ВВЕДЕНИЕ - Информационная система университета

Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.
ТЕХНОЛОГИЯ
КОНСТРУКЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Программа, методические указания и контрольные задания
для студентов II–IV курсов заочной формы обучения
(специальности 140211, 140601, 140604, 140606, 210104, 210105)
НОВОСИБИРСК
2007
Составители: канд. техн. наук, доцент В.Н. Гаревский
канд. техн. наук, доцент И.Л. Новиков
Рецензент канд. физ.-мат. наук, доцент Б.К. Богомолов
Работа подготовлена кафедрой
полупроводниковых приборов и микроэлектроники
© Новосибирский государственный
технический университет, 2007
2
ВВЕДЕНИЕ
Электрорадиоматериалы имеют существенное значение в конструкциях самых разнообразных электротехнических и радиотехнических устройств и аппаратов. Тенденция в современной электротехнике – это увеличение напряжений и мощностей, уменьшение габаритов и веса отдельных машин и аппаратов и повышение их надежности.
Без знания свойств этих материалов невозможно создавать сверхдальние линии электропередач, конструировать уникальные электрические
машины, аппараты и радиокомпоненты.
Особое место в электротехнике занимают электроизоляционные
материалы. Прогрессивные виды электрической изоляции и ее правильное применение в каждом конкретном случае ставят перед инженером-электриком задачу: отчетливо понимать процессы, протекающие в диэлектрике, работающем в электрическом поле.
Создание новых электротехнических материалов и правильное их
использование существенно влияют на экономические показатели изделия, обеспечивая удешевление устройств, увеличение их надежности
в работе и сроков эксплуатации.
ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Изучение курсов «Электротехнические материалы», «Материаловедение и технология конструкционных материалов», «Материаловедение. Конструкционные и электротехнические материалы», «Электроматериаловедение», «Материаловедение», «Материалы и элементы
электронной техники» проходит в соответствии с программой курсов.
3
Указанные программы состоят из следующих разделов: Введение,
ч. 1 – Электроизоляционные материалы, ч. 2 – Проводниковые материалы, ч. 3 – Полупроводники, ч. 4 – Магнитные материалы, и для электротехнических специальностей – Конструкционные материалы.
При изучении данных курсов следует тщательно проработать каждый раздел, разобраться в физической сущности изучаемых явлений,
не ограничиваясь формальными представлениями о характеристиках
материалов и их зависимости от различных факторов. При рассмотрении отдельных конкретных видов материалов надо установить, в какой
мере их особенности могут быть объяснены ранее изученными общими закономерностями.
Не рекомендуется механически запоминать числовые значения характеристик материалов, но студент должен отчетливо представлять
себе порядок этих величин. Не обязательно и запоминание сложных
химических формул, в частности формул высокомолекулярных веществ, но студент должен разобраться по виду формулы в важнейших
особенностях данного вещества: его неполярной или полярной природе, порядке величины диэлектрической проницаемости и т. п.
Основным при освоении материала является:
а) рассмотрение теоретических основ, из которых надо исходить
при изучении и испытании материалов;
б) установление классификации материалов по их назначению, составу и свойствам;
в) изучение основных характеристик, определяющих оценку пригодности материалов в электротехнике;
г) рассмотрение основных особенностей технологии электротехнических материалов;
д) изучение случаев применения материалов.
В процессе изучения студенту необходимо выполнить одну контрольную работу в индивидуальном варианте, в основном по материалам учебников [1, 2].
Ответы на вопросы контрольных заданий должны быть краткими,
ясными и исчерпывающими. При решении задач контрольных работ
необходимо пользоваться международной системой единиц (СИ). Для
всех величин непременно надо указать единицы измерения, а на графиках – масштабы по осям координат.
Вопросы, не вошедшие в задание на контрольную работу, рекомендуется использовать для самопроверки.
4
Обязательно также выполнение лабораторных работ. Их целью является более глубокое усвоение теоретических закономерностей, в
частности зависимостей характеристик материалов от условий опыта, а
также ознакомление с образцами некоторых материалов, свойства
и применение которых изучаются в курсе.
Лабораторные работы следует рассматривать как заключительный
этап изучения дисциплины. Поэтому, прежде чем приступить к их выполнению, во-первых, студент обязан полностью проработать теоретическую часть курса и иметь зачет по контрольной работе, без чего проделанная работа будет малоэффективна; во-вторых, студент должен
пройти собеседование с преподавателем для проверки подготовленности конкретно к каждой работе. Поскольку большинство лабораторных
работ проводится при напряжениях, опасных для жизни, особое внимание уделяется вопросам техники безопасности. Приступать к работе
в лаборатории студент может лишь после того как прослушает инструктаж преподавателя, детально ознакомится с правилами техники
безопасности.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО ОТДЕЛЬНЫМ РАЗДЕЛАМ КУРСА
Тема 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА
Содержание
Предмет и содержание курса. Общие сведения о строении вещества. Виды связи. Кристаллическое и аморфное строение вещества.
Классификация веществ по электрическим свойствам. Классификация
веществ по магнитным свойствам.
Методические указания
Материал данной темы содержится в учебнике [1, 2]. При их изучении рекомендуется повторить аналогичные разделы в учебнике по
курсу физики.
5
Тема 2. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Содержание
Электрические явления в диэлектриках. Электрические заряды в
диэлектрике и их взаимодействие с электрическим полем, диэлектрическая проницаемость. Основные виды поляризации диэлектриков.
Классификация диэлектриков по виду поляризации. Диэлектрическая
проницаемость газов. Диэлектрическая проницаемость жидких диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков.
Методические указания
При изучении электроизоляционных материалов особое внимание
следует уделить разделу курса, в котором изложено описание явлений,
происходящих в диэлектриках во время их работы в электрических
полях [1, 2].
В гл. 1 рассматривается явление поляризации диэлектриков, т. е.
процессов, обеспечивающих способность диэлектрика к накоплению
электрических зарядов и созданию тем самым электрической емкости.
В разделах этой главы рассматриваются поляризация диэлектриков и понятие о диэлектрической проницаемости, основные виды поляризации, классификация диэлектриков по виду поляризации, диэлектрическая проницаемость газов, жидких и твердых диэлектриков.
Особое внимание должно быть обращено на характер изменения величин диэлектрической проницаемости от различных внешних факторов:
температуры, влажности, длительности и частоты приложенного
напряжения.
Надо иметь представление о диэлектрической проницаемости смесей и путях ее определения при помощи логарифмического закона
смешивания.
6
Тема 3. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Содержание
Электропроводность диэлектриков. Основные виды электропроводности диэлектриков. Электропроводность газов, жидких и твердых
диэлектриков. Поверхностная электропроводность твердых диэлектриков и ее зависимость от природы материала, состояния поверхности и
влажности.
Методические указания
Материал данной темы изложен в [1, 2]. Здесь следует обратить
внимание на то, что электропроводность твердых диэлектриков может
быть объемной и поверхностной, а потому, рассматривая вопрос влияния на электропроводность твердого диэлектрика различных внешних
факторов, следует учитывать характер электропроводности.
При изучении электропроводности диэлектриков надо обратить
внимание на особенность электропроводности в зависимости от агрегатного состояния вещества, от температуры и приложенного напряжения.
Тема 4. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ
Содержание
Основные понятия. Полные и удельные потери. Схемы замещения
диэлектриков с потерями. Природа диэлектрических потерь. Виды
диэлектрических потерь. Диэлектрические потери в газах. Кривая
ионизации. Диэлектрические потери в жидких и твердых диэлектриках. Зависимость тангенса диэлектрических потерь от частоты и температуры для неполярных и полярных диэлектриков.
Методические указания
Материал данной темы изложен в [1, 2]. Здесь следует разобрать
векторную диаграмму и формулы для определения общих и удельных
диэлектрических потерь, а также виды диэлектрических потерь в газах,
жидкостях и твердых телах.
7
Особое внимание надо обратить на диэлектрические потери в неполярных и полярных диэлектриках и на зависимость тангенса угла
диэлектрических потерь от температуры и частоты. Эти закономерности иллюстрируются графиками, которые следует тщательно проанализировать.
Тема 5. ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Содержание
Пробой диэлектриков. Пробивное напряжение и пробивная
напряженность. Пробой газов в однородном и неоднородном электрическом поле. Пробой на постоянном токе и переменном токе низкой и
высокой частоты. Пробой при импульсах. Зависимость пробивного
напряжения от давления и величины промежутка между электродами.
Пробой жидких диэлектриков. Влияние примесей на характер зависимости электрической прочности от температуры. Пробой твердых диэлектриков. Теории теплового и электрического пробоев твердых диэлектриков.
Методические указания
Материал данной темы изложен в [1, 2]. При изучении явления
пробоя в газах следует изучить явление пробоя газа в однородном и
неоднородном электрических полях. На величину электрической
прочности газа значительно влияют давление в газе и частота приложенного напряжения, и форма электродов.
В [1, 2] изложено описание процессов пробоя жидких диэлектриков, приведены теории, объясняющие явление пробоя, и графики зависимости электрической прочности трансформаторного масла от температуры и содержания в нем влаги.
В [1] рассмотрены виды пробоя твердых диэлектриков: электрический пробой однородных и неоднородных диэлектриков, электрохимический и тепловой пробой. Объяснение этих явлений сопровождается соответствующими графиками, с которыми в целях лучшего
усвоения нужно ознакомиться.
8
Особое внимание следует уделить изучению теплового пробоя и
разобраться в аналитическом выражении для пробивного напряжения
при тепловом пробое, предложенном В.А. Фоком и Н.Н. Семеновым.
Тема 6. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ
Содержание
Влажностные свойства диэлектриков. Влажность материалов. Влагопроницаемость. Механические свойства диэлектриков. Тепловые
свойства диэлектриков: нагревостойкость, холодостойкость, теплопроводность, тепловое расширение. Химические свойства диэлектриков.
Воздействия излучений высокой энергии.
Методические указания
Материал данной темы изложен в [1].
Физико-химические и механические свойства диэлектриков имеют
большое значение при выборе этих материалов для использования в
машинах, аппаратах и прочих устройствах.
Для оценки гигроскопичности следует иметь понятие об абсолютной и относительной влажности воздуха, способности материала смачиваться, впитывать влагу, а также о влагопроницаемости.
Необходимо считаться и с механической прочностью на разрыв,
сжатие и изгиб, с хрупкостью, твердостью и вязкостью материалов.
Важное значение имеет нагревостойкость диэлектриков. Введены
классы нагревостойкости для твердых диэлектриков. Жидкие диэлектрики оцениваются температурой вспышки их паров, температурой
воспламенения самой жидкости, тепловым старением, морозостойкостью, теплопроводностью.
Электроизоляционные материалы должны обладать определенной
химической и радиационной стойкостью, в особенности к корпускулярным и волновым излучениям, что должно характеризоваться образованием двойных связей в большей степени, чем их разрывом. Для
усвоения этих положений следует ознакомиться с графиками 5–9 –
5–11, приведенными на с. 86–87, разд. 5–4 [1].
9
Тема 7. ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Содержание
Классификация диэлектриков. Газообразные диэлектрики. Нефтяные электроизоляционные масла: трансформаторное, конденсаторное,
кабельное масло. Синтетические жидкие диэлектрики: хлорированные
углеводороды, кремнийорганические жидкости, фторорганические
жидкости.
Общие сведения об органических полимерах. Смолы. Синтетические смолы: полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, политетрафторэтилен, полиамиды, полиуретаны, полиамиды, фенолформальдегидные смолы, полиэфирные, эпоксидные и кремнийорганические
смолы. Природные смолы: шеллак, канифоль, копалы.
Растительные масла. Битумы. Воскообразные диэлектрики. Электроизоляционные лаки, компаунды. Гибкие пленки. Волокнистые материалы: дерево, бумаги и картоны, фибра, природные волокна, искусственные волокна, синтетические волокна, лакоткани.
Пластические массы. Свойства изделий из термореактивных
пластмасс. Свойства термопластиков. Слоистые пластики: гетинакс,
текстолит.
Эластомеры. Натуральный каучук. Синтетический каучук.
Стекла. Плотность, механические свойства, тепловые свойства,
оптические свойства, гидролитическая стойкость, электрические свойства стекол. Типы стекол. Стеклоэмали. Стекловолокно. Ситаллы.
Керамические диэлектрические материалы. Фарфор, способ производства и изделия из фарфора. Классификация керамических материалов. Керамика с низкой диэлектрической проницаемостью. Керамика с высокой диэлектрической проницаемостью. Сегнетокерамика.
Керамика с особо высокой нагревостойкостью.
Слюда и слюдяные материалы. Миканиты. Слюдиниты и слюдопласты. Микалекс. Синтетическая слюда.
Методические указания
При изучении газообразных диэлектриков и их свойств следует обратить особое внимание на газы повышенной электрической прочности
и зависимости пробивного напряжения от химического состава и давления.
10
При изучении жидких диэлектриков следует также обратить внимание на свойства трансформаторного масла и синтетических масел –
совола, кремнийорганической и фторорганической жидкостей – и
установить их преимущество и недостатки в сравнении с трансформаторным маслом.
Особенно тщательно рекомендуется изучить раздел, в котором
изложены общие сведения о высокомолекулярных органических веществах. Должны быть четко усвоены понятия о процессах полимеризации и поликонденсации в получении полимеров линейного и пространственного строения, термопластичных и термореактивных
полимеров.
В [1] также кратко изложены сведения об органических полимерах, о реакциях полимеризации и поликонденсации. Следует уяснить,
какими свойствами обладают вещества, полученные по этим реакциям
вследствие линейного или пространственного строения молекул, что в
основном и определяет их дальнейшее применение.
При изучении синтетических смол необходимо рассмотреть два их
класса – термопластичные (полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид
и др.) и термореактивные (фенолформальдегидные, глифталевые и др.)
и детально ознакомиться с их свойствами.
Следует также изучить фторорганические, полиамидные и кремнийорганические смолы в качестве представителей наиболее нагревостойких смол органического происхождения.
При ознакомлении с фенолформальдегидными, полиэфирными,
эпоксидными смолами следует обратить внимание на тот факт, что при
некоторых обстоятельствах они могут обладать как термопластичными
(новолак), так и термореактивными (бакелит) свойствами. Полезно
ознакомиться с некоторыми свойствами типичных синтетических смол.
Следует изучить масла растительного происхождения, как имеющие достаточно широкое применение в электроизоляционной технике.
Значительное место занимают также лаки и компаунды.
С развитием производства синтетических смол появилась возможность изготовления гибких пленок, обладающих малой толщиной, высокой электрической и механической прочностью.
При ознакомлении с пластмассами необходимо обратить внимание
на технологию их изготовления, а также на производство слоистых
пластиков – гетинакса и текстолита – и на электроизоляционные свойства и применение.
11
В [1] приведены данные об эластомерах (каучуках). Особое внимание надо уделить синтетическим каучукам, их свойствам и применению.
Необходимо иметь представление об электрических свойствах
электротехнических стекол, стекловолокнах, ситаллах, стеклоэмалях.
При изучении общих положений керамических материалов, обратите внимание на различные керамические диэлектрики, а также на
изделия на основе слюды (микалекс, слюдинит, миканиты).
Тема 8. ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Содержание
Классификация и основные свойства проводниковых материалов.
Материалы высокой проводимости: медь, алюминий, железо, натрий.
Сверхпроводники и криопроводники.
Сплавы высокого сопротивления для резисторов и нагревательных
приборов: манганин, константан, сплавы на основе железа.
Сплавы для термопар, тензометрические сплавы. Контактные материалы. Припои. Флюсы. Неметаллические проводники: электроугольные изделия, проводниковые материалы особо высокой нагревостойкости.
Методические указания
Материал данной темы изложен в [1].
Важно подробно познакомиться со следующими понятиями:
удельное сопротивление и его температурный коэффициент, сверхпроводимость, сопротивление сплавов и термоЭДС. Рекомендуется также
ознакомиться со свойствами металлов.
При изучении металлов, обладающих высокой электропроводностью, следует обратить внимание на медные и алюминиевые электротехнические сплавы.
Материал о различных металлах, припоях, флюсах и сплавах изложен в [1].
12
Тема 9. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Содержание
Общая характеристика полупроводниковых материалов. Общие
сведения и классификация. Электропроводность полупроводников:
собственные полупроводники, примесные полупроводники.
Воздействие внешних факторов на электропроводность полупроводников. Элементы со свойствами полупроводников: германий,
кремний. Полупроводниковые химические соединения и материалы на
их основе: соединения АIII ВV , АII ВVI. Использование полупроводниковых материалов для диодов, триодов, вариоторов и других элементов.
Преимущества полупроводниковых приборов.
Методические указания
Следует тщательно изучить общие представления физики полупроводников. Понимание механизма электропроводности полупроводников необходимо для практического применения этих материалов в
электротехнике. Учитывая широкое применение этих материалов в
технике, необходимо разобраться во влиянии внешних факторов на
электропроводность полупроводников, которые рассматриваются в [1].
Особое внимание следует обратить на свойства германия, кремния
и селена, их применение в технике, например для изготовления диодов, триодов, фотоэлементов, датчиков Холла и т. п.
Сведения о полупроводниковых химических соединениях изложены в [1]. Учитывая, что эти соединения иногда обладают свойствами,
превосходящими свойства простых полупроводников, при изучении
этого раздела особое внимание следует уделить карбиду кремния как
материалу, применяемому при изготовлении резисторов и варисторов,
и используемому для тиритовых и силитовых разрядников, стабилизации напряжения, умножения частоты, расшифровки импульсов по амплитудам и т. п.
Большой практический интерес представляют силитовые стержни,
применяемые как нагревательные элементы в высокотемпературных
печах.
13
Тема 10. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Содержание
Общая характеристика магнитных материалов. Назначение и классификация магнитных материалов. Основные характеристики в статических полях. Статическая и реверсивная магнитные проницаемости.
Магнитные потери.
Магнитомягкие материалы. Характеристика петли гистерезиса.
Низкочастотные магнитомягкие материалы с высокой индукцией
насыщения: техническое, электролитическое и карбонильное железо,
электротехническая сталь, пермаллой, альсиферы.
Магнитные материалы специализированного назначения. Основные характеристики специальных ферромагнетиков. Основные свойства и применение ферритов. Основные свойства и применение ферритов с ППГ. Основные особенности и применение магнитодиэлектриков.
Магнитотвердые материалы. Характеристика петли гистерезиса.
Легированные стали, закаливаемые на мартенсит. Литые магнитотвердые сплавы. Магниты из порошков. Магнитотвердые ферриты.
Пластически деформируемые сплавы и магнитные ленты.
Методические указания
Общие сведения о магнитных материалах изложены в [1].
Следует обратить большое внимание на электротехническую
сталь, пермаллой, ферриты, магнитодиэлектрики и материалы специализированного назначения.
В [1] приведен материал о магнитотвердых материалах.
Особое внимание надо уделить сплавам «альни», «альниси», «альнико» и «магнико» (старые названия ) и ознакомиться с их новой маркировкой и свойствами. Сведения о магнитах из порошков магнитотвердых ферритов даны в [1].
14
Тема 11. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА
КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Содержание
Основные конструкционные материалы и их классификация. Физико-механические и химические свойства и характеристики материалов.
Зависимость свойств сталей от химического состава и содержания
примесей. Маркировка сталей.
Основные свойства цветных металлов и сплавов. Области их применения и маркировка основных сплавов.
Неметаллические материалы, используемые в машино- и приборостроении. Классификация материалов. Область применения неметаллических материалов.
Методические указания
Изучение раздела следует начинать с рассмотрения кристаллического строения металлов, обратив внимание на основные типы кристаллических решеток, их параметров.
Рассматривая кристаллизацию сплавов, необходимо уяснить, что
процесс кристаллизации начинается с образования центров кристаллизации и последующего роста кристаллитов. При этом возможны различные искажения кристаллических решеток, которые влияют на
свойства сплава.
Все металлы и сплавы характеризуются определенными физическими, химическими, механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами. Изучите методы определения прочности, пластичности, твердости и ударной вязкости. Особое внимание обратите
на технологические свойства конструкционных материалов: обрабатываемость, свариваемость, ковкость, литейные свойства, так как они
определяют технологические методы получения заготовок деталей
машин и их обработки.
Необходимо также изучить влияние примесей на свойства железоуглеродистых сплавов. Следует рассмотреть классификацию сталей по
химическому составу и усвоить их маркировку.
15
В заключение раздела ознакомьтесь с основными свойствами
цветных металлов и сплавов, областью их применения и маркировкой.
Материал данной темы изложен в [3].
ЗАДАНИЯ НА КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ
И ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
Электроизоляционные материалы
1. В чем заключается различие полярных (дипольных) и неполярных веществ? Приведите примеры тех и других.
Что называется дипольным моментом молекулы и в каких единицах он измеряется?
2. Что называется поляризацией диэлектрика? Как количественно
оценивается поляризация диэлектрика? Что называется диэлектрической проницаемостью, диэлектрической восприимчивостью, поляризуемостью частицы?
3. Укажите основные виды поляризации диэлектриков. Как классифицируются диэлектрики по виду поляризации?
4. Какова зависимость диэлектрической проницаемости жидких
диэлектриков от частоты для неполярной и полярной жидкостей?
5. Какова зависимость диэлектрической проницаемости различных
типов твердых диэлектриков от температуры и частоты?
6. Изложите особенности поляризации сегнетоэлектриков по сравнению с поляризацией обычных (линейных) диэлектриков.
7. Как определяется диэлектрическая проницаемость для смеси нескольких диэлектриков?
8. Укажите причины возникновения абсорбционного тока. Какова
его зависимость от частоты?
9. Определите методом графического дифференцирования значения температурного коэффициента (ТКε) диэлектрической проницаемости полистирола при температурах –60 оC и +60 оС, воспользовавшись приведенным на рис. 1 графиком зависимости диэлектрической
проницаемости полистирола от температуры.
10. Постройте график зависимости ТКε поливинилхлорида от температуры, воспользовавшись приведенным на рис. 2 графиком зависимости диэлектрической проницаемости от температуры.
11. Для получения пенопласта был использован полиуретан плотностью 1200 кг/м3, имеющий диэлектрическую проницаемость, рав16
ную 4. Определите  пенопласта, если полиуретан составляет 40 % его
массы.

2.70
ε
2.65
10
2.60
2.55
5
2.50
–60
–40 –20
+20 +40 +60 t, С
0
0
–40 –20
Рис. 1. Зависимость диэлектрической проницаемости полистирола от температуры
0 +20 +40 +60
+80 +100
t, C
Рис. 2. Зависимость диэлектрической проницаемости поливинилхлорида от температуры
12. Постройте график зависимости температурного коэффициента
диэлектрической проницаемости (ТКε) канифоли от температуры, воспользовавшись приведенным на рис. 3 графиком зависимости диэлектрической проницаемости канифоли от температуры.
ε
4
3
2
1
0
20
40
60
80
100
120 140
t,C
Рис. 3. Зависимость диэлектрической проницаемости
канифоли от температуры
17
13. Двухслойный диэлектрик работает под переменным напряжением 1 кВ. Слои имеют толщину 2 и 4 мм и соответственно состоят из
полистирола и поливинилхлорида. Определите напряжение на обоих
слоях и значения напряженности поля в них для любых двух случаев,
когда температура равна: 1) –20 и +50 оС; 2) –40 и +20 оС; 3) –60 и
+40 оС; 4) 0 и +60 оС. Значение диэлектрической проницаемости полистирола и поливинилхлорида при заданных температурах возьмите из
рис. 1 и рис. 2.
14. Двухслойный диэлектрик включен под переменное напряжение. Напряжение на первом слое составляет 6, на втором 12 кВ. Толщина слоев соответственно равна 1 и 4 мм. Определите диэлектрическую проницаемость первого слоя, если диэлектрическая проницаемость второго слоя равна: 1) 5; 2) 4; 3) 6; 4) 7; 5) 8.
15. Чем объясняется падение тока в твердом диэлектрике при
включении его под напряжение? С чем связаны быстрые и медленные
процессы этого падения в однородном диэлектрике?
16. Объясните зависимость удельной проводимости твердых диэлектриков от напряжения.
17. На две противоположные грани кубика из микалекса с ребром
20 мм нанесены слои металла, служащие электродами, через которые
кубик включается в электрическую цепь. Определите величину установившегося тока через кубик при постоянном напряжении 2 кВ, если
удельное объемное сопротивление микалекса 1011 Ом·м, а удельное
поверхностное сопротивление 5·1010 Ом.
18. Определите удельное объемное сопротивление диэлектрика
плоского конденсатора, если известно, что ток через конденсатор при
постоянном напряжении 10 кВ равен 5·10–7 А. Толщина диэлектрика
h мм; площадь обкладок с каждой стороны 25 см2 (поверхностной
утечкой пренебрегайте); h равно : 1) 0.2 мм; 2) 0.3 мм; 3) 0.4 мм.
19. Полый цилиндр из диэлектрика с наружным диаметром 50 мм,
внутренним диаметром 35 мм и высотой 125 мм зажат между металлическими электродами, к которым приложено напряжение 1500 В постоянного тока.
Определите ток, протекающий через цилиндр и потери мощности в
нем, если диэлектриком является: 1) полиэтилен; 2) полистирол; 3) поливинилхлорид; 4) эпоксидная смола; 5) фенолформальдегидная смола.
Значение удельного объемного сопротивления возьмите из [1],
табл. 6-3, с. 123. Величину удельного поверхностного сопротивления
примите в 10 раз меньше табличного значения V.
18
20. Как изменяется tg  неполярной и полярной жидкостей при изменениях температуры и частоты?
21. Дайте объяснение наличия двух максимумов в графике зависимости tg  от температуры для изоляционной бумаги, пропитанной
масляно-канифольным компаундом (рис. 4).
tg
0.01
0.005
–100
–50
0
+50 t,C
Рис. 4. Зависимость от температуры tg  бумаги,
пропитанной масляно-канифольным компаундом
22. Когда будут в изоляционном материале потери больше: при
постоянном или переменном токе и почему?
23. Диэлектрик плоского конденсатора имеет следующие характеристики: V = 1013 Ом·м; tg  = 0.001;  = 5. Размер обкладок конденсатора 5·5 см2, толщина диэлектрика 22 мм. Определите величину тока
утечки и рассеиваемую в диэлектрике конденсатора мощность при
постоянном напряжении 5 кВ.
24. Между плоскими электродами помещен двухслойный диэлектрик, один из слоев имеет относительную диэлектрическую проницаемость 1, проводимость 1 и толщину d1, а другой соответственно: 2, 2,
d2. Этот диэлектрик подключен на постоянное по времени напряжение
с величиной V = 1 кВ. Требуется определить величину напряженностей
в обоих слоях при времени t = 0 и t =  и построить график распределения потенциала между электродами. При решении задачи учесть, что
один электрод заземлен, а другой – изолирован. При решении пользуйтесь табл. 1.
25. Определите ток утечки и рассеиваемую в диэлектрике конденсатора мощность при постоянном напряжении 1 кВ, а также рассеиваемую в диэлектрике конденсатора мощность при переменном напря19
жении 1 кВ и частоте 1 кГц, если толщина диэлектрика 2 мм,
а размер обкладок конденсатора 2 ·3 см. Значение V и tg  возьмите
из [1] и [3]. Поверхностной утечкой пренебрегите.
Варианты: 1) диэлектрик слюда (мусковит);
2) диэлектрик слюда (флогопит);
3) диэлектрик рутил (окись титана).
26. На две противоположные грани кубика из полистирола с ребром 20 мм нанесены слои металла, служащие электродами. Определите
величину установившегося тока через кубик при постоянном напряжении 2 кВ, если удельное объемное сопротивление полистирола
1015 Ом·м, а удельное поверхностное сопротивление 4·1015 Ом.
27. Двухслойный диэлектрик включен под переменное напряжение. Напряжение на первом слое составляет 4 кВ, а на втором слое –
8 кВ. Толщина слоев 2 и 6 мм соответственно. Определите диэлектрическую проницаемость второго слоя, если диэлектрическая проницаемость первого слоя равна 7.
28. Между плоскими электродами помещен двухслойный диэлектрик, один из слоев имеет диэлектрическую проницаемость 1 и толщину d1, а другой 2 и d2. Определите величину напряженности поля на
каждом слое при переменном напряжении 10 кВ. Постройте график
распределения потенциала в конденсаторе. При решении пользуйтесь
табл. 1.
Таблица 1
Варианты
1
2
3
4
5
6
7
8
задачи
d1, см
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
d2, см
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
1
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
2.0
1
1, Ом–1·м– 0.5·10–6 1.0·10–6 1.5·10–6 2.5·10–6 3.0·10-6 3.5·10–6 3.5·10-6 3.5·10–6
1
2, Ом–1·м– 0.5·10–6 1.0·10–6 1.5·10–6 2.5·10–6 3.0·10–6 3.5·10-6 3.5·10–6 4.0·10–6
1
29. Между плоскими электродами помещен двухслойный
диэлектрик, один из слоев имеет проводимость 1 и толщину d1, а
другой 2 и d2. Определите величину напряженности поля на каждом
20
слое при постоянном напряжении 10 кВ спустя час после подачи
напряжения. Постройте график распределения потенциала в конденсаторе. В табл. 1 указаны толщина d1 и d2 и проводимость 1 и 2
соответственно вашему варианту.
30. Медный провод сечения 10 мм2 имеет поливинилхлоридную
изоляцию толщиной 1 мм, снабженную в целях экранировки медной
оплеткой.
Определите потери мощности в изоляции на 10 м провода при
температурах 50 и 20 С и частотах 50 и 400 Гц, если напряжение
между жилой и заземленной оплеткой равно 220 В. Диэлектрическую
проницаемость поливинилхлорида возьмите на рис. 2. Величину tg 
поливинилхлорида при 20 С примите равной 0.05, а при – 50 C
равной 0.1.
31. Какова зависимость электрической прочности газов от расстояния между электродами и от формы последних
32. Как влияют на величину пробивного напряжения длительность
приложения напряжения, температура и форма электрического поля
при электрическом и электротепловом характере пробоя
33. Имеются два плоских конденсатора рис. 5
а воздушный с расстоянием между электродами 4 мм
б двухслойный, в котором изоляция состоит из слоя воздуха
толщиной 3 мм и пластины толщиной 1 мм из твердого диэлектрика с
диэлектрической проницаемостью 5 и электрической прочностью
75 МВм. Постройте график распределения напряженности электрического поля в конденсаторе без твердого диэлектрика и с ним при
напряжении на обкладках 6 кВ эффективное значение.
1 мм
3 мм
4 мм
21
Рис. 5. Схема воздушных конденсаторов
34. Диэлектрик плоского конденсатора имеет слоистую структуру,
образованную последовательно соединенными пленками полистирола
и поливинилхлорида. Определите  смеси, если  полистирола 2.5, а 
поливинилхлорида равна 5. Объемное содержание поливинилхлорида
относится к объемному содержанию полистирола как 4  1.
35. Диэлектрик конденсатора представляет собой тесную смесь
двух керамических материалов Т-80 и ультрафарфора. Каково
должно быть соотношение составных частей, чтобы температурный
коэффициент диэлектрической проницаемости смеси был равен нулю
Чему равна диэлектрическая проницаемость такой смеси Примите для
материала Т-80   80 и ТК  7 · 10-4 град –1, для ультрафарфора
  8 и ТК  1 · 10–4 град –1.
Примечание. При решении этой задачи нужно пользоваться 1.
36. Постройте график зависимости диэлектрической проницаемости пористого политетрафторатилена от его объемного веса, имея в
виду, что для сплошного, не имеющего пор политетрафторатилена
диэлектрическая проницаемость равна 2.0, а плотность  2.3 гсм3.
37. Какие электроизоляционные материалы отличаются высокой
гигроскопичностью Какими способами можно уменьшить гигроскопичность
38. Опишите классы нагревостойкости электрической изоляции
по ныне действующему стандарту.
39. Какое практическое значение имеет теплопроводность электроизоляционных материалов В каких единицах измеряется удельная
теплопроводность 
40. Чем отличаются органические диэлектрики от неорганических
Назовите по 2-3 органических и неорганических диэлектрика и
укажите их основные характеристики, в частности, допустимую
рабочую температуру.
41. Укажите известные вам газы, обладающие повышенной по
сравнению с воздухом электрической прочностью, и их основные
особенности.
42. Что представляет собой трансформаторное масло Укажите его
основные особенности как электроизоляционного материала и как
охлаждающей среды.
22
43. Опишите свойства совола в сравнении со свойствами трансформаторного масла. Какова связь электроизоляционных свойств
совола с его химическим составом
44. Чем объясняется технико-экономическая целесообразность
максимального расширения производства и использования синтетических электроизоляционных полимеров
45. Укажите различие процессов полимеризации и поликонденсации.
46. Опишите свойства гетинакса, его технологию, укажите область
применения.
47. Укажите, какими преимуществами обладает стеклотекстолит в
сравнении с обычным текстолитом, и приведите данные, подтверждающие его преимущество.
48. Что представляет собой текстолит, какие материалы входят в
его состав, какими свойствами он обладает и какова его технология
49. Какие пропитывающие составы применяются при изготовлении лакотканей
50. Чем отличаются друг от друга термопластичные и термореактивные смолы Назовите несколько тех и других смол и кратко
опишите их свойства.
51. Укажите свойства и области применения в электротехнике
важнейших полиэфирных смол.
52. Опишите способности эпоксидных смол и укажите область их
применения.
53. Укажите основные виды кремнийорганических электроизоляционных материалов, их преимущества, недостатки и
возможности.
54. Охарактеризуйте фторорганические электроизоляционные
материалы фторопласт-4, фторопласт-3.
55. Опишите важнейшие природные смолы и возможности
испльзования их в электроизоляционной технике.
56. Какие масла являются высыхающими В чем состоит сущность
процесса высыхания растительных масел
57. В чем заключается отличие лаков от компаундов Для чего
применяются и те и другие в электроизоляционной технике
58. Какую лакоткань – черную или светлую – следует использовать при изготовлении изоляции маслонаполненного трансформатора
23
59. Опишите важнейшие виды лакотканей. К каким классам
нагревостойкости они относятся
60. Опишите важнейшие виды синтетических и искуственных
гибких пленок, укажите области их применения в электроизоляционной технике.
61. Дайте определение и классификацию электроизоляционных
пластических масс. Каковы основные составные части пластмасс В
чем заключаются особенности без наполнителя
В чем заключается сущность процесса вулканизации каучука Для
чего применяется вулканизация Что такое эскапон Каковы его
свойства
63. Как получается стекловолокно Опишите его свойства в сравнении со свойствами других известных вам волокнистых материалов
и укажите области применения.
64. Какие материалы называются керамическими Укажите
важнейшие типы и области применения керамических электроизоляционных матариалов.
65. Для чего и каким образом производится глазуровка фарфора
66. Где применяются слюда и изделия на ее основе Дайте классификацию слюды по свойствам и назначению.
67. Укажите особенности и области применения керамических
материалов с особо диэлектрической проницаемостью, в том числе
сегнетокерамических материалов.
68. Укажите основные виды миканитов (включая микалеты и микафолии), их свойства (обратите внимание на классы нагревостойкости) и области применения.
69. Какая изоляция называется оксидной и как она получается на
различных металлах и сплавах? Укажите возможности применения
оксидной изоляции в электро- и радиопромышленности.
70. Что такое пластические массы? Какие компоненты входят в их
состав? Дайте характеристику этих компонентов.
71. Опишите свойства и область применения неорганических диэлектрических пленок.
72. Что такое пресспорошки? Как получают из них изделия?
73. Укажите свойства пластмасс, получаемых на основе эпоксидных, полиэфирных и кремнийорганических смол.
74. Перечислите известные вам эластомеры, их особенности и
электрофизические свойства. Где они применяются?
24
Проводниковые материалы
75. Опишите характер электропроводности проводниковых материалов.
76. Что называется удельным сопротивлением  и температурным
коэффициентом удельного сопротивления К проводниковых материалов? В каких единицах они измеряются и какова их величина у
различных металлов и сплавов?
77. Опишите медные и алюминиевые сплавы, их назначение и основные свойства.
78. Опишите сталеалюминиевые провода и проводниковый биметалл, их свойства и области применения.
79. Дайте сравнение свойств меди и алюминия. Мотивируйте технико-экономическую необходимость замены меди алюминием.
80. Назовите марки сплава на основе системы железо-никель-хром,
укажите их физические и технические свойства.
81. Перечислите наиболее широко применяемые сплавы высокого
сопротивления с указанием  и Т. Укажите назначение этих сплавов
и допустимые рабочие температуры.
82. Какие сплавы высокого сопротивления применяются в измерительных приборах, реостатах, электронагревательных приборах и почему?
83. Укажите важнейшие материалы, применяемые для изготовления термопар. Как зависит термоЭДС от разности температур спаев
термопары?
84. Определите потери мощности в голом медном проводе длиной
100 м и сечением 16 мм2 при температурах провода –20 и +60 оС, если
величина тока в проводе равна 75 А. Данные ТК взять из [1].
85. Два отрезка медной и алюминиевой проволоки длиной по 1 м
имеют одинаковое электрическое сопротивление. Какой из отрезков
весит меньше и на сколько, если сечение медной проволоки равно
4 мм2?
86. Определите размеры (сечение, диаметр) алюминиево-медной
проволоки (алюминий внутри, медь снаружи), предназначенной для
замены медной проволоки контрольных кабелей сечением 10 мм2, обладающей той же проводимостью. Примите, что сечение меди составляет 20 % общего сечения алюминиево-медной проволоки. Данные об
алюминии и меди возьмите из учебника 1.
25
87. Сопротивление провода при температурах 2 и 100 ºС равно соответственно 6.1 и 9.0 Ом. Определите среднее значение температурного коэффициента сопротивления этого провода и укажите, какому
металлу оно соответствует. Чему равно сечение провода, если его длина 1000 м? Изменением размеров провода при изменении температуры
пренебрегите.
88. Мощность, потребляемая электронагревательным элементом
при напряжении 220 В, равна 500 Вт. Подсчитайте длину, требующуюся для изготовления этого элемента из нихромовой и константановой
проволок диаметром 0.2 мм. Нагревательный элемент из константана
работает при температуре 400 ºС, элемент из нихрома – при температуре 900 ºС. Данные о нихроме и константане возьмите из 1 и 3.
89. Определите температурный коэффициент удельного сопротивления технически чистого железа при температурах 400 и 900 ºС, воспользовавшись приведенным на рис. 6 графиком зависимости удельного сопротивления железа от температуры.
Полупроводниковые материалы
90. Каковы физические процессы, определяющие примерную проводимость в дырочных и электронных полупроводниках?
91. На какие свойства полупроводников влияет ширина запрещенной зоны?
92. Какова температурная зависимость проводимости полупроводников и чем она обусловлена?
93. Укажите основные характеристики кремния и его легирующие
элементы.
94. Укажите основные свойства и область применения германия.
95. Опишите основные свойства и применение закиси меди.
96. В чем состоят особенности монокристаллов карбида кремния?
97. Каково применение полупроводниковых соединений АIIВVI?
98. Как влияет температура на подвижность носителей заряда в
полупроводниках?
26

Ом  мм 2
м
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
–200
0
+200
+400
+600
+800 +1000
t, C
Рис. 6. График зависимости удельного сопротивления
технически чистого железа от температуры
99. Что такое фотосопротивления и фотоэлементы? Какими свойствами они обладают и где применяются?
100. Как и почему влияют внешние факторы (температура, свет,
радиоактивные излучения, напряженность электрического поля) на
удельное сопротивление полупроводников?
Магнитные материалы
101. Укажите условия возникновения спонтанной намагниченности и, как следствие, высокой магнитной восприимчивости.
102. Каковы факторы, воздействующие на процесс намагничивания?
103. В чем различие между горячекатаной и холоднокатаной сталями в области структуры, свойств и применения?
104. Укажите особенности высоконикелевого пермаллоя.
27
105. Какие технологические методы используются для получения
ферритов? Для чего необходим первичный и вторичный обжиг?
106. Какими процессами определяется электропроводность ферритов?
107. Что характеризует коэффициент квадратности феррита с
ППГ?
108. На рис. 7 дана кривая намагничивания железа. Постройте
кривую зависимости магнитной проницаемости от напряженности
магнитного поля, определите начальную и максимальную проницаемость.
Вс, Тл
1.2
1.0
0.8
0.4
kA
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5 H м
Рис. 7. Кривая намагничивания железа
109. Что такое ферромагнитная керамика? Ее свойства и область
применения.
110. Что представляют собой магнитодиэлектрики? Укажите их
основные свойства и назначение.
111. Какие сплавы имеют прямоугольную петлю гистерезиса? Каковы их состав и структура?
112. Назовите состав и свойства основных ферритов с ППГ. Какие
основные группы можно выделить среди этих ферритов?
113. Как классифицируются магнитотвердые материалы и каковы
их характеристики?
28
114. В чем преимущества и недостатки анизотропных нековких
сплавов по сравнению с изотропными? Основной состав, свойства и
область применения этих сплавов.
115. Чем объясняются повышенные магнитные свойства у сплавов
с кристаллической текстурой?
116. Каковы свойства и применение магнитов из порошков?
117. Что представляют собой магнитотвердые ферриты и каково
их отличие от магнитотвердых сплавов?
Конструкционные материалы
118. Перечислите основные признаки металлов и опишите их
внутреннее строение.
119. Изобразите наиболее распространенные типы кристаллических решеток.
120. Что такое сплав и что называется компонентом сплава?
121. В чем разница между сталью и чугуном: по химсоставу,
структуре и свойствам?
122. Легированные стали, свойства.
123. Перечислите сплавы меди. Укажите наименования, основной
химсостав, свойства и назначение отдельных марок.
124. Перечислите сплавы алюминия. Укажите наименования, основной химический состав, свойства и назначение отдельных их марок.
125. Перечислите металлокерамические твердые сплавы. Укажите
их группы, марки, физико-механические свойства и области применения.
126. В чем состоит сущность порошковой металлургии? Приведите состав, свойства и применение металлокерамических антифрикционных и фрикционных изделий, твердых сплавов.
127. Приведите данные о молибдене, вольфраме, ниобии, тантале и
хроме; изготовление изделий из них, свойства и применение.
128. Приведите примеры металлических покрытий и методы их
нанесения.
29
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Богородицкий, Н.П. Электротехнические материалы / Н.П. Богородицкий, В.В. Пасынков, Б.М. Тареев. – Л.: Энергоатомиздат, 1985. – 304 с.
2. Тареев, Б.М. Физика диэлектрических материалов. / Б.М. Тареев. – М.:
Энергоатомиздат, 1982. – 235 с.
3. Технология конструкционных материалов / А.М. Дальский, Т.М. Барсукова, Л.Н. Бухаркин и др.; под общ. ред. А.М. Дальского. – М.: Машиностроение, 2005. – 592 с.
4. Пасынков В.В. Материалы электронной техники / В.В. Пасынков, В.С.
Сорокин. – М.: Высш. шк., 1986. – 367 с.
5. Справочник по электротехническим материалам. В 3 т. / Под ред. Ю.В.
Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. – М.: Энергоатомиздат, 1986, 1987.
30
НОМЕРА ЗАДАЧ К КОНТРОЛЬНОМУ ЗАДАНИЮ
Вариант
послед- предпоняя
следняя
цифра
цифра
шифра шифра
Номера задач и вопросов
1
2
3
4
5
6
7
8
9
нечёт.
5
32
64
91
59
83
103
18(1)
128
чёт.
3
33
65
92
75
82
104
18(2)
77
нечёт.
9
25(1)
58
98
49
16
105
18(3)
76
чёт.
7
25(2)
57
103
48
12
106
19(1)
75
2
нечёт.
10
28
59
109
50
6
107
19(2)
74
чёт.
11
29(1)
60
110
51
5
108
19(3)
72
3
нечёт.
16
29(2)
111
58
79
9
109
19(4)
70
чёт.
14(1)
29(3)
112
57
76
8
110
19(5)
68
4
нечёт.
16
67
17
36
80
75
111
25(1)
66
чёт.
15
40
68
38
79
76
112
25(2)
67
5
нечёт.
17
43
69
33
82
9
113
25(3)
65
чёт.
18
42
75
21
83
2
114
25(1)
64
нечёт.
2
46
74
45
86
63
116
27
62
чёт.
1
47
71
46
84
64
117
28(2)
61
7
нечёт.
21
48
75
18
88
65
119
28(8)
59
чёт.
22
49
76
24
85
66
120
30
58
8
нечёт.
23
50
90
41
88
1
121
31
56
чёт.
24
51
93
43
87
2
124
32
48
нечёт.
2
54
38
47
90
61
103
33
49
чёт.
3
55
110
61
91
64
124
34
50
0
1
6
9
31
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.
ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Программа, методические указания
и контрольные задания
Редактор И.Л. Кескевич
Технический редактор Н.В. Гаврилова
Корректор И.Е. Семенова
Компьютерная верстка Г.И. Якименко
_____________________________________________________________________
Подписано в печать
.06.2007. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная
Тираж
экз. Уч.-изд. л.
. Печ. л.
. Изд. № 144
Заказ №
Цена договорная
_____________________________________________________________________
Отпечатано в типографии
Новосибирского государственного технического университета
630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
32