Электрические характеристики электротехнических материалов

Электрические характеристики электротехнических материалов

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

ИВТС им. И.П. Грязева

Лабораторная работа №1

По дисциплине: Конструкционные и электротехнические материалы

«Основные характеристики электротехнических материалов»

Направление подготовки 140400Электроэнергетика и электротехника

Квалификация выпускника: бакалавр

Форма образования: очная

Студент гр. 121221с

Ардашин Тимур Александрович

Меркулов Николай Михайлович

Механические характеристики

К механическим свойствам можно отнести: упругость, прочность, вязкость, прочность на разрыв, сжатие и изгиб и др. Они характеризуют способность диэлектрика выдерживать внешние статические и динамические нагрузки без недопустимых изменений первоначальных размеров и формы.

Способность диэлектрика выдерживать статические нагрузки характеризуются разрушающим напряжением при растяжении, сжатии или изгибе, пределом текучести, относительным удлинением при разрыве, относительной деформацией при сжатии и др. характеристиками. Перечисленные параметры определяются стандартизированными методами.

Для электроизоляционных материалов анизотропного строения (слоистых, волокнистых) значения мех. прочности сильно зависят от направления приложения нагрузки. Так же надо отметить, что для ряда диэлектриков (стекол, керамических материалов, многих пластмасс) предел прочности при сжатии значительно больше чем при разрыве и изгибе (у металлов величины sр, sс,sи имеют один и тот же порядок). Пример: у кварцевого стекла sс 200 МПа, sр 50 МПа.

Механическая прочность электроизоляционных материалов сильно зависит от температуры, как правило, уменьшаясь с её ростом. Прочность гигроскопичных материалов может зависеть от влажности.

Определение предела прочности и деформации при разрушении даёт представление о механической прочности материала и его способности деформироваться под нагрузкой (пластичность).

Большое практическое значение имеют хрупкость, твердость, вязкость электроизоляционных материалов.

К основным механическим характеристикам материалов относятся:

— разрушающее напряжение при растяжении sр, Н/м 2 ,

где Рр — разрушающее усилие при растяжении образца материала, Н; So — площадь поперечного сечения образца до испытания, м 2 ;

— разрушающее напряжение при сжатии sc,Н/м 2 ,

где Рс — разрушающее усилие при сжатии образца материала, Н;

— разрушающее напряжение при статическом изгибе sн, Н/м 2 ,

где Рн — разрушающее усилие при статическом изгибе, Н; L — расстояние между опорами в испытательной машине, м; b, h — соответственно ширина и толщина образца, м;

— ударная вязкость a, Дж/м 2 ,

где DА — работа, совершенная маятником при разрушении образца.

Электрические характеристики

К основным электрическим характеристикам материалов относятся:

— удельное электрическое сопротивление, Ом • м или Ом • мм 2 /м,

(5)

общее электрическое сопротивление образца материала, Ом; S — площадь образца материала, через который проходит ток проводимости, м 2 или мм 2 , L — длина пути тока в образце, м;

— температурный коэффициент удельного электрического сопротивления, 1/°С,

(6)

где p1, p2 — удельные электрические сопротивления материала, Ом • м, соответственно при температурах t1 (начальной) и t2, °C;

— диэлектрическая проницаемость e, определяющая способность диэлектрика образовывать электрическую емкость, Ф,

(7)

где eо — электрическая постоянная, равная 8,85419-10-12 Ф/м; SK — площадь одной металлической обкладки конденсатора, м 2 , h — толщина диэлектрика, м;

— тангенс угла диэлектрических потерь tgδ, определяющий потери энергии в диэлектрике;

— электрическая прочность, МВ/м,

(8)

где Uпр — напряжение, при котором наступает пробой диэлектрика MB; hпр — толщина диэлектрика в месте пробоя, м.

Ответы на вопросы к разделу механические характеристики

1.1. Определите разрушающее напряжение при растяжении опытного образца с площадью поперечного сечения до испытания 10 см 2 , если разрушающее усилие при растяжении образца материала составляет 200 Н.

разрушающее напряжение при растяжении sр, Н/м 2 ,

где Рр — разрушающее усилие при растяжении образца материала, Н; So — площадь поперечного сечения образца до испытания, м 2 ;

2000Н/

1.2. Определите площадь поперечного сечения образца до испытания, если известно, что разрушающее усилие при растяжении опытного образца равно 200 Н, а разрушающее напряжение при растяжении этого образца составляет 3 000 Н/м 2 .

Читайте также:  Проектные организации по газу

0.06

1.3. Определите разрушающее напряжение при сжатии опытного образца цилиндрической формы высотой 15 мм и диаметром 10 мм, если разрушающее усилие при сжатии составляет 200 Н.

разрушающее напряжение при сжатии sc, Н/м 2 ,

где Рс — разрушающее усилие при сжатии образца материала, Н;

1.4. Определите разрушающее усилие при сжатии опытного образца цилиндрической формы высотой 20 мм, диаметром 10 мм, если разрушающее напряжение при сжатии материала образца составляет 2 000 Н/м 2 .

разрушающее напряжение при сжатии sc, Н/м 2 ,

где Рс — разрушающее усилие при сжатии образца материала, Н;

1.5. Определите разрушающее напряжение материала при статическом изгибе опытного образца шириной 5 мм, толщиной 4 мм, если расстояние между стальными опорами в испытательной машине равно 50 см, а изгибающее усилие составляет 200 Н.

— разрушающее напряжение при статическом изгибе sн, Н/м 2 ,

где Рн — разрушающее усилие при статическом изгибе, Н; L — расстояние между опорами в испытательной машине, м; b, h — соответственно ширина и толщина образца, м;

75* Н/м 2

1.6. Определите ударную вязкость испытуемого материала, если работа, затраченная маятником на разрушение образца, составляет 120 Дж, а площадь образца равна 20 см 2 .

— разрушающее напряжение при статическом изгибе sн, Н/м 2 ,

1.7. Как ударная вязкость испытуемого материала зависит от хрупкости этого материала?

— ударная вязкость a, Дж/м 2 ,

где DА — работа, совершенная маятником при разрушении образца.

Чем меньше вязкость материала, тем он более хрупкий и тем меньше работу совершает маятник при его разрушении.

1.8. Образцы какой формы используются для определения разрушающего напряжения при растяжении?

1.9. Образцы какой формы используются для определения разрушающего напряжения при сжатии?

Цилиндрической или кубической

1.10. Образцы какой формы используются для определения разрушающего напряжения при статическом изгибе?

Ответы на вопросы к разделу электрические характеристики

1.12. Чтобы оценить степень электропроводности того или иного материала, приходится определять:

A. Удельную электрическую проводимость;

B. Удельное электрическое сопротивление;

C. Электрическую прочность;

D. Все перечисленные характеристики.

1.13. У проводниковых и полупроводниковых материалов измеряют:
А. Удельное объемное сопротивление;

B. Удельное поверхностное сопротивление;

C. Общее удельное сопротивление;

D. Все перечисленные характеристики.

1.14. Удельное сопротивление электротехнических материалов зависит:

A. От площади образца материала;

B. От длины образца материала;

C. От температуры материала;

D. От характеристик, не перечисленных в предыдущих ответах.

1.15. Электрическая характеристика, позволяющая определить способность диэлектрика образовывать электрическую емкость:

A. Полярная ионизация;

B. Электронная поляризация;

C. Диэлектрическая проницаемость;

D. Тангенс угла диэлектрических потерь.

1.16. Увеличение тангенса угла диэлектрических потерь неполярного диэлектрика обусловлено:

A. Возрастанием тока проводимости диэлектрика;

B. Уменьшением тока проводимости диэлектрика;

C. Причиной, не перечисленной в предыдущих ответах.

1.17. У полупроводников и диэлектриков с повышением температуры сопротивление:

C. Не изменяется.

1.18. Диэлектрическая проницаемость е позволяет определить:

A. Поляризацию диэлектрика;

B. Способность диэлектрика образовывать электрическую емкость;

C. Обе перечисленные характеристики.

1.19. Диэлектрическая проницаемость электроизоляционных материалов зависит:

A. От вида поляризации диэлектрика;

B. От емкости конденсатора;

C. От интенсивности процессов поляризации, протекающих в диэлектриках под действием приложенного напряжения;

D. От характеристик, не перечисленных в предыдущих ответах.

1.20. Диэлектрическая проницаемость электроизоляционных материалов изменяется в зависимости от следующего параметра:

B. Частота приложенного напряжения;

C. Оба перечисленных параметра.

1.21. Диэлектрическая проницаемость у сегнетоэлектриков достигает:
A. 3. 8; B. 8. 20; C. 1500. 4 500.

1.22. Диэлектрическая проницаемость у полярных диэлектриков достигает:

A. 3. 8; B. 8. 20; C. 1500. 4500.

1.23. Потери энергии в диэлектрике называются:

A. Электрические потери; B. Диэлектрические потери;

C. Электронные потери; D. Активные потери.

1.24. Активную мощность, Вт, теряемую в диэлектрике, работающем под переменным напряжением, рассчитывают по формуле:

Читайте также:  Надежный компрессор для автомобиля

1.25. Увеличение тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ) неполярного диэлектрика, а следовательно, и потерь энергии в нем обусловлено:

A. Возрастанием тока проводимости в диэлектрике;

B. Потерями энергии, затрачиваемой на поворот все большего числа
полярных молекул;

C. Напряжением, прикладываемым к диэлектрику;

D. Частотой переменного тока.

1.26. Длину и диаметр проводника увеличили в 2 раза. Как изменилась его проводимость? уменьшилась в 4 раза

1.27. Во сколько раз увеличится сопротивление линии, если медный провод заменить стальным такой же длины и такого же поперечного сечения? в 8.2 раза

1.28. Зависит ли сопротивление катушки, изготовленной из медного провода, от величины приложенного к ней напряжения? не зависит

1.29. Медный и стальной провода имеют одинаковые диаметр и длину. Какой из проводов сильнее нагревается при одной и той же силе тока? сталь, т.к сопротивление больше

1.30. При температуре 0 °С сопротивление медного провода равно 1,2 Ом. Каким будет сопротивление этого провода при температуре 100 0 С?

1.31. Перечислите четыре основных вида поляризации диэлектриков.

электронная, ионная, спонтанная

1.32. Дайте определение различным видам поляризации диэлектриков.

Электронная поляризация – это смещение электронных оболочек атомов под действием внешнего электрического поля. Самая быстрая поляризация (до 10 -15 с). Не связана с потерями.

Ионная поляризация – это смещение узлов кристаллической структуры под действием внешнего электрического поля, причем смещение на величину, меньшую, чем величина постоянной решетки. Время протекания 10 -13 с, без потерь.

Спонтанная поляризация – благодаря этому типу поляризации у диэлектриков, у которых он наблюдается, поляризация проявляет существенно нелинейные свойства даже при малых значениях внешнего поля, наблюдается явление гистерезиса. Такие диэлектрики (сегнетоэлектрики) отличаются очень высокими значениями диэлектрической проницаемости (от 900 до 7500 у некоторых видов конденсаторной керамики). Введение спонтанной поляризации, как правило, увеличивает тангенс угла потерь материала (до 10 -2 )

1.33. Определите, какая из зависимостей на рис. 1.1 (1 или 2) соответствует полярному диэлектрику, а какая — неполярному.

Рис. 1.1 — Зависимости диэлектрической проницаемости полярного и неполярного диэлектриков от температуры

1. полярный 2.неполярный

1.34. Определите, какая из зависимостей на рис. 1.2 (1 или 2) соответствует полярному диэлектрику, а какая — неполярному.

Рис. 1.2 — Зависимости тангенса угла диэлектрических потерь полярного и неполярного диэлектриков от температуры

1. полярный 2. неполярный

1.35. Определите электрическую прочность диэлектрика, если его толщина в месте пробоя составляет 10 см, а пробивное напряжение, при котором наступает пробой, равно 500 кВ. 50000кВт

1.36. Определите пробивное напряжение, при котором наступает пробой диэлектрической пластины толщиной 5 мм, имеющей электрическую прочность Епр = 3 000 кВ/м. 6* В

Электрические характеристики позволяют оценить свойства материалов при воздействии на него электрического поля. Основное свойство электротехнических материалов по отношению к электрическому полю – электропроводность.

Электропроводность – это свойство материала проводить электрический ток под действием постоянного (не изменяющегося во времени) электрического напряжения.

Удельное электрическое сопротивление – это сопротивление материала длинной 1 м и поперечным сечением 1 м 2 .

где γ – удельная проводимость материала, это проводимость материала длинной 1м и поперечным сечением 1м 2 , 1/Ом∙м;

q – величина заряда носителя (заряд электрона 1,6·10 -19 ), Кл;

n – количество носителей заряда в единице объёма;

µ – подвижность носителя заряда.

Чем больше значение ρ, тем меньше электропроводность материала.

Проводники ρ=10 -8 ÷10 -6 .

Полупроводники ρ=10 -6 ÷10 8 .

Диэлектрики ρ=10 8 ÷10 18 .

Сопротивление проводника – это конструктивная характеристика проводника, т.к. зависит от размеров и проводниковых свойств материала.

где ρ – удельное сопротивление материала, Ом∙м;

l – длина проводника, м;

S – площадь поперечного сечения проводника, м 2 .

Читайте также:  Надувные матрасы intex отзывы

Температурный коэффициент удельного сопротивления – показывает, на сколько изменится сопротивление материала в 1 Ом при нагревании его на 1 0 С.

При линейном изменении удельного сопротивления в узком интервале температур

где ρ – удельное сопротивление материала при температуре ;

ρ – удельное сопротивление материала при начальной

температуре t, обычно принимается 20 0 С.

Если заменить удельное сопротивление на сопротивление

Чем больше значение α, тем в большей степени изменяется сопротивление проводника при изменении температуры.

Проводники α>0 с увеличением температуры удельное сопротивление материала увеличивается.

Полупроводники и диэлектрики α -12 Ф/м.

Чем больше значение ε, тем сильнее поляризуется диэлектрик.

Газообразные диэлектрики в основном ε≥1.

Жидкие и твёрдые диэлектрики ε>>1.

Тангенс угла диэлектрических потерь.

При воздействии электрического поля на любое вещество часть электрической энергии превращается в тепловую и рассеивается. Рассеянная часть электрической энергии диэлектриком называется диэлектрическими потерями. Причём потери энергии на переменном напряжении будут во много раз больше потерь на постоянном напряжении.

При постоянном напряжении потери числено равны активной мощности

где U – напряжение, приложенное к диэлектрику, В;

I – ток проводимости через диэлектрик, А.

При переменном напряжении

где U – переменное напряжение, приложенное к диэлектрику, В;

f – частота тока, Гц;

С – ёмкость диэлектрика, Ф.

δ – угол диэлектрических потерь, дополняющий до 90 0 угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкостной цепи.

Чем больше значение tgδ, тем больше потери в диэлектрике и тем больше нагрев диэлектрика в электрическом поле заданной частоты и напряжения.

Жидкие и твёрдые диэлектрики: высшего класса tgδ=(2÷6)∙10 -4 ,

Напряжённость пробоя (электрическая прочность) – это напряжённость, однородного электрического поля при которой происходит пробой диэлектрика (становится проводником).

где Uпр – пробивное напряжение, при котором происходит пробой, МВ;

d – толщина диэлектрика в месте пробоя, м.

Чем больше значение Епр, тем лучше электроизоляционные свойства.

При выборе изоляции необходимо учитывать напряжение, на которое диэлектрик включается и должен обеспечиваться запас прочности (коэффициент прочности)

3. Электрические характеристики

Удельное электрическое сопротивление (р).

Любой электротехнический материал — проводник, полупроводник и даже диэлектрик проводит электрический ток. Для того чтобы определить степень электропроводности того или иного материала надо определить его удельное электрическое сопротивление р (Ом *м) рассчитывается по формуле:

R − общее электрическое сопротивление образца материала Ом.

L − длина пути тока в образце материала м.

S − площадь образца материала, через которую протекают токи проводимости м 2

Удельные сопротивления металлических проводников очень малы. Это указывает на большую электрическую проводимость проводниковых материалов.

Большие удельные сопротивления диэлектриков указывает на их весьма малую электрическую проводимость. У диэлектриков надо учитывать два удельных сопротивления: Удельное объёмное сопротивление ри и удельное поверхностное сопротивление ps.

��u позволяет оценить электрическое сопротивление диэлектрика при прохождении тока через его объём, a ps − электрическое сопротивление при протекании тока по его поверхности. Численное значение рu всегда больше ps В проводниковых и полупроводниковых материалах измеряют общее р, т.к. в них нельзя рассчитать токи ри и ps. Это объясняется повышенной электрической проводимостью данных материалов.

Для газообразных и жидких диэлектриков поверхностное сопротивление не рассчитывается.

Электропроводность диэлектриков зависит не только от агрегатного состояния вещества, но и от содержания примесей, от температуры, влажностных характеристик материала, состояния поверхности и других характеристик.

1- проводник;2- полупроводник; 3- диэлектрик

Температурный коэффициент удельного сопротивления ТКР

С увеличением температуры объёмное сопротивление уменьшается, т.е. ТКр для диэлектриков имеет отрицательное значение.

ТКр. − позволяет оценить изменение удельного электрического сопротивления материалов при изменении его t. При линейном изменении удельного сопротивления (в узком интервале t) значение рассчитывается по формуле:

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector