука не должна касаться заземленных проводников или частей, находящихся под напряжением. Необходимо соблюдать осторожность в работах связанных с нагревом образцов. Запрещается извлечение экспериментальных образцов из нагревательных приборов без специальных захватов. Перед началом работы все участники должны на месте подробно ознакомиться со схемой установки, обратив особое внимание на выключатели или рубильники со стороны питающей сети, и убедиться в отсутствии напряжения на участке работы. Запрещается оставлять без надзора установки или схемы находящиеся под напряжением. В случае обнаружения неисправности установки или при аварии необходимо немедленно отключить напряжение и сообщить о происшедшем руководителю работ. При поражении работающего электрическим током нужно немедленно отключить электропитание, чтобы освободить его от соприкосновения с токоведущими частями энергоустановки. Если пострадавший находится в бессознательном состоянии, следует немедленно применить искусственное дыхание, непрямой массаж сердца, вызвать врача. Студент, имеющий незащищенную работу, не допускается к выполнению следующей. ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЕТАОтчет должен содержать следующие разделы: название; цель работы; используемые приборы и материалы; краткую теоретическую часть, методику измерений; экспериментальные данные измерений и расчетов; выводы. Все измеренные данные (проводимость, индукция магнитного поля и др.) в отчете должны быть представлены в единицах системы СИ. Лабораторная работа № 1 ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКОВ ОТ ИХ СОСТАВА1. Цель работы 1. Освоить методы измерения удельного электрического сопротивления металлических материалов. 2. Исследовать влияние состава сплава на величину удельного электрического сопротивления в системах Cu-Zn, Cu-Ni, Fe-Si. 2. Теоретическая часть Удельное электрическое сопротивление - величина, обратная проводимости, характеризующей способность прохождения электрического тока (направленного движения зарядов) через материал. Проводимость () в общем виде может быть выражена в виде:
где n - концентрация носителей заряда в единице объема; q - заряд носителя; - подвижность носителей заряда. В металлических материалах основным носителем заряда являются свободные электроны. Поскольку кристаллическая решетка металлов упакована плотно, то распространение электронов удобнее всего представить в виде движения электронной волны. При взаимодействии электронной волны с узлами кристаллической решетки, возникает дифракция электронной волны. При этом амплитуда исходной волны (А) разобьется на сумму амплитуд (Sаi) дифрагированных волн. Дифрагированные волны интерферируют, и образуется новая волна. В том случае, когда кристаллическая решетка правильна, ионы являются когерентными источниками дифрагированные волн, поэтому амплитуды дифрагированных волн суммируются, и, амплитуда новой волны будет равна амплитуде исходной (рис. 1.1,а).  а б Рис. 1.1: а – дифракция электронной волны на правильной кристаллической решетке; б – дифракция электронной волны на искаженной решетке
Энергия волны пропорциональна квадрату ее амплитуды, таким образом, в правильной кристаллической решетке электронная волна движется без потерь, и удельное электрическое сопротивление материала с идеальной кристаллической решеткой равно нулю. Появление в кристаллической решетке ионов другого металла, отличающихся по размеру от основного приводит к смещению некоторых ионов из равновесных положений, и дифрагированные волны становятся некогерентными (рис. 1.1,б). При сложении некогерентных волн амплитуда результирующей волны оказывается меньше амплитуды падающей волны, в результате у металла удельное электрическое сопротивление становится отличным от нуля, а энергия рассеянной волны обращается в тепло. Аналогичным образом удельное электрическое сопротивление растет при любых искажениях кристаллической решетки, например, обусловленных тепловыми колебаниями при повышении температуры, появлением дефектов кристаллического строения и т.п. При прогнозировании свойств сплавов большую помощь оказывают диаграммы состояния сплавов.  Рис. 1.2. Диаграммы состояния и зависимость свойств от состава для случаев: а, б – неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии; в, г – отсутствия растворимости компонентов в твердом состоянии; д, е – ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии Так, в случае, если компоненты сплава образуют твердый раствор (рис. 1.2,а), при добавлении одного компонента к другому, кристаллическая решетка искажается, и удельное электрическое сопротивление монотонно повышается. В целом, зависимость свойств от состава носит параболический характер с максимумом в точке соответствующей эквиатомному (50/50%) составу (рис. 1.2,б). Эта закономерность впервые была обнаружена и изучена Н.С. Курнаковым. В том случае, когда компоненты сплава нерастворимы друг в друге (рис. 1.2,в), возникает сплав типа смеси зерен двух фаз, состоящих из чистых компонентов - A+B. В этом случае искажений решетки каждой из фаз не возникает, а изменение соотношения компонентов приводит лишь к увеличению объемной доли второй фазы. Для смесей зависимость удельного электрического сопротивления от состава носит линейный характер (рис. 1.2,г). Комбинированный случай представлен на рис. 1.2,д. Когда компоненты ограниченно растворимы один в другом, то сплав, в зависимости от химического состава может быть твердым раствором или , либо смесью этих двух фаз +. Соответственно комбинированной получается и зависимость электросопротивления от состава сплава (рис. 1.2,е).  Рис. 1.3. Фрагмент диаграммы состояния сплавов медь-цинк В некоторых случаях при сплавлении компонентов возможно образование интерметаллидных фаз – химических соединений между атомами металлов, из-за появления ковалентной или ионной связи. Это может приводить как к повышению, так и к понижению электропроводности сплава. Реальные технические сплавы обычно имеют сложное строение и состав. Например, латуни – сплавы меди с цинком, при содержании цинка до 35% представляют собой -твердые растворы. Их сопротивление подчиняется правилу Курнакова. При большей концентрации цинка латуни состоят из смеси + фаз, из которых относится к интерметаллидам. При температурах ниже 450С -фаза приобретает упорядоченное строение и обозначается как '. Диаграмма состояния сплавов системы Cu-Ni аналогична рис. 1.2,а, но зависимость сопротивления от концентрации сплава имеет особенность. Дело в том, что никель - переходный металл и имеющий недостроенную 3d-оболочку. В связи с этим, его атомы создают локальное магнитное поле, что сильно снижает подвижность электронов. Поэтому удельное электрическое сопротивление переходных металлов и их сплавов существенно выше, чем у непереходных. Эти отличия следует установить в результате выполнения данной работы. Электротехнические стали – сплавы системы Fe-Si, в области применяемых составов (до 5% кремния) представляют собой твердые растворы кремния в железе. 3 Экспериментальная часть В работе изучается зависимость удельного электрического сопротивления от состава сплавов систем Fe-Si, Cu-Ni, Cu-Zn.  Рис. 1.4. Принципиальная схема измерения методом моста Изучение сопротивления сплавов системы Fe-Si осуществляется методом моста (рис. 1.4), образованного сопротивлением исследуемого образца RX, и резисторами R1, R2 и RN. Сопротивление RX определяется из условия баланса моста  .Индикатором баланса моста служит нуль-гальванометр G. Образцы в виде пластин зажимаются в контактном приспособлении на установке. Марка, состав и геометрия пластин приведены в таблице, размещенной на установке. Порядок работы на установке следующий: 1. Включить тумблер на рабочем столе. 2. Нажать клавишу "Сеть" на панели прибора измерительного моста. 3. Установить исследуемый образец в контактном приспособлении на установке, как показано на рис.1.5. 4. Нажать кнопку, включающую нуль-индикатор (на рис.1.5 выделена стрелочкой 4). 5. Сбалансировать мост. Для этого поворачивая ручки установки сопротивления, (начиная с крайней левой, 100 Ом, а затем последовательно до крайней правой, 0.01 Ом), установить такое значение сопротивления, чтобы стрелка нуль-гальванометра показывала точно нулевое отклонение. Если стрелка отклоняется влево, значит величину регулируемого сопротивления надо увеличить. Если стрелка отклоняется вправо, то величину сопротивления надо уменьшить.  Рис.1.5. Внешний вид установки для измерений мостовым методом. 6. Полученное сопротивление регулируемого плеча моста необходимо умножить, на множитель, установленный верхней ручкой прибора. Записать измеренное значение сопротивления для данного образца. 7. Аналогичным образом измерить сопротивления других образцов.  Рис. 1.6. Электрическая схема измерений методом вольтметра – амперметра Сопротивление сплавов систем Cu-Ni и Cu-Zn определяется методом вольтметра-амперметра (рис. 1.6). Ток от стабилизированного источника проходит через последовательно соединенные исследуемый образец RX и эталонный резистор RЭ. Подключив цифровой вольтметр, с помощью переключателя П1, к RЭ, можно определить силу тока в цепи: I =UЭ/RЭ, где UЭ - показания вольтметра. В данной установке RЭ = 10,001 Ом. Поэтому значение силы тока будет численно равно показанию вольтметра. В верхнем положении переключателя П1 измеряется падение напряжения UX на исследуемом образце. Сопротивление образца определяют по закону Ома для участка цепи: RX = UX/I. Смена образцов осуществляется многопозиционным переключателем (см. рис.1.7.), который на электрической схеме не показан. Состав и геометрия образцов приведены в таблицах 1.3 и 1.4, и размещены на установке. Сплавы системы Cu-Zn - латуни - маркируются следующим образом: Л90 - латунь с содержанием меди 90 %; Л80 - латунь с содержанием меди 80 % , и т.д. Порядок работы на установке следующий: 1. Включить тумблер на рабочем столе. 2. Включить источник питания постоянного тока Б5-46 (положение ВКЛ. тумблера на источнике питания). 3. Включить цифровой вольтметр Degatron (клавиша ON на вольтметре). 4. Перевести переключатель П1 в верхнее положение "Напряжение". Записать показания с дисплея цифрового вольтметра. В данном положении вольтметр будет измерять падение напряжения на исследуемом образце. 5. Перевести переключатель П1 в нижнее положение "Ток". Записать показания с дисплея цифрового вольтметра. В данном положении вольтметр измеряет падение напряжения на эталонном сопротивлении. Т.к. сопротивление Rэ = 1 Ом, то показания вольтметра будут численно равны силе тока в цепи. 6. Воспользовавшись законом Ома для участка цепи, определить сопротивление исследуемого образца. 7. Перевести многопозиционный переключатель в следующее положение. Повторить пункты 4-6 для всех оставшихся образцов.  Рис.1.7. Внешний вид установки для измерений методом вольтметра-амперметра. Результаты измерений занесите в табл.1.1 и 1.2, постройте зависимости удельного сопротивления от состава для сплавов трех систем Cu-Zn, Cu-Ni, Fe-Si. Таблица 1.1
Таблица 1.2
При построении зависимости удельного электрического сопротивления от состава материала обратите внимание на то, что в системе Cu-Ni исследуются четыре сплава: медь марки М0, никелин Cu+30%Ni, константан Cu+40%Ni, никель промышленной чистоты. 4. Контрольные вопросы У какого материала выше удельное электрическое сопротивление: Cu+20%Zn или Ni+20%Cr? Как повлияет на удельное сопротивление меди пластическая деформация? У какого металла ниже удельное сопротивление железа или алюминия? Как изменится удельное сопротивление алюминия при повышении температуры? ПАРАМЕТРЫ ОБРАЗЦОВ Латуни и сплавы меди с никелем Таблица 1.3
Электротехнические стали Таблица 1.4
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫОсновная Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебное пособие для студентов вузов, под ред. Чередниченко. – 2-е изд. , перераб. – М.: Омега-Л, 2006. – 752 с. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. Б. Н. Арзамасов, И. И. Сидорин, Г. Ф. Косолапов и др.; Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова.— 7-е, стереотип..-М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. – 648 с. Материаловедение и технология металлов. Под ред. Фетисова Г.П. – М.: Высшая школа, 2001. – 638 с. Ржевская С. В. Материаловедение: учебник для вузов / С. В. Ржевская.-Изд. 4-е, перераб и доп..-М.: Логос, 2004. – 424 с. Журавлева Л. В. Электроматериаловедение: учебник / Л. В. Журавлева.-2-е изд., стереотип..-М.: Academia, 2004.-312 с. Дополнительная Ланда М.И. Астанин В.В. Лабораторные работы по электротехническим материалам. - Уфа.: УАИ, 1986. Шарипов И.З. Физика металлов: Учебное пособие. – Уфимский гос. авиац. техн. ун-т, Уфа, 2005, - 89 с. Зарипова Р.Г. Материаловедение: электронное учебное пособие., Уфимский гос.авиац.техн. ун-т, Уфа, 2005. Шарипов И.З. Физика металлов: Практикум по дисциплине «Физика металлов» – Уфимский гос. авиац. техн. ун-т, Уфа, 2006, - 22 с. Технология конструкционных материалов. Под ред. Дальского А.М. М.: Машиностроение. 1993. – 448 с. Коровский Ш.Я. Авиационное электрорадиоматериаловедение. - М.: Машиностроение, 1978. - 384 с. Богодухов С. И. Курс материаловедения в вопросах и ответах: учебное пособие для студентов высших учебных заведений / С. И. Богодухов, В. Ф. Гребенюк, А. В. Синюхин.-Изд. 2-е, испр. и доп..-М.: Машиностроение, 2005.-288 с. Тареев В.М. Электрорадиоматериаловедение. - М.: Машиностроение, 1986- 384 с. Электротехнические и конструкционные материалы. Под.ред.. Филикова В.А – М.: Мастерство: Высшая школа, 2000.– 280 c Ермаков С.С. Физика металлов и дефекты кристаллического строения:Учеб. пособие/ Ленингр. политехн. ин-т им. М.И.Калинина.-Л.:Изд-во ЛГУ,1989.-271с. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. —3-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1990. – 528 с. Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение диэлектриков и полупроводников. - М. :Металлургия. 1988 - 402 с. Составитель: ШАРИПОВ Ильгиз Зуфарович ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ по дисциплине «Электротехническое материаловедение» Подписано в печать 07.06.2007 Формат 60х80 1/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 4,1 Усл. кр. – отт. 4,1 Уч. – изд. л. 4,0 Тираж 100 экз. Заказ №…. ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии УГАТУ 450000, Уфа – центр, ул. К. Маркса, 12 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||