Билет №1. Что такое материал, материаловедение, электротехническое материаловедение

Что такое материал, материаловедение, электротехническое материаловедение.

Материал - это объект, обладающий определенным составом, структурой и свойствами, предназначенный для выполнения определенных функций. Материалы могут иметь различное агрегатное состояние: твердое, жидкое, газообразное или плазменное. Функции, которые выполняют материалы - разнообразны. Это может быть обеспечение протекания тока - в проводниковых материалах, сохранение определенной формы при механических нагрузках - в конструкционных материалах, обеспечение непротекания тока, изоляция - в диэлектрических материалах, превращение электрической энергии в тепловую - в резистивных материалах. Обычно материал выполняет несколько функций, например диэлектрик обязательно испытывает какие-то механические нагрузки, а значит является конструкционным материалом.

Материаловедение - наука, занимающаяся изучением состава, структуры, свойств материалов, поведением материалов при различных воздействиях: тепловых, электрических, магнитных и т.д., а также при сочетании этих воздействий. Теоретической основой материаловедения являются физика и химия. Стихийными материаловедами были еще древние люди,, например, научившиеся делать каменные наконечники или топоры из определенных камней со слоистой структурой. Технический прогресс человечества во многом основан на материаловедении. В свою очередь технический прогресс дает новые возможности, методы, приборы для материаловедения, позволяет создавать новые материалы.

Рассмотрим пример с компьютерной техникой. Первые компьютеры были на вакуумных электронных лампах и имели сравнительно скромные возможности. Размер их был примерно со спортивный зал, размер единичного элемента для хранения и обработки информации составлял несколько сантиметров. После открытия полупроводников размер элемента уменьшился примерно в 10 раз, размеры компьютера уменьшились также примерно в 10 раз. По мере исследования полупроводников их размер уменьшался, пока не произошел качественный скачок после открытия интегральных схем, когда несколько транзисторов соединили в одном элементе. В дальнейшем и этот элемент постоянно уменьшался и в нем соединяли все большее количество транзисторов. В настоящее время элементарный транзистор имеет размер примерно 0.5 мкм, в больших интегральных схемах соединяются тысячи элементов. Предполагается, что в ближайшем будущем будет постепенно осуществляться переход на масштаб 0.2 мкм и 0.18 мкм. Имеются идеи о создании элементов размером в молекулу!

Электротехническое материаловедение - это раздел материаловедения, который занимается материалами для электротехники и энергетики, т.е. материалами, обладающими специфическими свойствами, необходимыми для конструирования, производства и эксплуатации электротехнического оборудования. Ряд материалов традиционны для любого из разделов материаловедения, в первую очередь, это конструкционные материалы. Основные материалы, рассматриваемые здесь специфичны именно для электротехнического раздела материаловедения, это в первую очередь диэлектрические материалы, затем проводниковые материалы, магнитные материалы, материалы для резисторов. В основном эти темы и будут рассматриваться в курсе электротехнического материаловедения. Для успешного освоения курса не требуется особых знаний. Математика в школьном объеме, физика в объеме курса общей физики.

Роль материалов в современной технике.

Например, изготовление баллонов для хранения газов под давлением. Вес баллона определяется толщиной стенки сосуда, который, в свою очередь,… Можно привести пример с материалами космических челноков. Разработка новых электротехнических материалов с улучшенными или новыми эксплуатационными свойствами способствует…

Классификация материалов, применяемых в энергетике и электротехнике.

Все электротехнические материалы делятся на группы по их электропроводности с учетом их функционального назначения.

1. Проводниковые материалы. Чистые металлы и их сплавы. Они имеют низкое удельное сопротивление (высокую проводимость). Из них изготавливают токоведущие части электрических машин и аппаратов: обмотки, катушки, контакты, токоведущие жилы проводов и кабелей.

2. Полупроводниковые материалы. Эта группа материалов обладает управляемой проводимостью. То есть, прикладывая к изделиям из этих материалов небольшое управляющее напряжение можно переводить их из токопроводящего состояния в изолирующее. К полупроводникам относятся такие материалы как кремний, германий, селен, арсенид галлия. Из них изготавливают силовые электронные ключи: тиристоры, транзисторы.

3.Магнитные материалы. Применяются для создания среды с малым магнитным сопротивлением (магнитопроводы, сердечники) т.е. для концентрации энергии магнитного поля в электрических машинах, аппаратах и приборах По отношению к электрическому току большинство магнитных материалов является проводниками. Основу магнитных материалов составляет железо и его сплавы. Из этих материалов изготавливают сердечники трансформаторов, магнитные системы электрических машин.

После появления мощных постоянных магнитов на основе неодима появился большой класс синхронных машин с бесконтактным возбуждением от постоянных магнитов. Все микромашины изготавливаются с постоянными магнитами, что значительно повышает их надежность.

4. Диэлектрики. Это материалы – антиподы проводников, они имеют высокое удельное сопротивление (низкую проводимость). Диэлектрические материалы имеют чрезвычайно важное значение для электротехники. Диэлектрики используются в различных электротехнических устройствах для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электротехнических устройств, отделяет друг от друга части, находящиеся под действием разных электрических потенциалов.

Еще одна область применения диэлектриков – это диэлектрики в конденсаторах, служащие для накопления энергии электрического поля и создания определенного значения электрической емкости конденсаторов.

Другое название диэлектриков – электроизоляционные материалы. Назначение электрической изоляции – не допустить прохождения электрического тока по каким-либо путям, не предусмотренным конструкцией или схемой устройства. Очевидно, что никакое устройство не может быть выполнено без применения электроизоляционных материалов.

В различных случаях к электроизоляционным материалам предъявляют самые разнообразные требования. Помимо электроизоляционных свойств большое значение имеют механические, тепловые и другие физико-химические свойства. Важное значение имеет также стоимость и дефицитность материалов.

По агрегатному состоянию электроизоляционные материалы делятся на твердые, жидкие и газообразные.

Большое практическое значение имеет деление электроизоляционных материалов в соответствии с их химической природой на органические и неорганические. Органические материалы обладают ценными механическими свойствами – гибкостью, эластичностью, им легко придавать требуемую форму, однако за редкими исключениями они имеют относительно низкую нагревостойкость.