контрольное задание. Заданиеii30
 Скачать 154.41 Kb.
|
 ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Институт энергетики Кафедра «Электроснабжения и электротехники» «Электротехническое материаловедение» Контрольное задание Выполнил: Атажанов Тахир Иркутск 2022 ЗаданиеII-30.Опишите физические и электрические характеристики меди, область применения. Определите длину и сопротивление медной проволоки марки ММ диаметром 2 мм, если ее масса на катушке составляет 25 кг. Физические свойства Медь в чистом виде представляет собой металл, цвет которого может варьироваться от розового до красного оттенка. Радиус ионов меди, имеющих положительный заряд, может принимать следующие значения: если координационный показатель соответствует 6-ти — до 0,091 нм; если данный показатель соответствует 2 — до 0,06 нм. Радиус атома меди составляет 0,128 нм, также он характеризуется сродством к электрону, равном 1,8 эВ. При ионизации атома данная величина может принимать значение от 7,726 до 82,7 эВ. Медь — это переходный металл, показатель электроотрицательности которого составляет 1,9 единиц по шкале Полинга. Кроме этого, его степень окисления может принимать различные значения. При температурах, находящихся в интервале 20–100 градусов, его теплопроводность составляет 394 Вт/м*К. Электропроводность меди, которую превосходит лишь серебро, находится в интервале 55,5–58 МСм/м. Так как медь в потенциальном ряду стоит правее водорода, она не может вытеснять этот элемент из воды и различных кислот. Ее кристаллическая решетка имеет кубический гранецентрированный тип, величина ее составляет 0,36150 нм. Плавится медь при температуре 1083 градусов, а температура ее кипения — 26570. Физические свойства меди определяет и ее плотность, которая составляет 8,92 г/см3. Из ее механических свойств и физических показателей стоит также отметить следующие: термическое линейное расширение — 0,00000017 единиц; предел прочности, которому медные изделия соответствуют при растяжении, составляет 22 кгс/мм2; твердость меди по шкале Бринелля соответствует значению 35 кгс/мм2; удельный вес 8,94 г/см3; модуль упругости составляет 132000 Мн/м2; значение относительного удлинения равно 60%. Совершенно уникальными можно считать магнитные свойства данного металла, который является полностью диамагнитным. Именно эти свойства, наряду с физическими параметрами: удельным весом, удельной проводимостью и другими, в полной мере объясняют широкую востребованность данного металла при производстве изделий электротехнического назначения. Похожими свойствами обладает алюминий, который также успешно используется при производстве различной электротехнической продукции: проводов, кабелей и др. Основную часть характеристик, которыми обладает медь, практически невозможно изменить, за исключением предела прочности. Данное свойство можно улучшить практически в два раза (до 420–450 МН/м2), если осуществить такую технологическую операцию, как наклеп. Химические свойства Химические свойства меди определяются тем, какое положение она занимает в таблице Менделеева, где она имеет порядковый номер 29 и располагается в четвертом периоде. Что примечательно, она находится в одной группе с благородными металлами. Это лишний раз подтверждает уникальность ее химических свойств, о которых следует рассказать более подробно. В условиях невысокой влажности медь практически не проявляет химическую активность. Все меняется, если изделие поместить в условия, характеризующиеся высокой влажностью и повышенным содержанием углекислого газа. В таких условиях начинается активное окисление меди: на ее поверхности формируется зеленоватая пленка, состоящая из CuCO3, Cu(OH)2 и различных сернистых соединений. Такая пленка, которая называется патиной, выполняет важную функцию защиты металла от дальнейшего разрушения. Окисление начинает активно происходить и тогда, когда изделие подвергается нагреву. Если металл нагреть до температуры 375 градусов, то на его поверхности формируется оксид меди, если выше (375-1100 градусов) — то двухслойная окалина. Медь достаточно легко реагирует с элементами, которые входят в группу галогенов. Если металл поместить в пары серы, то он воспламенится. Высокую степень родства он проявляет и к селену. Медь не вступает в реакцию с азотом, углеродом и водородом даже в условиях высоких температур. Внимание заслуживает взаимодействие оксида меди с различными веществами. Так, при его взаимодействии с серной кислотой образуется сульфат и чистая медь, с бромоводородной и иодоводородной кислотой — бромид и иодид меди. Иначе выглядят реакции оксида меди с щелочами, в результате которых образуется купрат. Получение меди, при котором металл восстанавливается до свободного состояния, осуществляют при помощи оксида углерода, аммиака, метана и других материалов. Медь при взаимодействии с раствором солей железа переходит в раствор, при этом железо восстанавливается. Такая реакция используется для того, чтобы снять напыленный медный слой с различных изделий. Одно- и двухвалентная медь способна создавать комплексные соединения, отличающиеся высокой устойчивостью. Такими соединениями являются двойные соли меди и аммиачные смеси. И те и другие нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. Области применения меди Применение меди, как и наиболее схожего с ней по своим свойствам алюминия, хорошо известно — это производство кабельной продукции. Медные провода и кабели, характеризуются невысоким электрическим сопротивлением и особыми магнитными свойствами. Для производства кабельной продукции применяются виды меди, характеризующиеся высокой чистотой. Если в ее состав добавить даже незначительное количество посторонних металлических примесей, к примеру, всего 0,02% алюминия, то электрическая проводимость исходного металла уменьшится на 8–10%. Невысокий вес меди и ее высокая прочность, а также способность поддаваться различным видам механической обработки — это те свойства, которые позволяют производить из нее трубы, успешно использующиеся для транспортировки газа, горячей и холодной воды, пара. Совершенно не случайно именно подобные трубы применяются в составе инженерных коммуникаций жилых и административных зданий в большинстве европейских стран. Медь, кроме исключительно высокой электропроводности, отличается способностью хорошо проводить тепло. Благодаря этому свойству она успешно используется в составе следующих систем: тепловые трубки; кулеры, использующиеся для охлаждения элементов персональных компьютеров; системы отопления и охлаждения воздуха; системы, обеспечивающие перераспределение тепла в различных устройствах (теплообменники). Металлические конструкции, в которых использованы медные элементы, отличаются не только небольшим весом, но и исключительной декоративностью. Именно это послужило причиной их активного использования в архитектуре, а также для создания различных интерьерных элементов. Решение: S=1/4πd2=1/4*3,14*4=3,14мм2 Сопротивление зависит от размеров R=ρ⋅l ⋅S, где l – длина, S – площадь сечения, ρ = 1,7 •10-8 Ом•м – удельное сопротивление меди. Массу меди можно определить: m=d⋅l⋅S, здесь d = 8900 кг/м3- плотность меди, S•l – объём. Разделим уравнения R/m=ρ⋅l/d⋅l⋅S⋅S=ρ/d⋅S2, R=ρ⋅m/d⋅S2, R=1,7⋅10−8⋅25/8900⋅(0,314⋅10−6)2=484,33. l = R/(ρ ⋅S)=484,33/(1,7⋅10−8⋅0,314⋅10−6)= 9,07⋅10−12м Ответ: R= 484,33 Ом; l= 9,07⋅10−12м ЗаданиеIII-30.Среди магнитомягких ферритов I группы выберите феррит с максимальной начальной магнитной проницаемостью. Опишите его состав, свойства и постройте для него петлю гистерезиса. В качестве магнитомягких материалов наиболее широко применяют никель-цинковые и марганец-цинковые ферриты. Они кристаллизуются в структуре шпинели и представляют собой твердые растворы замещения, образованные двумя простыми ферритами, один из которых (NiFe2O4 или MnFe2O4) является ферри-магнетиком, а другой (ZnFe2O4) – немагнитен. Магнитные свойства. Магнитные свойства ферритов зависят от механических напряжений, которые могут возникать при нанесении обмотки, креплении изделий и по другим причинам. Чтобы не было ухудшения магнитных характеристик, ферриты следует оберегать от механических нагрузок. Наиболее распространенная маркировка магнитомягких ферритов следующая. На первом месте стоит численное значение μн, затем идут буквы, определяющие частотный диапазон применения, ограничиваемый сверху значением критической частоты fкр. Ферриты для звуковых, ультразвуковых и низких радиочастот для краткости обозначают буквой Н (низкочастотные). Критическая частота их для разных марок может лежать в пределах от 0,1 до 50 МГц. В маркировке высокочастотных ферритов имеются буквы ВЧ, критическая частота их 50–600 МГц. Далее в маркировке магнитомягких ферритов следуют буквы, означающие состав материала: М – марганец-цинковый феррит, Н – никель-цинковый и т.д. Ферриты марок ВЧ по составу относятся к никель-цинковым. Электрические свойства. По электрическим свойствам ферриты относятся к классу полупроводников или даже диэлектриков. Их электропроводность обусловлена процессами электронного обмена между ионами переменной валентности («прыжковый» механизм). Электроны, участвующие в обмене, можно рассматривать как носители заряда, концентрация которых практически не зависит от температуры. Среди многих факторов, влияющих на электрическое сопротивление ферритов, основным является концентрация в них ионов двухвалентного железа Fe2+. Под влиянием теплового движения слабосвязанные электроны перескакивают от ионов железа Fe2+ к ионам Fe3+ и понижают валентность последних. С увеличением концентрации двухвалентных ионов железа линейно возрастает проводимость материала, и одновременно уменьшается энергия активации Э. Отсюда следует, что при сближении ионов переменной валентности понижается высота энергетических барьеров, которые должны преодолевать электроны при переходе от одного иона к соседнему. У ферритов-шпинелей энергия активации электропроводности обычно лежит в пределах от 0,1 до 0,5 эВ. Наибольшей концентрацией ионов двухвалентного железа и, соответственно, наименьшим удельным сопротивлением обладает магнетит Fe3O4 (феррит железа), у которого ρ = 5 · 10–5 Ом · м. В то же время в феррогранатах концентрация ионов Fe2+ ничтожно мала, поэтому их удельное сопротивление может достигать высоких значений (до 109 Ом · м). Экспериментально установлено, что присутствие в ферритах-шпинелях определенного количества ионов двухвалентного железа приводит к ослаблению анизотропии и магнитострикции; это благоприятно отражается на значении начальной магнитной проницаемости. Отвода вытекает следующая закономерность: ферриты с высокой магнитной проницаемостью, как правило, обладают невысоким удельным сопротивлением. Для ферритов характерна относительно большая диэлектрическая проницаемость, которая зависит от частоты и состава материала. С повышением частоты диэлектрическая проницаемость ферритов падает. Так, никель-цинковый феррит с начальной проницаемостью (μн = 200 на частоте 1 кГц имеет ε = 400, а на частоте 10 МГц ε = 15. Наиболее высокое значение диэлектрической проницаемости присуще марганец-цинковым ферритам, у которых она достигает сотен или тысяч. Большое влияние на поляризационные свойства ферритов оказывают ионы переменной валентности. С увеличением их концентрации наблюдается возрастание диэлектрической проницаемости материала. Применение ферритов. Магнитомягкие ферриты с начальной магнитной проницаемостью 400–20000 в слабых полях во многих случаях эффективно заменяют листовые ферромагнитные материалы – пермаллой и электротехническую сталь. В средних и сильных магнитных полях замена листовых ферромагнетиков ферритами нецелесообразна, поскольку у ферритов меньше индукция насыщения. Магнитомягкие ферриты широко применяются в качестве сердечников контурных катушек постоянной и переменной индуктивностей, фильтров в аппаратуре радио- и проводной связи, сердечников импульсных и широкополосных трансформаторов, трансформаторов развертки телевизоров, магнитных модуляторов и усилителей. Из них изготавливают также стержневые магнитные антенны, индуктивные линии задержки и другие детали и узлы электронной аппаратуры. Наиболее часто применяют ферритовые сердечники с замкнутой магнитной цепью. Такие магнитопроводы бывают либо монолитными, в виде единого тела (например, кольцевой сердечник), либо составными – из двух хорошо пришлифованных друг к другу частей, зазор между которыми по возможности мал. Составные магнитопроводы распространены шире монолитных, так как намотка проволоки на последние вызывает определенные трудности. В качестве примера на рис. 9 показана конструкция составного сердечника закрытого (броневого) типа. Он состоит из двух одинаковых чашек и стержня-подстроечника, входящего в центральное отверстие. Перемещением подстроечника можно регулировать индуктивность катушки.  Рис. 9. Конструкция броневого ферритового сердечника Монокристаллы магнитомягких ферритов находят довольно широкое применение при изготовлении магнитных головок записи и воспроизведении сигналов звукового и видеодиапазонов в магнитофонах. По сравнению с металлическими ферритовые головки обладают высоким удельным сопротивлением (что важно для уменьшения потерь) и большей твердостью. Из-за высокой скорости движения магнитной ленты при видеозаписи к материалу головки предъявляются повышенные требования в отношении износоустойчивости. Конструкция головки для магнитной записи показана на рис. 10. Сердечник головки состоит из двух половин, склеенных стеклом, между которыми создается рабочий зазор 0,5–0,7 мкм. Такие сердечники изготавливают из монокристаллов марганец-цинковых ферритов, выращиваемых газопламенным методом Вернейля.  Рис. 10. Общий вид магнитной видеоголовки (указаны приблизительные размеры в мм) Феррит — свойства и применение О минерале, который притягивается к стальным изделиям, человечеству стало известно еще в 3 веке до нашей эры. Люди были поражены, но дальнейшего развития способов его применения не последовало. Второе рождение феррита произошло после открытия компаса. Кусок минерала, закрепленный на плавающей доске, всегда указывал в одну сторону, облегчая морякам поиск нужного направления. Окончательное признание феррит получил после опубликования теории взаимодействия электрических и магнитных полей Фарадеем. Это позволило миру взглянуть по-новому на свойства и применение феррита. Так что же это за материал и почему он так интересен радиоэлектроникам. Общая характеристика и химический состав Ферриты представляют собой сплав оксида железа с оксидом другого ферромагнитного металла: медь, цинк, кобальт, никель и т. д. В промышленном применении наибольшее распространение получили следующие типы ферритов: Никель-цинковый феррит. Имеют свойства высокого удельного электросопротивления, что делает их более выгодными в использовании на частоте от 500 КГц до 200 МГц. Магний-марганцевый. Их применяют при работе со звуковыми частотами. Марганцово — цинковый. Данный тип имеет наименьшие потери на вихревые токи. Свойства и особенности Это — полупроводники, свойства проводить ток которых повышается с увеличением температуры. Плотность ферритов зависит от марки, и колеблется в пределах от 4000 до 5000 кгм3. Ферриты обладают повышенными теплофизическими свойствами. Коэффициент тепловой проводимости равен 4,1 Вт/(м·К). Теплоемкость 600-900 Джкг*К. Главным достоинством ферритовых сплавов является наличие повышенного удельного электросопротивления с сочетанием высоких магнитных свойств. Наиболее выгодным будет применение феррита при таких эксплуатационных характеристиках как малое значение индукции и высокие частоты. При низких значениях частот повышается относительная диэлектрическая проницаемость феррита. При одновременном наличии высокой магнитной проницаемости это может привести к наложению волн друг на друга. Как результат возникает объемный резонанс, при котором вихревые токи увеличиваются в разы, а, следовательно, потери. Ухудшение магнитных свойств в ферритах происходит по следующим причинам: Механическое воздействие на ферритовый сплав. Образование трещин на поверхности магнитного сердечника может привести к смене знака магнитного поля. Особенно опасны силы, векторы которых направлены параллельно или перпендикулярно линиям магнитного поля. Одновременное наложение постоянного и переменного полей. Происходит наложение частот друг на друга, что в результате увеличивает вероятность образования резонанса. Выход за пределы рабочих температур согласно условиям эксплуатации приводит к возникновению остаточной магнитной проницаемости феррита. Также наблюдается нестабильность магнитных свойств в ферритах при долгом нахождении под воздействием плюсовой температуры. Повышенная влажность может стать причиной изменения в феррите электропроводных свойств, которые, в свою очередь, способствуют увеличению потерь. Из-за этого ферриты, работающие при частоте выше 3 МГц и в условиях высокой влажности, требуют нанесения на их поверхность водоизолирующего материала. Радиационное излучение сильно снижает магнитные характеристики и электрические свойства ферритов, особенно ферритных сплавов на основе марганца и цинка. Феррит обладает незначительными механическими свойствами. Не отличаются ни прочностью, ни пластичностью. Модуль упругости составляет в среднем 45 000 МПа. Модуль сдвига ферритовых сплавов 5500 МПа. Предел прочности на растяжение равен 120 МПа. На сжатие 900 МПа. Значение коэффициента Пуансона колеблется в пределах 0,25-0,45. Виды применения В силу вышеперечисленных свойств главным потребителем ферритов является радиоэлектроника. Применение определенного сплава феррита ограничивается значением критических частот, выход за пределы которых увеличивает потери и снижает эксплуатационные свойства, в частности магнитную проницаемость. Ферритовые сплавы по свойствам и применению делят на: Общепромышленного применения (400НН,1000НМ, 1500 НМ). По своим магнитным свойствам относятся к ферритам высокой частоты. Магнитная проницаемость ферритовых сплавов колеблется в пределах от 100 до 4000. Такие ферритовые сердечники используются при частоте до 30 МГц. Также в их область применения входит изготовление сердечников магнитных антенн, трансформаторов и прочего оборудования, от которого не требуется повышенные свойства устойчивости к температурам. Термически стабильные. Содержат в себе высокочастотные (20ВН,7ВН) и низкочастотные (1500НМ3, 1500НМ1) типы. Их главные свойства — высокая добротность и стабильная начальная магнитная проницаемость. Кроме того, указанные ферритные сплавы в эксплуатации отличаются такими свойствами как низкий относительный температурный коэффициент магнитной проницаемости. Низкочастотные ферриты нашли применение в работе со слабым полем и частоте до 2,9 МГц, а высокочастотные до 99 МГц. В основном они служат сырьем для броневых сердечников и сердечников для антенн. Ферриты высокопроницаемые (6000НМ1, 6000НМ, 4000НМ). Отличительными свойствами являются повышенная начальная магнитная проницаемость при низкой частоте и высокая добротность. Вышеперечисленные ферритные сплавы применяют при изготовлении статических преобразователей и делителей напряжения. Магнитные свойства ферритов позволяют заменить в данных приборах дефицитные пермаллоевые сердечники. Для телевизионной аппаратуры (4000НМС, 3500НМС1). Ферритовые сплавы этой категории имеют низкие потери при частоте, используемой в телевизионном оборудовании. Также среди их свойств выделяется повышенная магнитная индукция при высоком значении температур. Из данных ферритов изготавливают сердечники трансформаторов и сердечники спецузлов телевизора. Ферриты импульсных трансформаторов (300ННИ, 300ННИ1). Особенность данных сплавов в их использовании — работа в режиме импульсного намагничивания. Главное применение ферритов – изготовление сердечников импульсных трансформаторов. Для производства контуров радиотехнических приборов (10ВНП, 35ВНП). Своим применением в радиоэлектронике они обязаны таким свойствам как высокий показатель коэффициента перестройки по частоте и низким потерям при работе на частотах до 250 МГц. Основное их техническое применение – это сердечники контуров, настраиваемые подмагничиванием. Для широкополосных трансформаторов. Объединяющие свойства – высокая добротность, низкое значение нелинейных искажений и более высокая точка Кюри. Самые популярные ферриты данной категории в использовании — 200ВНС, 90ВНС и 50ВНС. Их свойства позволили найти такое применение как изготовление сердечников широкополосных трансформаторов. Для магнитных головок. Ферритовые сплавы данной категории производят на основе никель-цинковых ферритов: 500НТ и 1000НТ. Воздействие сердечников с носителем информации требует наличия в ферритах минимальной поверхности пористости. Для магнитного экранирования. Сюда относятся 2 марки: 800ВНРП и 200ВНРП. Ферритные сердечники данных сплавов применяют в радиопоглощающих приборах для устранения радиопомех. Для датчиков (1200НН, 1200НН1 и 1200НН2). Отличительные свойства приведенных ферритов – это повышенная термочувствительность и высокая магнитная проницаемость. Это позволило найти им применение при производстве термореле. |