Контрольная работа по "Материаловедению"

1. Как классифицируются и где  используются листовые электротехнические  стали?

Электротехническую тонколистовую  сталь разделяют:

а) по структурному состоянию и  виду прокатки на классы: 1 - горячекатаная  изотропная; 2 - холоднокатаная изотропная; 3 - холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой;

б) по содержанию кремния: 0 - до 0,4 %; 1 - св. 0,4 до 0,8 %-, 2 - св. 0,8 до 1,8 %; 3 - св. 1,8 до 2,8 %; 4 - св. 2,8 до 3,8 %; 5 - св. 3,8 до 4,8 %, химический состав стали не нормируется;

в) по основной нормируемой характеристике на группы: 0 - удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц (P1,7/50); 1 - удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц (P1,5/50); 2 - удельные потери при магнитной индукции 1,0 Тл и частоте 400 Гц (P1,0/400); 6 - магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряженности поля 0,4 А/м (В 0, 4); 7 - магнитная индукция в средних магнитных полях при напряженности поля 10 А/м (В10).

Значительные  темпы создания мощностей по выпуску  листовой стали с покрытиями цинком, хромом, оловом, свинцом, алюминием, пластиками связаны с использованием холоднокатаной стали. Холоднокатаная сталь для изготовления трансформаторов и электромашин в виде листового и ленточного проката характеризуется высокими магнитными свойствами и обеспечивает значительное повышение экономичности и создание новых типов энергетического оборудования и машин.

Применение в качестве конструкционного и обшивочного материала холоднокатаной нержавеющей стали является определяющим в технических характеристиках различных видов ответственных машин и конструкций. Холоднокатаный ленточный прокат с заданными физико-механическими свойствами является основным видом продукции в производстве прецизионных сплавов, широко применяемым в приборостроении и т.д.

2. Перечислите основные электрические  характеристики диэлектриков и  поясните, какие физические процессы  в диэлектрике они отражают.

Электроизоляционными  материалами, или диэлектриками, называют такие материалы, с помощью которых  осуществляют изоляцию, т. е. препятствуют утечке электрического тока между какими-либо токопроводящими частями, находящимися под разными электрическими потенциалами. Диэлектрики имеют очень большое электрическое сопротивление. По химическому составу диэлектрики делят на органические и неорганические. Основным элементов в молекулах всех органических диэлектриков является углерод. В неорганических диэлектриках углерода нет. Наибольшей нагревостойкостью обладают неорганические диэлектрики (слюда, керамика и др.).

По способу получения различают естественные (природные) и синтетические диэлектрики. Синтетические диэлектрики могут быть созданы с заданным комплексом электрических и физико-химических свойств, поэтому они широко применяются в электротехнике.

По строению молекул  диэлектрики делят на неполярные (нейтральные) и полярные. Нейтральные диэлектрики состоят из электрически нейтральных атомов и молекул, которые до воздействия на них электрического поля не обладают электрическими свойствами. Нейтральными диэлектриками являются: полиэтилен, фторопласт-4 и др. Среди нейтральных выделяют ионные кристаллические диэлектрики (слюда, кварц и др.), в которых каждая пара ионов составляет электрически нейтральную частицу. Ионы располагаются в узлах кристаллической решетки. Каждый ион находится в колебательном тепловом движении около центра равновесия — узла кристаллической решетки. Полярные, или дипольные, диэлектрики состоят из полярных молекул-диполей. Последние вследствие асимметрии своего строения обладают начальным электрическим моментом еще до воздействия на них силы электрического поля. К полярным диэлектрикам относятся бакелит, поливинилхлорид и др. По сравнению с нейтральными диэлектриками полярные имеют более высокие значения диэлектрической проницаемости, а также немного повышенную проводимость.

По агрегатному состоянию  диэлектрики бывают газообразными, жидкими и твердыми. Самой большой  является группа твердых диэлектриков. Электрические свойства электроизоляционных  материалов оценивают с помощью  величин, называемых электрическими характеристиками. К ним относятся: удельное объемное сопротивление, удельное поверхностное сопротивление, диэлектрическая проницаемость, температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, тангенс угла диэлектрических потерь и электрическая прочность материала.

Удельное объемное сопротивление  — величина, дающая возможность  оценить электрическое сопротивление  материала при протекании через  него постоянного тока. Величина, обратная удельному объемному сопротивлению, называется удельной объемной проводимостью. Удельное поверхностное сопротивление — величина, позволяющая оценить электрическое сопротивление материала при протекании постоянного тока по его поверхности между электродами. Величина, обратная удельному поверхностному сопротивлению, называется удельной поверхностной проводимостью.

Температурный коэффициент  удельного электрического сопротивления  — величина, определяющая изменение  удельного сопротивления материала  с изменением его температуры. С  повышением температуры у всех диэлектриков электрическое сопротивление уменьшается, следовательно, их температурный коэффициент удельного сопротивления имеет отрицательный знак. Диэлектрическая проницаемость — величина, позволяющая оценить способность материала создавать электрическую емкость. Относительная диэлектрическая проницаемость входит в величину абсолютной диэлектрической проницаемости. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости — величина, дающая возможность оценить характер изменения диэлектрической проницаемости, а следовательно, и емкости изоляции с изменением температуры. Тангенс угла диэлектрических потерь — величина, определяющая потери мощности в диэлектрике, работающем при переменном напряжении.

Электрическая прочность — величина, позволяющая оценить способность  диэлектрика противостоять разрушению его электрическим напряжением. Механическая прочность электроизоляционных и других материалов оценивается при помощи следующих характеристик: предел прочности материала при растяжении, относительное удлинение при растяжении, предел прочности материала при сжатии, предел прочности материала при статическом изгибе, удельная ударная вязкость, сопротивление раскалыванию.

3. Расскажите о свойствах резин  и использовании их в электротехнике.

Каучук (резина) получается из сока растений каучуконосов. Такой каучук называют натуральным (НК). Каучук можно получить также искусственным путем. Искусственный или синтетический каучук (СК) изготовляют из спирта или нефтепродуктов. Нагретый до 50° каучук размягчается и становится липким, а при низкой температуре — хрупким. Каучук хорошо растворяется в углеводородах и сероуглероде. Для увеличения механической прочности, нагревостойкости и морозоустойчивости, стойкости к растворителям к каучуку добавляют           3 - 10% серы. Этот процесс называется вулканизацией, в результате чего получается резина.

В электротехнике резину применяют  для изоляции установочных и монтажных  проводов и кабелей некоторых  конструкций, для изолирующих трубок, защитных перчаток, галош, ковриков и  т. п. Резина обладает высокими электроизоляционными свойствами, влагостойкостью, непроницаемостью для воды и газов, имеет невысокую нагревостойкость (при нагреве свыше 60—75° резина делается хрупкой и трескается), при действии на резину нефтяных масел она иабухает, при действии света — стареет. Электрическая прочность резины 24 кв/мм.

4. Что такое сегнетоэлектрики, каковы их свойства и области  применения?

Сегнетоэлектрики, кристаллические  диэлектрики, обладающие в определённом интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, которая существенно изменяется под влиянием внешних воздействий. Электрические свойства С. во многом подобны магнитным свойствам ферромагнетиков (отсюда название ферроэлектрики, принятое в зарубежной литературе). К числу наиболее исследованных и используемых на практике С. относятся титанат бария, сегнетова соль (давшая название всей группе кристаллов), триглицинсульфат, дигидрофосфат калия и др. (см. табл.). Известно несколько сотен сегнетоэлектрики.

Обычно сегнетоэлектрики не являются однородно поляризованными, а состоят из доменов — областей с различными направлениями спонтанной поляризации, так что при отсутствии внешних воздействий суммарный электрический дипольный момент P образца практически равен нулю.

Наличие доменов существенно  сказывается на свойствах сегнетоэлектрики. Под действием электрического поля доменные границы смещаются так, что объёмы доменов, поляризованных по полю, увеличиваются за счёт объёмов доменов, поляризованных против поля. Доменные границы обычно "закреплены" на дефектах и неоднородностях в кристалле, и необходимы электрического поля достаточной величины, чтобы их перемещать по образцу. В сильном поле образец целиком поляризуется по полю — становится однодомённым. После выключения поля в течение длительного времени образец остаётся поляризованным. Необходимо достаточно сильное электрическое поле противоположного направления, называется коэрцитивным, чтобы суммарные объёмы доменов противоположного знака сравнялись. В сильном поле происходит полная переполяризация образца. Зависимость поляризации P образца от напряжённости электрического поля Е нелинейна и имеет вид петли гистерезиса.

Сильное изменение поляризации  образца под действием электрического поля за счёт смещения доменных границ обусловливает тот факт, что диэлектрическая проницаемость e многодоменного сегнетоэлектрика больше, чем однодомённого. Значение e тем больше, чем слабее закреплены доменные границы на дефектах и на поверхности кристалла. Величина e в сегнетоэлектрике существенно зависит от напряжённости электрического поля, т. е. сегнетоэлектрики обладают нелинейными свойствами.

При нагревании С. спонтанная поляризация, как правило, исчезает при определённой температуре Тс, называется точкой Кюри, т. е. происходит фазовый переход  С. из состояния со спонтанной поляризацией (полярная фаза) в состояние, в котором спонтанная поляризация отсутствует (неполярная фаза). Фазовый переход в С. состоит в перестройке структуры кристалла (в отличие от магнетиков). В разных С. Тс сильно различаются (см. табл.).

Величина спонтанной поляризации Ps обычно сильно изменяется с температурой вблизи фазового перехода. Она исчезает в самой точке Кюри Тс либо скачком, либо плавно уменьшаясь. Существенную температурную зависимость, как  в полярной, так и в неполярной фазах, испытывает диэлектрическую проницаемость e, а также некоторые из упругих, пьезоэлектрических и др. констант. Резкий рост e с приближением к точке Кюри связан с увеличением "податливости" кристалла по отношению к изменению поляризации, т. е. к тем смещениям ионов, которые приводят к изменению структуры при фазовом переходе.

Возникновение поляризации при  переходе сегнетоэлектрика в полярную фазу может быть вызвано либо смещением ионов, либо упорядочением ориентации электрических диполей, существовавших и в неполярной фазе (фазовый переход типа порядок — беспорядок, например в дигидрофосфате калия). В некоторых сегнетоэлектриках спонтанная поляризация может возникать как вторичный эффект, сопровождающий перестройку структуры кристалла, не связанную непосредственно с поляризацией. Такие сегнетоэлектрики, называются несобственными, обладают рядом особенностей: e слабо зависит от Т, в точке Кюри значение e невелико, и др.

В области фазового перехода наблюдаются  изменения и в фононном спектре  кристалла. Они наиболее четко выражены для переходов типа смещения. Частота одного из оптических колебаний кристаллической решётки существенно падает при приближении к Тс, особенно, если этот фазовый переход 2-го рода.

Все в полярной фазе являются пьезоэлектриками. Пьезоэлектрические постоянные сегнетоэлектриков могут иметь сравнительно с другими пьезоэлектриками большие значения, что связано с большими величинами e. Большие значения имеют также пироэлектрические постоянные сегнетоэлектрики из-за сильной зависимости Ps (T).

Сегнетоэлектрическими свойствами обладают некоторые полупроводники и магнитоупорядоченные вещества. Сочетание различных свойств  приводит к новым эффектам, например магнитоэлектрическим. В некоторых  диэлектриках при фазовом переходе с изменением кристаллической структуры спонтанная поляризация не возникает, но наблюдаются, однако, диэлектрической аномалии, сходные с аномалиями при сегнетоэлектрических переходах: заметное изменение e, а также двойные петли гистерезиса. Такие диэлектрики часто называются антисегнетоэлектриками, хотя наблюдаемые свойства, как правило, не связаны с исторически возникшими представлениями об антипараллельных дипольных структурах.

Сегнетоэлектрические материалы (монокристаллы, керамика, плёнки) широко применяются  в технике и в научном эксперименте. Благодаря большим значениям e их используют в качестве материала для конденсаторов высокой удельной ёмкости. Большие значения пьезоэлектрических констант обусловливают применение сегнетоэлектриков в качестве пьезоэлектрических материалов в приёмниках и излучателях ультразвука, в преобразователях звуковых сигналов в электрические и наоборот, в датчиках давления и др. Резкое изменение сопротивления вблизи температуры фазового перехода в некоторых сегнетоэлектриках используется в позисторах для контроля и измерения температуры. Сильная температурная зависимость спонтанной поляризации (большая величина пироэлектрические константы) позволяет применять сегнетоэлектрики в приёмниках электромагнитных излучений переменной интенсивности в широком диапазоне длин волн (от видимого до субмиллиметрового). Благодаря сильной зависимости e от электрического поля сегнетоэлектрики используют в нелинейных конденсаторах (варикондах), которые нашли применение в системах автоматики, контроля и управления. Зависимость показателя преломления от поля обусловливает использование сегнетоэлектриков в качестве электрооптических материалов в приборах и устройствах управления световыми пучками, включая визуализацию инфракрасного изображения. Перспективно применение сегнетоэлектриков в устройствах памяти вычислительных машин, дистанционного контроля и измерения температуры и др.