Document 4031055

Программа разработана на основании примерной учебной программы
данной дисциплины, составленной в соответствии с государственными
требованиями к минимуму содержания и уровня подготовки инженера по
специальностям 190402.65(АТС) и 190401.65(ЭНС) .
Составитель — канд. техн. наук, доц. Л.Г. РУЧКИНА
№
Курс — III
п/п
1
2
3
4
5
6
7
Всего, ч
Лекционные занятия, ч
Лабораторные занятия, ч
Контрольные работы (количество)
Самостоятельная работа
Зачет (количество)
Экзамен (количество)
108
8
8
1
77
1
1
1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
1.1. Целью преподавания дисциплины является изучение свойств и
характеристик электротехнических материалов, а также области их
применения, в частности, в электроизоляционных конструкциях,
электрооборудовании, радиоэлектронной аппаратуре и других устройствах,
используемых на железнодорожном транспорте. Дисциплина неразрывно
связана с курсами физики и теоретических основ электротехники.
1.2. Изучив дисциплину, студент должен:
1.2.1. Иметь представление о физико-химической природе
электротехнических материалов, определяющей их электрические и
магнитные свойства.
Знать классификацию электротехнических материалов по их
назначению, составу и свойствам.
1.2.2. Знать и уметь использовать основные характеристики
электротехнических материалов при выборе оборудования
железнодорожного транспорта.
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
2.1.
Введение
Краткий исторический обзор развития науки об электротехнических
материалах, ее значение в развитии железнодорожного транспорта России.
Основы материаловедения. Электротехнические материалы и
электроизоляционные конструкции.
2.2.
Общие сведения о строении вещества
Виды химической связи. Атомно-кристаллическое строение
материалов. Типы твердых тел, их свойства. Дефекты строения. Агрегатные
состояния вещества. Классификация материалов по электрическим и
магнитным свойствам: проводниковые, полупроводниковые,
сверхпроводниковые, магнитные материалы, диэлектрики.
2.3.
Диэлектрики
Основные виды поляризации диэлектриков. Диэлектрическая
проницаемость газов, жидких и твердых диэлектриков. Температурный
коэффициент диэлектрической проницаемости.
Токи смещения и электропроводность диэлектриков.
Электропроводность газов, жидкостей и твердых тел.
Виды диэлектрических потерь. Угол диэлектрических потерь.
Удельные потери. Диэлектрические потери в зависимости от агрегатного
состояния вещества.
Пробой диэлектриков. Механизм пробоя газов, жидких и твердых
диэлектриков. Тепловой и химический пробой твердых диэлектриков.
Физико-химические свойства диэлектриков: влажность материалов,
влагопроницаемость. Механические свойства диэлектриков: прочность при
растяжении, сжатии, изгибе; хрупкость, вязкость. Тепловые свойства
диэлектриков: нагревостойкость, холодостойкость, теплопроводность, тепловое расширение.
Классификация диэлектриков: электроизоляционные и конденсаторные
материалы (пассивные диэлектрики) и материалы с управляемыми
свойствами (активные диэлектрики), свойства и области применения.
2.4. Проводниковые материалы
Классификация проводниковых материалов по составу, свойствам и
техническому назначению.
Материалы высокой проводимости, их характеристики и области
применение. Сверхпроводящие металлы и сплавы, их применения. Сплавы
высокого сопротивления, их основные параметры. Припои, неметаллические
проводящие материалы.
2.5. Полупроводниковые материалы
Собственные и примесные полупроводники. Основные и неосновные
носители заряда влияние внешних факторов на свойства полупроводников.
Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках.
Классификация полупроводниковых материалов. Физико-химические и
электрические свойства германия, кремния, технология их получения,
области применения. Полупроводниковые химические соединения и твердые
растворы, области их применения.
2.6. Магнитные материалы
Классификация материалов по магнитным свойствам: диамагнетики,
парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики. Основные
характеристики, области применения.
Доменное строение ферромагнетиков. Процессы при намагничивании
ферромагнетиков. Влияние температуры на магнитные свойства
ферромагнетиков. Поведение ферромагнетиков в переменных магнитных
полях. Особенности строения и свойства ферромагнетиков.
Магнитомягкие материалы, виды, свойства и области применения.
Магнитные материалы специализированного назначения.
Магнитотвердые материалы, классификация, свойства и области
применения.
3.
ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛЕКЦИОННЫХ ЗАНЯТИЙ
Примерный объем в часах
№
Наименование темы
п/п
1 Виды химической связи. Атомнокристаллическое строение
материалов. Виды и свойства
электротехнических материалов
2 Диэлектрики. Виды поляризации.
Электропроводность диэлектриков.
Виды диэлектрических потерь в
электроизоляционных материалах
3 Проводниковые материалы, их
классификация. Металлы
4 Полупроводниковые материалы, их
классификация, свойства. Влияние
внешних факторов на свойства
полупроводников
5 Магнитные материалы, их
классификация, области
применения
Количество
часов
1
2
2
2
1
ТЕМЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПРОРАБОТКИ
№ п/п
1
2
3
4
5
Наименование темы
Введение
Дефекты строения твердых тел. Агрегатные состояния
вещества
Пробой диэлектриков. Физико-химические,
механические и тепловые свойства диэлектриков,
классификация диэлектриков
Материалы высокой проводимости. Сверхпроводящие
материалы, сплавы высокого сопротивления, припои,
неметаллические проводящие материалы
Оптические и фотоэлектрические явления в
полупроводниках. Полупроводниковые химические
соединения и твердые растворы, области их
применения
Количество
часов
2
10
20
15
15
6
Свойства ферромагнетиков, ферримагнетиков.
Магнитомягкие и магнитотвердые материалы.
Магнитные материалы специализированного
назначения
4.
№ п/п
1
2
3
4
5
6
7
15
ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Название и краткое содержание темы
Исследование проводниковых материалов.
Определение зависимости удельного сопротивления от
температуры
Исследование полупроводниковых материалов. Снятие
вольтамперной характеристики силового кремниевого
диода
Исследование свойств слоистых пластиков.
Определение зависимости диэлектрической
проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь
от температуры
Исследование ферромагнетиков. Построение петли
гистерезиса
Измерение диэлектрической проницаемости твердых
диэлектриков
Измерение удельного электрического сопротивления
проводников
Экспериментальное определение материала
полупроводниковых диодов по высоте потенциального
барьера
Количество
часов
2
2
2
2
2
2
2
5. ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ДИСЦИПЛИНЫ
5.1. Основная
1. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники:
Учебник для вузов — СПб.: Издательство "Лань", 2009.
2. Серебряков А.С. Электротехническое материаловедение.
Электроизоляционные материалы. Учебн. пособие для вузов ж.-д.
транспорта. — М.; Маршрут, 2006.
3. Серебряков А.С. Электротехническое материаловедение.
Проводниковые, полупроводниковые и магнитные материалы. Учебн.
пособие для вузов ж.-д. транспорта. — М.; Маршрут, 2008.
5.2. Дополнительная
3. Серебряков А.С. Материаловедение. Электроизоляционные
материалы. Учебн. пос. — М.; РГОТУПС, 2003.
2. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М.
Электротехнические материалы: Учебник для вузов. — Л.: Энергоатомиздат, 1985.
3. Справочник по электротехническим материалам: в 3-х томах / Под
ред. Корицкого Ю.В. и др. – М.: Энергоатомиздат. Т.1 — 1986. Т.2 — 1987.
Т.3 — 1988.
6. КРАТКИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К
САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЕ
1. При изучении разделов курса рекомендуется вести конспект,
в котором необходимо указать основные положения изучаемого материала.
2. К задачам контрольной работы следует приступать после
изучения и усвоения соответствующих разделов учебного материала.
Контрольная работа выполняется в соответствии с установленными
требованиями.
3. При возникновении затруднений при изучении материала и решении
задач контрольной работы следует обратиться за консультацией к
преподавателю.
Методические указания для преподавателей
по изучению дисциплины «Материаловедение»
(Электротехническое материаловедение)
для специальностей АТС и ЭНС
При изучении диэлектриков следует рассмотреть зависимость срока
службы
и
процесса
старения
изоляции
электрических
машин,
трансформаторов и конденсаторов от максимальной рабочей температуры
(правило Монтзингера).
При изучении проводниковых материалов рассмотреть применение
явление
сверхпроводимости
для
создания
индуктивных
накопителей
электрической энергии и сверхпроводящих кабелей (СПК), что позволит
снизить потери в контактной сети и увеличить расстояние между
подстанциями в системе тягового электроснабжения постоянного тока.
Применение керамических высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП)
в электрических машинах.
Применение криопроводников для создания
магнитной подушки в поездах скоростных железных дорог.
При
изучении
полупроводниковых
материалов
рассмотреть
применение высоконелинейных оксидно-цинковых резисторов (ОЦР) для
создания нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН).
При изучении ферромагнитных материалов рассмотреть применение
магнито-мягких
материалов
для
магнитопорошковой
дефектоскопии
колесных пар и магнитотвердых материалов – для магнитопорошковой и
феррозондовой дефектоскопии деталей сложной формы.
Рассмотреть одновременное намагничивание ферромагнетика токами
разных частот и использование этого явления в трансформаторах,
регулируемых
подмагничиванием
трансформаторах.
шунта
(ТРПШЩ)
и
в
дроссель-
Методические указания для студентов по дисциплине «Материаловедение»
При изучении курса студенты знакомятся с разделами: диэлектрики, проводники,
полупроводники и магнитные материалы. Изучение теоретической части разделов
сопровождается решением задач. Приведен пример решения задачи по разделу:
диэлектрики.
К диэлектрику прямоугольной формы размерами a и b и высотой h приложено
постоянное напряжение U=1000 В. Напряжение подводится к противоположным граням
a и b, покрытым слоями металла. Известны размеры диэлектрика: а=200 мм, b=100 мм, h
= 2 мм, Удельное объёмное сопротивление   2  1010 Ом  м и удельное поверхностное
сопротивление  s  8  1010 Ом .
Требуется определить ток утечки, мощность потерь и удельные диэлектрические
потери.
Решение. Ток утечки протекает как через объём диэлектрика, так и по
поверхностям четырёх боковых граней (через две грани a и через две грани b). Поэтому
сопротивление между электродами определяется параллельным соединением объёмного и
поверхностного сопротивлений. Объёмное сопротивление равно:
h
2  10 3
RV  
 2  1010
 2  10 9 Ом  2 ГОм
a b
0,2  0,1
Поверхностное сопротивлении равно:
h
2  10 3
10
RS   S
 8  10
 0,267  10 9 Ом  0,267 ГОм
2(a  b)
2(0,2  0,1)
Полное сопротивление изоляции равно:
RV  RS
2  10 9  0,267  10 9
Rиз 

 0,235  10 9 Ом  0,235 ГОм
9
9
RV  RS 2  10  0,267  10
Ток утечки: | I у 
U
1000

 4,25  10 6 A  4,25 мкА
9
Rиз 0,235  10
Мощность потерь: P  U  I у  1000  4,25  10 6  4,25  10 3 Вт  4,25 мВт
Удельные диэлектрические потери:
P
P
4,25  10 3
Вт
P  

 106 3
V a  b  h 0,2  0,1  0,002
м