西安交通大學(xué)電氣材料課后題.doc

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第一章 緒論1-1.什么是電氣材料？主要有哪些種類？1.電氣材料是指在電力設(shè)備中應(yīng)用的材料。電氣材料是構(gòu)成電力設(shè)備的基礎(chǔ)物質(zhì)，是實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備各種功能的基礎(chǔ)，是電力設(shè)備安全可靠運(yùn)行的基本保證。2.根據(jù)其電氣功能，電氣材料主要分為電介質(zhì)絕緣材料、半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電材料、磁性材料。1-2.什么是電力設(shè)備？電力系統(tǒng)中的電力設(shè)備主要有哪些類別？電力設(shè)備是指在電力系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)電能的生產(chǎn)、傳輸、變換、分配、使用的設(shè)備的總稱。電力設(shè)備的分類：按電力先后順序，分為：發(fā)電設(shè)備、變電設(shè)備、輸電設(shè)備和用電設(shè)備。按在電力系統(tǒng)中所起的作用，分為：一次設(shè)備、二次設(shè)備。按技術(shù)重要程度，分為：核心設(shè)備、輔助設(shè)備。按經(jīng)濟(jì)價(jià)值差異，分為：大型貴重設(shè)備、普通設(shè)備。1-3.電氣材料的作用和地位？1. 電氣材料是構(gòu)成電力設(shè)備的基礎(chǔ)物質(zhì)，是實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備各種功能的基礎(chǔ)，是電力設(shè)備安全可靠運(yùn)行的基本保證。隨著導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料、磁性材料和絕緣材料的發(fā)展，使人們?cè)陔姶艌隼碚撆c量子力學(xué)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制造出各種電力設(shè)備與器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能產(chǎn)生、傳輸、變換及應(yīng)用過程的控制，發(fā)展形成現(xiàn)代電力工業(yè)并使之成為國民經(jīng)濟(jì)的命脈。2. 在電氣功能技術(shù)領(lǐng)域中，電氣材料始終占有不可替代的重要地位。各種電氣新技術(shù)的產(chǎn)生，往往都要通過相應(yīng)的設(shè)備和器件來實(shí)現(xiàn)，設(shè)備和器件需要各種材料來進(jìn)行制作，即使是原理上可行的新技術(shù)和新產(chǎn)品，如果沒有相應(yīng)的材料，也都無法實(shí)現(xiàn)。1-4.電氣設(shè)備的作用和地位？1. 電力設(shè)備是電力系統(tǒng)的基本組成單元。電力系統(tǒng)是發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)、電力網(wǎng)的變壓器和輸電線路以及各種用電設(shè)備按照一定的規(guī)律連接而組成的統(tǒng)一整體，電腦產(chǎn)生、傳輸、變換、分配使用等多個(gè)環(huán)節(jié)都是通過電力設(shè)備來完成的。2. 電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵在于電力設(shè)備的絕緣和電力設(shè)備的故障檢測，電力設(shè)備的生產(chǎn)能力和技術(shù)水平?jīng)Q定著電力系統(tǒng)運(yùn)行的效率和質(zhì)量。1-5.電氣材料與電力設(shè)備二者之間的關(guān)系？1.在電氣工程技術(shù)領(lǐng)域中，電氣材料始終占用著不可替代的重要地位。各種電氣新技術(shù)的產(chǎn)生，往往都要通過相應(yīng)的設(shè)備和器件來實(shí)現(xiàn)，設(shè)備和器件需要各種材料來進(jìn)行制作，即使是原理上可行的新技術(shù)和新產(chǎn)品，如果沒有相應(yīng)的材料，也都無法實(shí)現(xiàn)。電氣材料是構(gòu)成電力設(shè)備的基礎(chǔ)物質(zhì)，是實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備各種功能的基礎(chǔ)，是電力設(shè)備安全可靠運(yùn)行的基本保證。2.電力系統(tǒng)和電力設(shè)備發(fā)展也對(duì)于電氣材料的發(fā)展提出來新的要求。（例如，特高壓直流輸電、環(huán)境友好絕緣材料、納米絕緣材料）第二章 電氣材料基礎(chǔ)2-1 請(qǐng)舉例說明電氣材料的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系？電氣材料的結(jié)構(gòu)對(duì)性能起決定性的作用，各種材料之所以具有不同性能，是由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同所致。舉例:ZnO壓敏陶瓷2-2 如何描述原子的微觀結(jié)構(gòu)？1. 原子模型：“殼層模型”認(rèn)為原子是由位于原子中心帶正電的原子核和環(huán)繞核的帶負(fù)電的電子云所組成。原子核由質(zhì)子和中子組成，每個(gè)質(zhì)子帶一個(gè)單位正電荷，中子為電中性，原子核所帶正電荷與核外電子云所帶負(fù)電荷相等，通常情況下整個(gè)原子呈現(xiàn)電中性。原子的質(zhì)量主要集中在原子核。2. 電子運(yùn)動(dòng)：按照量子力學(xué)用統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)去認(rèn)識(shí)電子在核外空間的幾率分布。描述電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，需要有四個(gè)量子數(shù)（n,l,m,ms）。3. 原子中的電子分布：可以用泡利不相容原理、能量最小原理和洪特原理來描述。一般來說，原子中的電子只能處于一系列特定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以在每一主殼層上就只能容納一定數(shù)量的電子；同樣，也不能將所有的電子填入一個(gè)亞殼層中。原子中電子的分布主要由泡利不相容原理和能量最低原理來確定，并遵循洪特規(guī)則。4. 原子中電子的得失：閉殼層外的最外亞層上的電子遠(yuǎn)離原子核，在原子相互作用中扮演重要角色。在化學(xué)反應(yīng)中，這些電子首先與相鄰原子的外層電子發(fā)生相互作用，故最外層的電子也稱為價(jià)電子，決定元素的化合價(jià)。例如堿金屬Li、Na、K等原子在閉殼層外有一個(gè)電子，很容易失去這個(gè)電子而成為一價(jià)正離子，以形成穩(wěn)定的閉殼層結(jié)構(gòu)。2-3 原子中電子分布應(yīng)遵循什么原理？泡利不相容原理、能量最小原理和洪特規(guī)則。2-4 分子是如何形成的？原子是由帶正電的原子核和圍繞其周圍運(yùn)動(dòng)的帶負(fù)電的電子所組成。當(dāng)兩個(gè)原子靠近時(shí)，相鄰原子核及價(jià)電子之間產(chǎn)生相互作用，同時(shí)存在著方向相反的吸引力和排斥力，在某一距離下兩種作用力相互抵消，結(jié)果在兩個(gè)原子間形成穩(wěn)定結(jié)合的化學(xué)鍵而生成一個(gè)分子。鍵的形成意味著兩相連原子系統(tǒng)的能量必須小于兩個(gè)分離原子的能量，使分子形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。2-5 化學(xué)鍵的類型及構(gòu)成物質(zhì)的特點(diǎn)?化學(xué)鍵可分為共價(jià)鍵、離子鍵和金屬鍵三大類。1. 共價(jià)鍵：兩個(gè)相同或不同元素的原子由于共同擁有（以電子云重疊的方式）部分或全部價(jià)電子而形成的化學(xué)鍵所形成的化合物稱為共價(jià)化合物。當(dāng)這類共價(jià)鍵物質(zhì)的固體熔化或液體汽化時(shí)，分子內(nèi)的化學(xué)鍵并未破壞，只需克服組成固體或液體物質(zhì)的微弱分子間力。因此，這類共價(jià)鍵物質(zhì)具有較低的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)。2. 離子鍵：原子間的相互作用產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移，形成正負(fù)離子，正負(fù)離子間庫侖力的相互作用而形成的化學(xué)鍵。離子鍵往往由金屬-非金屬元素組成。離子鍵化合物具有許多共同的物理性質(zhì)。例如：1） 強(qiáng)度高、易碎、熔點(diǎn)高（與金屬相比）2） 易溶于極性液體如水中，形成導(dǎo)電離子3） 所有電子被嚴(yán)格束縛在離子上，因此，離子型固體介質(zhì)是典型的絕緣體4） 離子鍵固體具有比金屬鍵和共價(jià)鍵固體更低的熱導(dǎo)率3. 金屬鍵：當(dāng)許多金屬原子堆積成固體時(shí)，價(jià)電子會(huì)脫離單一原子而被所有原子共享，成為自由電子，滲入離子間的空間而形成電子氣或電子云。電子氣負(fù)電荷與金屬陽離子的相互吸引作用，大于將價(jià)電子移離單一原子所需的能量，因而形成金屬鍵。金屬鍵晶體的特點(diǎn)：導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好、延展性好。2-6 什么是分子間力及其作用？1. 由于一個(gè)原子中電子分布狀態(tài)與其它原子核間的靜電吸引所致，這就是所謂的分子間力，又稱為范德華力。2. 分子間作用力包括取向力、誘導(dǎo)力和色散力三種。3. 分子間力影響物質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、溶解度、表面張力等理化特性。2-7 什么是晶體？如何表征晶體結(jié)構(gòu)？1 晶體是原子、離子和分子按照一定的周期性在空間排列，在結(jié)晶過程中形成具有一定規(guī)則幾何外形的固體。2 為了更好的觀察、描述晶體內(nèi)部原子排列的方式，可把晶體中按周期重復(fù)排列的原子（結(jié)構(gòu)單元）抽象成一個(gè)幾何點(diǎn)來表示，從晶體結(jié)構(gòu)中抽象出來的幾何點(diǎn)的集合稱之為晶體點(diǎn)陣，簡稱晶格。晶格中忽略了周期中所包含的具體結(jié)構(gòu)單元內(nèi)容，而集中反應(yīng)周期重復(fù)方式，既然晶格具有周期性，只要繪出一個(gè)點(diǎn)陣的最小周期單元（一個(gè)陣點(diǎn)及相應(yīng)空間位置）點(diǎn)陣的原胞，即可反應(yīng)整個(gè)晶體的原子排布。所以可簡單的將晶體表示為晶體結(jié)構(gòu)=點(diǎn)陣+原胞。2-8 舉例說明典型離子晶體的結(jié)構(gòu)特征及應(yīng)用。1. AB型氧化物MgO、CaO、SrO等就是典型的AB型結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)特征：氧離子在立方體的頂點(diǎn)和面心得位置 ，二階陽離子在各邊的中央和立方體的中心。這兩組離子互成立方面心結(jié)構(gòu)。陽離子占據(jù)著全部氧八面空隙，配位數(shù)為6.應(yīng)用：電子陶瓷2. AB2型氧化物金紅石就是典型的AB2型氧化物。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：晶胞是四方柱體，而 3、不是立方體?？梢越频膶iO2看成是O2-做六方密堆積，Ti4+八面體空隙的一半，在柱體的頂點(diǎn)和體心位置。由六個(gè)O2-形成一個(gè)八面體，把Ti4+包圍起來。應(yīng)用：由于這種結(jié)構(gòu)，在電場作用下TiO2將產(chǎn)生很強(qiáng)的離子位移和電子位移極化，從而具有很高的介電常數(shù)，所以成為許多陶瓷電容器的基本原料。3. A2B3型氧化物Al2O3就是典型的A2B3結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：氧離子做六方密堆積，Al3+占據(jù)八面體空隙。但是因?yàn)樵贏l2O3晶格中Al和O的數(shù)目比為2：3，所以只有2/3的八面體空隙被Al3+占據(jù)。應(yīng)用：緊密結(jié)構(gòu)和極大的離子鍵強(qiáng)度，使它具有很高的機(jī)械強(qiáng)度硬度和穩(wěn)定性，成為很好的結(jié)構(gòu)材料。4. ABO3型復(fù)合化合物（鈣鈦礦結(jié)構(gòu)），屬于這種結(jié)構(gòu)的有CaTiO3、BaTiO3、PbTiO3、PbZrO3、SrTiO3等。結(jié)構(gòu)特征：A位一般是稀土或堿土元素離子，B位一般是過渡元素離子，A位和B位皆可被半徑相近的其他金屬栗子部分取代而保持其晶體結(jié)構(gòu)基本不變。應(yīng)用:它是研究催化劑表面及催化性能的理想樣品，由于這類化合物具有穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)、獨(dú)特的電磁性能以及很高的氧化還原、氫解、異構(gòu)化、電催化等活性，作為一種新型的功能材料。在環(huán)境保護(hù)和工業(yè)催化等領(lǐng)域具有很大的開發(fā)潛力。5. AB2O4型離子化合物通式AB2O4型的離子化合物，又稱尖晶石型結(jié)構(gòu)化合物，是離子晶體中的一個(gè)大類。A為二價(jià)陽離子，如Mg2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Mn2+、Zn2+、Cd2+等；B為三價(jià)陽離子，如Al3+、Al3+、Fe3+、Co3+、Cr3+、Ga3+等。結(jié)構(gòu)中O2-離子作立方緊密堆積，其中A離子填充在四面體空隙中，B離子在八面體空隙中，即A離子為4配位，而B離子為6配位。尖晶石型化合物結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，有的可用作高溫耐火材料，有的可用作電子陶瓷材料。6. 正四面體結(jié)構(gòu)種類繁多的硅酸鹽的基本結(jié)構(gòu)就是硅氧四面體結(jié)構(gòu)特征：在這種四面體內(nèi)，硅原子占據(jù)中心。四個(gè)氧原子占據(jù)四角，這些四面體，依著不同的配合，形成了各類硅酸鹽。用途：它們大多數(shù)熔點(diǎn)高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是硅酸鹽工業(yè)的主要原料。硅酸鹽制品和材料廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)、科學(xué)研究及日常生活中。2-9 能級(jí)是如何產(chǎn)生? 由玻爾的理論發(fā)展而來的現(xiàn)代量子物理學(xué)認(rèn)為原子的可能狀態(tài)是不連續(xù)的，因此各狀態(tài)對(duì)應(yīng)能量也是不連續(xù)的。這些能量值就是能級(jí)。2-10 簡述能級(jí)的分裂及能帶的形成。 能級(jí)分裂：以氫分子的形成為例。當(dāng)兩個(gè)H原子相互靠近形成分子時(shí)，一個(gè)原子上的電子與另一個(gè)原子上的電子及原子核發(fā)生相互作用，電子系統(tǒng)獲得新的能量和波函數(shù)。當(dāng)兩H原子的波函數(shù)相互干涉時(shí)，產(chǎn)生同相交疊和異相交疊，分別形成兩個(gè)分子軌道。能級(jí)分裂為兩個(gè)。 能帶形成：能級(jí)分裂的最大寬度，取決于固體中原子間的最小距離，N個(gè)軌道相互作用產(chǎn)生的N個(gè)分裂能級(jí)。當(dāng)N相當(dāng)大（1023）時(shí)，相鄰分裂能級(jí)間間隔非常小，幾乎是連續(xù)的額，從而產(chǎn)生能帶。2-11 簡述電子的共有化運(yùn)動(dòng)。1. 當(dāng)兩個(gè)原子相距較遠(yuǎn)時(shí)，能級(jí)如同兩個(gè)孤立原子被一個(gè)高而寬的勢壘相隔，電子只在各自的原子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，其能量為分立能級(jí)；而當(dāng)兩個(gè)原子靠的很近時(shí)，原子勢場相互影響，勢壘寬度減小高度降低原子原來處于較高能級(jí)上的電子可能穿透勢壘或越過勢壘，形成電子的共有化運(yùn)動(dòng)。2. 通過量子力學(xué)證明:由于晶體中電子共有化運(yùn)動(dòng)，使每個(gè)原子具有相同的價(jià)電子能級(jí)分裂成為一系列和原來能級(jí)很接近的新能級(jí)，這些新能級(jí)基本上連成一片而形成能帶。2-12 從能帶理論的角度簡述導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的異同。1. 能帶的填充與導(dǎo)電性的關(guān)系：若固體由N個(gè)原子組成則每個(gè)能帶內(nèi)有N個(gè)能級(jí)，按照泡利不相容原理，最多可容納2N個(gè)電子。所有能級(jí)全部被電子所填充的能帶叫滿帶，而只有部分能級(jí)為電子所填充的叫不滿帶。在外電場作用下，只有不滿帶中的電子才具有導(dǎo)電能力，而滿帶中的電子是不導(dǎo)電的2. 導(dǎo)體：除滿帶外還存在不滿帶，即導(dǎo)帶，導(dǎo)帶以下的第一個(gè)滿帶稱為價(jià)帶。導(dǎo)體中的電子易在電場作用下產(chǎn)生遷移運(yùn)動(dòng)。表現(xiàn)為電阻率很低，通常在10-8102m范圍。3. 絕緣體：其最低的一系列能帶被填滿，而其上的能帶則完全為空帶，切禁帶寬度較寬，大于2eV。固體中的電子不易在電場作用下產(chǎn)生遷移運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)為電阻率很高，在1081016m范圍。4. 半導(dǎo)體：能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體相同，但禁帶寬度較窄，一般小于2eV。固體中的電子易受熱激發(fā)到空帶參加導(dǎo)電，同時(shí)產(chǎn)生空穴電流。Ge和Si禁帶寬度分別為0.74eV和1.17eV，此類介質(zhì)的電阻率較低，一般在102108m 范圍。2-13 簡述缺陷結(jié)構(gòu)及缺陷能級(jí)。1. 通常晶體中總是存在缺陷，這些缺陷往往來源于結(jié)晶的不完整與外來質(zhì)。缺陷結(jié)構(gòu)包括點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。外來雜質(zhì)缺陷則有替位與填隙兩種，他們一般都屬于點(diǎn)缺陷。2. 當(dāng)晶體中存在缺陷時(shí)，將在禁帶中引入附加能級(jí)，稱之為缺陷能級(jí)。缺陷能級(jí)可分為淺能級(jí)和深能級(jí)。淺能級(jí)是指離導(dǎo)帶比較近即電離能比較小的能級(jí)，深能級(jí)則是指離導(dǎo)帶比較遠(yuǎn)即電離能比較大的能級(jí)。禁帶中的淺能級(jí)易于釋放電荷（電子或空穴）到導(dǎo)帶或價(jià)帶中去，成為導(dǎo)電載流子，故這些淺能級(jí)又稱為施主或受主能級(jí)。而深能級(jí)則不易放出電荷，它們便成為俘獲電子或空穴的中心，所以稱之為俘獲能級(jí)或俘獲中心，又稱之為陷阱能級(jí)。2-14計(jì)算略2-15計(jì)算略第三章 電介質(zhì)材料3-1 按分子中正負(fù)電荷的分布情況不同，電介質(zhì)可以分為哪幾類？試述各類的基本特征。1. 分為a.非極性電介質(zhì)；b.極性電介質(zhì)；c.離子型電介質(zhì)。2. 各種類型的基本特征：a. 非極性電介質(zhì)：無外電場作用時(shí)，正負(fù)電荷中心重合，故其電氣性能穩(wěn)定。b. 極性電介質(zhì)：化學(xué)結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，即正負(fù)電荷中心不重合，分子具有偶極矩。c. 離子型電介質(zhì)：組成基本單元為離子，故其介電常數(shù)大機(jī)械強(qiáng)度高。3-2 什么事電介質(zhì)的極化？試說明電介質(zhì)極化的種類及其機(jī)理。在外電場作用下，電介質(zhì)出現(xiàn)束縛電荷的現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。電介質(zhì)的極化主要有三種形式:1. 電子極化：原子內(nèi)的電子云和原子核在外電場中發(fā)生遷移形成電偶極矩的現(xiàn)象；外電場關(guān)閉，原子會(huì)返回原來現(xiàn)象。2. 取向極化：只出現(xiàn)于極性分子，是有永久電偶極子的取向改變而產(chǎn)生的。3. 離子極化：正負(fù)離子在外電場作用下發(fā)生遷移的現(xiàn)象。3-3 試述彈性模量的物理意義。對(duì)彈性體施加一個(gè)外界作用（稱為應(yīng)力）后，彈性體會(huì)發(fā)生形狀的改變（稱為應(yīng)變），彈性模量的一般定義是：應(yīng)力除以應(yīng)變。從宏觀角度來說，彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，從微觀角度來說，則是原子、離子和分子之間鍵合強(qiáng)度的反映。3-4 試述熱導(dǎo)率的物理意義。熱導(dǎo)率是當(dāng)溫度垂直梯度為1攝氏度/米時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)單位水平截面積所傳遞的熱量。熱導(dǎo)率是物質(zhì)導(dǎo)熱能力的量度。3-5 絕緣材料的耐熱等級(jí)（溫度指數(shù)）是什么含義？對(duì)電力設(shè)備的材料選擇有什么意義？電解質(zhì)的最高允許工作溫度就是指在此溫度下介質(zhì)的電學(xué)力學(xué)化學(xué)等性能能保證長期正常運(yùn)行，當(dāng)超過這一溫度，電解質(zhì)的性能將顯著下降。國際上根據(jù)絕緣材料的耐熱程度，即最高允許工作溫度，劃分了絕緣材料的耐熱等級(jí)。便于電機(jī)電器在設(shè)計(jì)和維修時(shí)合理選用材料。3-6 絕緣材料老化的含義是什么？絕緣材料在貯存、使用過程中，在熱、電、光、氧、潮氣和化學(xué)藥品、各種機(jī)械力、高能輻射以及微生物等因素長時(shí)間作用下，其性能發(fā)生不可逆變的現(xiàn)象稱為老化。老化特別著重于長時(shí)間和不可逆。3-7 六氟化硫氣體為什么具有高的耐電強(qiáng)度？SF6是一種電負(fù)性氣體。1) 當(dāng)氣體中有電負(fù)性元素時(shí)，分子具有強(qiáng)烈的吸附電子的能力，SF6分子中含有6個(gè)F原子，具有很強(qiáng)的電負(fù)性，吸引電子的能力強(qiáng)。2) SF6分子吸附電子后變?yōu)樨?fù)離子，其質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子，移動(dòng)速度慢，在電場中容易與正離子結(jié)合而成為中性分子。3) SF6氣體分子的分子量高，體積大，在電離過程中容易與電子發(fā)生碰撞，使電子平均自由程減小，且碰撞將電離能量轉(zhuǎn)化為熱能消耗，使分子發(fā)生碰撞電離的難度增大。因而，SF6具有高的耐電強(qiáng)度。3-8 礦物絕緣油和植物絕緣油的主要成分分別是什么？礦物絕緣油由飽和的烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴組成。植物絕緣油的主要成分是不飽和脂肪酸。3-9 聚乙烯交聯(lián)后，其化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理性能發(fā)生哪些變化？ 聚乙烯交聯(lián)后，其化學(xué)結(jié)構(gòu)從線型分子變?yōu)榻宦?lián)的網(wǎng)狀大分子。與聚乙烯相比，交聯(lián)聚乙烯的耐熱性好，工作溫度達(dá)90，燃燒不滴落，抗蠕變，抗環(huán)境應(yīng)力開裂。3-10 寫出以下高分子絕緣材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)式：聚丙烯、聚四氟乙烯、天然橡膠、硅橡膠。（手寫）3-11 為什么玻璃表面的電導(dǎo)比體內(nèi)大？有什么辦法可以降低表面電導(dǎo)？其作用機(jī)理如何？玻璃中導(dǎo)電載流子遷移時(shí)，受到空余網(wǎng)隙結(jié)構(gòu)的制約，要越過高的勢壘。而這些載流子在玻璃表面運(yùn)動(dòng)的時(shí)候則不受這種空余網(wǎng)隙的限制，活化能低很多。保持表面清潔。玻璃是一種離子性很強(qiáng)的介質(zhì)，表面對(duì)于強(qiáng)極性的水分子有很大的親和作用，當(dāng)相對(duì)濕度大于80%時(shí)，玻璃表面附著的水分子數(shù)大為增加，表面電導(dǎo)也大為增加，由于高頻電流具有集膚效應(yīng)，故對(duì)于高頻絕緣玻璃更應(yīng)保證其表面清潔。3-12 玻璃中共存在哪幾種類型的極化與損耗？試從質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方式、消耗能量、與頻率和溫度的關(guān)系等方面，對(duì)各種類型的極化與損耗加以比較。1. 電子位移極化：氧離子的電子云相對(duì)于原子核的位移和形變引起的。由于正離子半徑小，電子云受原子核束縛緊，形變有限。2. 離子位移極化：正負(fù)離子受外電場作用而引起的彈性位移。這兩種極化都不能引起大的損耗，在1010HZ內(nèi)與頻率無關(guān)。純凈玻璃主要損耗源來自電導(dǎo)，室溫下電導(dǎo)和電導(dǎo)引起的損耗都很小。但隨溫度的升高而增大。3-13 功能陶瓷的分類、性能和應(yīng)用有哪些？1. 導(dǎo)電陶瓷：導(dǎo)電率遠(yuǎn)大于一般陶瓷（大于10-2S/cm）。具有很好的離子選擇性，用于制作多種固態(tài)離子選擇電極，氣敏壓敏熱敏傳感器及高純物質(zhì)提取裝置。有些快離子導(dǎo)體內(nèi)某些離子的氧化還原著色效應(yīng)可制作著色電色顯示器。具有充放電特性，用于制作電池，庫侖計(jì)，電阻器，電化學(xué)開關(guān)，電積分器，記憶元件等多種離子器件。2. 半導(dǎo)體陶瓷：具有半導(dǎo)體特性的功能陶瓷。電阻率顯著受到外界環(huán)境變化的影響，如溫度，光照，電場，濕度等變化的影響。多用于制造敏感元件。3. 超導(dǎo)陶瓷：具有超導(dǎo)電性。4. 介電陶瓷：在電場作用下具有極化能力，且能在體內(nèi)長期建立起電場的功能陶瓷。主要包括絕緣陶瓷，電容器陶瓷，微波陶瓷等。5. 磁性陶瓷：泛稱為鐵氧體，主要用于高頻技術(shù)，如無線電，電視，電子計(jì)算機(jī)，自動(dòng)控制，超聲波，微波及離子加速器等許多方面。3-14 什么是納米材料，納米材料的特殊效應(yīng)有哪些？ 納米材料是指把組成相或晶粒結(jié)構(gòu)的尺寸控制在100納米以下的具有特殊功能的材料。納米材料的特殊效應(yīng):表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)和庫侖堵塞效應(yīng)。3-15 什么事環(huán)境友好材料？ 環(huán)境友好材料也稱生態(tài)環(huán)境材料，簡稱環(huán)境材料。是1990年10月在一次關(guān)于材料服務(wù)于人類生活、行為的未來狀況與環(huán)境關(guān)系的討論會(huì)上，由日本材料科學(xué)家和工程師提出來的。一般來說，環(huán)境友好材料是指材料在整個(gè)壽命周期中，同時(shí)具有滿意的使用性能和優(yōu)良的環(huán)境協(xié)調(diào)性，或者能夠改善環(huán)境的材料。第四章 半導(dǎo)體材料（略）第五章 導(dǎo)電材料5-1 材料的導(dǎo)電性能如何表征？什么是導(dǎo)電材料？導(dǎo)電材料如何分類？1. 導(dǎo)體的導(dǎo)電性能可以通過體積電阻率和電導(dǎo)率進(jìn)行表征。體積電阻率是微觀水平上阻礙電流流動(dòng)的度量。電導(dǎo)率是電阻率的倒數(shù)，表征電流通過材料的容易程度。2.導(dǎo)體是指價(jià)電子所在能帶為半滿帶，相鄰能級(jí)間隔小的一類材料，在外電場作用下，電子很容易從較低能級(jí)躍遷到較高能級(jí)，大量的共有化電子很易獲得能量，集體定向遷移形成電流。3.導(dǎo)電材料的分類：（1） 導(dǎo)電材料按導(dǎo)電機(jī)理（電荷載體）可分為電子導(dǎo)電材料、離子導(dǎo)電材料和混合型導(dǎo)電材料。（a） 電子導(dǎo)體，以電子載流子為主體的導(dǎo)電；（b） 離子導(dǎo)體，以離子載流子為主體的導(dǎo)電；（c） 混合型導(dǎo)體，其載流子電子和離子兼而有之。（2） 導(dǎo)體材料按照化學(xué)成分主要有以下四類：（a） 金屬材料：這是主要的導(dǎo)體材料，電導(dǎo)率在107108S/m之間，常用的有銀、銅和鋁等。（b） 合金材料:電導(dǎo)率在105107S/m之間，如黃銅（銅鋅），鎳鉻合金等。（c） 無機(jī)非金屬材料：電導(dǎo)率在105108S/m之間，如石墨在基晶方向?yàn)?.5*106S/m。（d） 高分子導(dǎo)電材料：導(dǎo)電高分子是指其本身或經(jīng)過“摻雜”后具有導(dǎo)電性的一類高分子材料。5-2 金屬材料的電導(dǎo)率（或電阻率）受哪些因素影響?電導(dǎo)率依賴于以下三個(gè)元素：單位體積材料中的載流子數(shù)目、每個(gè)載流子上的電荷量和每個(gè)載流子的遷移率。材料微觀結(jié)構(gòu)、溫度、合金元素和雜質(zhì)都會(huì)通過改變以上三個(gè)要素，對(duì)金屬材料的電導(dǎo)率產(chǎn)生影響。5-3 試從自由電子能帶論角度討論金屬、半導(dǎo)體與固體介質(zhì)材料的區(qū)別。金屬：價(jià)電子所在能帶為半滿帶，相鄰能級(jí)間隔小，外電場作用下，電子容易從較低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，大量電子很容易獲得能量進(jìn)行共有化運(yùn)動(dòng)。半導(dǎo)體：滿帶與空帶之間也存在禁帶，但禁帶很窄（0.12eV）固體介質(zhì)材料：滿帶與空帶之間有一個(gè)較寬的禁帶（36eV），電子很難從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)上去形成共有化運(yùn)動(dòng)。5-4 什么是接觸電位差和熱電勢？這一特性可以利用在哪些方面？1. 接觸電位是指在沒有電流的情況下，兩種不同物質(zhì)接觸面兩側(cè)的電位差，即兩種不同的金屬相互接觸時(shí)產(chǎn)生的電位差。兩物體緊密接觸，其間距小于25*10-8cm時(shí)，就出現(xiàn)雙電層和接觸電位差。其數(shù)值與兩種金屬的性質(zhì)與接觸面的溫度有關(guān)，與接觸面的大小和接觸時(shí)間的長短無關(guān)。2. 如果接觸點(diǎn)溫度不相同，所產(chǎn)生的電位差是溫度的函數(shù)，即所謂的熱電勢。熱電偶就是利用熱電勢來進(jìn)行側(cè)紋的。5-5 固體材料中熱導(dǎo)有哪幾種方式？金屬材料與固體介質(zhì)材料的熱導(dǎo)有何不同？如何提高它們的熱導(dǎo)率？1. 固體材料的熱導(dǎo)主要有聲子熱導(dǎo)和自由電子熱導(dǎo)兩種方式。2. 金屬材料中既有聲子，也有自由電子熱導(dǎo)，而固體介質(zhì)中材料的熱導(dǎo)率取決于聲子。3. 提高熱導(dǎo)率的途徑：a. 提高溫度：聲子以聲速在材料內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，溫度越高，相互碰撞越劇烈，所以熱導(dǎo)系數(shù)隨溫度升高而增大。b. 降低雜質(zhì)：金屬中的雜原子、空穴、晶格缺陷都會(huì)使熱導(dǎo)率降低。5-6 材料的塑形與韌性在工程上的意義是什么？塑性：塑性是變形加工的條件，塑性較好的材料才可以進(jìn)行變形加工，不易脆斷，應(yīng)用時(shí)安全性比較好。韌性：韌性好的材料不易在服役過程中發(fā)生脆斷破壞。5-7 常用的導(dǎo)電金屬主要有哪些？它們的電導(dǎo)率分別是多少？如何選擇使用？常用的導(dǎo)電材料有銅及銅合金，鋁及鋁合金，鐵及鐵合金。1. 銅電導(dǎo)率100%IACS。銅按純度不同分為普通純銅和無氧銅兩類。普通純銅用于電線電纜線芯和一般導(dǎo)體零件，無氧銅主要用于電真空開關(guān)、電子管和電子儀器零件、耐高溫導(dǎo)體和真空開關(guān)觸頭用。2. 銅合金的電導(dǎo)率10-85%IACS。主要可使機(jī)械強(qiáng)度提高，而電導(dǎo)率降低不大，可做各種導(dǎo)電零件。3. 鋁和鋁合金電導(dǎo)率60%IACS。具有含量高，重量輕，比強(qiáng)度高，高的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，耐氧化性好，高反射率，延展性、可塑性好等特點(diǎn)?？捎糜谌萜髋c包裝，建筑材料，導(dǎo)電材料，及車輛汽車等。4. 鐵的電阻率高，約為銅的五倍，而且化學(xué)穩(wěn)定性低，易氧化，在頻率較高時(shí)集膚效應(yīng)明顯，所以很少用作導(dǎo)電材料，但是在裸的架空線中，由于要求能承受的機(jī)械應(yīng)力，而銅及鋁線強(qiáng)度不夠，因而經(jīng)常以鋼作為5-8 銅合金主要有哪些？它們具有怎樣的特性？黃銅：機(jī)械強(qiáng)度高，電導(dǎo)率降低不大。青銅：錫銅合金強(qiáng)度提高，硅青銅強(qiáng)度、硬度、耐腐蝕性提高，鋁青銅硬度強(qiáng)度提高。白銅：防腐蝕性好，延展性好。鎳銅：調(diào)整鎳于鋅可得到銀的外觀，用于裝飾。5-9 鋁合金的性能與純鋁相比有何不同？拉伸強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度大幅提高。但鋁的中間金屬化合物一般硬而脆，會(huì)對(duì)機(jī)械性能產(chǎn)生不利影響。5-10 什么是觸頭材料？觸頭材料應(yīng)具有哪些特性？觸頭材料是用于開關(guān)、繼電器、電氣連接及電氣接插元件等開關(guān)電器的核心材料，又稱電觸頭材料或電接觸材料。有強(qiáng)電和弱電兩大類。1. 強(qiáng)電觸頭主要用于電力系統(tǒng)和電氣裝置，要求為低接觸電阻、耐電蝕、耐磨損及具有較高的耐電壓強(qiáng)度、滅弧能力和一定的機(jī)械強(qiáng)度等。2. 弱電觸頭主要用于儀器儀表、電信和電子裝置。具有極好的導(dǎo)電性、極高的化學(xué)穩(wěn)定性、良好的耐磨性及抗電火花燒損性。5-11 常用的觸頭材料主要有哪些？它們各具什么特點(diǎn)？開關(guān)電器對(duì)觸頭材料的要求，最重要的是以下幾個(gè)方面：(1) 良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性；（2）抗熔焊性；（3）耐電弧燒蝕性；（4）大電流分段時(shí)不易發(fā)生電弧重燃；（5）低截流水平；（6）低的氣體含量；（7）化學(xué)穩(wěn)定性；（8）抗環(huán)境介質(zhì)污染。常用的觸頭材料:（1） 銅鎢系觸頭材料：具有良好的耐電弧侵蝕性、抗熔焊性和高強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。用于在油路斷路器和斷路器及其他惰性氣氛的開關(guān)斷路器，不易氧化，對(duì)分解的影響小，觸頭損耗也小少。（2） 銀鎢系觸頭材料：廣泛用語言自動(dòng)開關(guān)、大容量斷路器、塑殼斷路器中。具有良好的熱、電傳導(dǎo)性，耐電弧腐蝕性，金屬遷移的熔焊趨勢小等優(yōu)點(diǎn)。其主要缺點(diǎn)是接觸電阻不穩(wěn)定。（3） 銅鉻系觸頭材料：銅鉻合金具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，為CuCr觸頭大的工作電流和開斷能力提供了保證。而Cr相對(duì)較高的熔點(diǎn)和硬度保證了觸頭有較好的耐壓和抗熔焊性能，Cr的難以產(chǎn)生熱電子發(fā)射保證了滅弧室在運(yùn)行過程中的 真空度。（4） 銀鎳、銀墨觸頭材料：銀鎳觸頭材料具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，接觸電阻低而穩(wěn)定，電弧侵蝕小兒均勻。（5） 銀氧化錫觸頭材料：銀氧化錫觸頭材料具有耐電磨損、抗熔焊、接觸電阻低而穩(wěn)定的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電流從幾十安到幾千安，電壓從幾伏到上千伏的多種低壓電器中。5-12 電碳材料具有什么特性？主要用于何處？1. 電碳材料是以碳和石墨為基體的電工材料。電碳材料優(yōu)良特性如下：1) 具有良好的導(dǎo)電能力，具有很大的各向異性；2）較高的熱導(dǎo)率（介于鋁和軟之間）；3）耐高溫，且高溫力學(xué)性能好，在真空或保護(hù)氣氛中，能在3000左右高溫下工作（可作為高溫發(fā)熱體）。在2500內(nèi)隨溫度升高而增大；4）密度?。ń橛阡X和鎂之間）；5）與液態(tài)金屬不浸潤；6）化學(xué)穩(wěn)定性好，僅與強(qiáng)氧化劑作用；7）具有自潤滑性；8）熱發(fā)射電流隨溫度升高而增大。2. 電碳材料主要用于制造電工設(shè)備的固定電接觸或轉(zhuǎn)動(dòng)電接觸的零部件等電碳制品。如，電機(jī)的電刷，電力開關(guān)和繼電器的石墨觸頭等。此外，還可用于弧光放電的石墨電極，光譜分析用的碳棒，碳膜及碳電阻，碳和石墨電熱元件，干電池碳棒，大型電子管石墨陽極以及熔融金屬用的電極等。5-13 石墨材料為什么軟而滑？石墨的晶體結(jié)構(gòu)為六方層狀結(jié)構(gòu)，同層原子為共價(jià)鍵結(jié)合層，層間的結(jié)合力為范德華力，由于層間結(jié)合弱，受力可滑動(dòng)，因此石墨材料較軟，且具有自潤滑性。5-14 什么是超導(dǎo)材料？超導(dǎo)體應(yīng)具有什么特性？1. 定義：材料的電阻隨著溫度的降低會(huì)發(fā)生降低，在溫度接近絕對(duì)零度時(shí)，電阻率會(huì)趨于一個(gè)極低的常數(shù)，這一常數(shù)稱為剩余電阻；某些材料會(huì)出現(xiàn)當(dāng)溫度降低到某一程度時(shí)電阻突然消失的現(xiàn)象，我們稱之為超導(dǎo)現(xiàn)象。2. 當(dāng)材料處于超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，應(yīng)具有以下三個(gè)特性：（1） 完全導(dǎo)電性 超導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)時(shí)，其電阻率實(shí)際上等于零。例如：室溫下將超導(dǎo)體放入磁場中，冷卻到低溫進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，去掉外加磁場后，線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于沒有電阻，此電流將永不衰減，即超導(dǎo)體中“持久電流”。（2） 完全抗磁性 不論開始時(shí)有無外磁場，只有TTc，超導(dǎo)體變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)后，體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為零，即超導(dǎo)體能把磁力線全部排斥到體外，這種現(xiàn)象為邁斯納效應(yīng)。（3） 即使在低于臨界溫度以下，若進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)的電流強(qiáng)度以及周圍的次磁場強(qiáng)度超過某一值時(shí)，超導(dǎo)的狀態(tài)被破壞，而成為普通的常導(dǎo)狀態(tài)，電流和磁場的這種臨界值分別成為臨界電流Ic和臨界磁場Hc。5-15 超導(dǎo)材料如何分類？常用的超導(dǎo)材料都有哪些？1. 超導(dǎo)體可以依據(jù)它們?cè)诖艌鲋械拇呕匦苑譃閮纱箢悾海?） 第一類超導(dǎo)體：只有一個(gè)臨界磁場Hc，超導(dǎo)態(tài)具有邁納斯效應(yīng)，表面層的超導(dǎo)電流維持體內(nèi)完全抗磁性。除Nb、V、Tc以外，其他的超導(dǎo)金屬元素都屬于這一類。（2） 第二類超導(dǎo)體：有兩個(gè)臨界磁場Hc1和Hc2。當(dāng)外加磁場H0Hc1時(shí)，同第一類，超導(dǎo)體具有邁納斯效應(yīng)，體內(nèi)沒有磁感應(yīng)線穿過。當(dāng)Hc1H0Hc2時(shí)，處于混合態(tài)，這時(shí)體內(nèi)有磁感應(yīng)線穿過，形成許多半徑很小的圓柱形正常態(tài)，正常態(tài)周圍是連通的超導(dǎo)圈。整個(gè)樣品的周界仍有逆磁電流，就是在混合態(tài)也有逆磁性，又沒有電阻。外加 磁場達(dá)到Hc2時(shí)，正常態(tài)區(qū)域擴(kuò)大，超導(dǎo)區(qū)消失，整個(gè)金屬變?yōu)檎B(tài)。金屬鈮屬于典型的第二類超導(dǎo)體。第六章 磁性材料6-1 磁性材料的導(dǎo)磁能力用什么表示？磁性材料的導(dǎo)磁 能力用磁導(dǎo)率來表征。磁體置于外磁場中，它的磁場強(qiáng)度發(fā)生變化，磁場強(qiáng)度M和磁場H的比值：=M/H成為磁體的磁化率。它表示單位磁場強(qiáng)度在磁體中所感應(yīng)的磁化強(qiáng)度，是表征磁體磁化難易程度的一個(gè)參量。將B與H的比值定義為絕對(duì)磁導(dǎo)率：絕對(duì)=B/H將B與0H的比值定義為相對(duì)磁導(dǎo)率： =B/0H=1+磁導(dǎo)率是表征磁體的導(dǎo)磁率以及磁化難易程度的一個(gè)磁學(xué)物理量。絕對(duì)磁導(dǎo)率是有量綱的，其單位是TmA-1或Hm-1，磁化率和相對(duì)磁導(dǎo)率沒有量綱，且均為張量。6-2 磁性材料的分類？一般磁性材料根據(jù)磁化率的大小和方向可分為抗磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性和變磁性等六個(gè)種類。6-3 畫出鐵磁材料的磁滯曲線。6-4 軟磁材料的主要特點(diǎn)是什么？1.軟磁材料是指具有高磁導(dǎo)率和低矯頑力的材料。該類磁性材料容易磁化也容易退磁，在交變磁場作用下磁滯回線面積小且磁損耗低，是電工和電子技術(shù)的基礎(chǔ)材料，廣泛的用于電機(jī)、變壓器、繼電器、電感、互感以及電磁鐵的磁芯等。2.良好的軟磁性能要求材料有盡可能低的磁各向異性和磁致伸縮，低的內(nèi)應(yīng)力，高的電阻率（降低交變場下的渦流損耗）。6-5 軟磁材料主要有哪些？常用的軟磁材料有純鐵、硅鋼、鎳鉻合金（玻莫合金）、鈷鐵合金、鐵基和鈷基非晶態(tài)材料、軟磁鐵氧體、納米晶鐵基合金等。6-6 硬磁材料主要有什么特點(diǎn)？1. 永磁材料又稱為硬磁材料，是一類經(jīng)過外加強(qiáng)磁場磁化再去掉外磁場后能長時(shí)期保留其較高剩余磁性，并能經(jīng)受不太強(qiáng)的外加磁場和其它環(huán)境因素（如溫度和振動(dòng)等）的干擾的強(qiáng)磁材料。因這類強(qiáng)磁材料能長期保留其剩磁，故稱永磁材料，又因其具有高的矯頑力，能經(jīng)受外加不太強(qiáng)的磁場干擾，故又稱為硬磁材料。2. 一般來說，永磁材料具有以下幾點(diǎn)基本要求：（1） 高的最大磁能積（BH）max。強(qiáng)磁材料的B-H磁滯回線的第二和第四象限部分成為退磁曲線，退磁曲線上每一點(diǎn)的磁通密度和磁場強(qiáng)度的乘積BH成為磁能積，其中（BH）最大者稱為最大磁能積，它是永磁材料單位體積存儲(chǔ)和可利用的最大磁能密度的量度。（2） 高的矯頑力BHc和高的內(nèi)稟矯頑力iHc。矯頑力BHc是指強(qiáng)磁材料B-H退磁曲線上B=0處的磁場強(qiáng)度，內(nèi)稟矯頑力iHc則是指強(qiáng)磁材料M-H退磁曲線上M=0的磁場強(qiáng)度，M為磁化強(qiáng)度。BHc和iHc是永磁材料抵抗磁的和非磁的干擾而保持其永磁特性的量度，高矯頑力值能從具有強(qiáng)磁晶各向異性的永磁材料中獲得。（3） 高的剩余磁通密度Br和高的剩余磁化強(qiáng)度Mr。Br和Mr是永磁材料閉合磁路在經(jīng)過外加磁場磁化后磁場為零時(shí)的磁通密度和磁化強(qiáng)度，它們是開磁路的氣隙中能得到的磁場磁通密度的量度。（4） 高的穩(wěn)定性，即對(duì)外加干擾磁場和溫度、震動(dòng)等非磁性環(huán)境因素變化的穩(wěn)定性。6-7 硬磁材料主要有哪些？目前根據(jù)永磁材料其成分和磁性等特點(diǎn)，可分為金屬永磁材料、鐵氧體永磁材料、稀土永磁材料。6-8 什么是磁致伸縮效應(yīng)，有何應(yīng)用？1. 磁致伸縮是指在交變磁場的作用下，物體產(chǎn)生于交變磁場頻率相同的機(jī)械振動(dòng)；或者相反，在拉伸、壓縮力作用下，由于材料的長度發(fā)生變化，使材料內(nèi)部磁通密度相應(yīng)的發(fā)生變化，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。2. 工程中常用磁致伸縮材料制成各種超聲器件，如超聲波發(fā)生器、超聲接收器、超聲探傷器、超聲鉆頭、超聲焊機(jī)等；回聲器件，如聲吶、回聲探測儀等；機(jī)械濾波器、混頻器、壓力傳感器以及超聲延遲線等。第七章 發(fā)電設(shè)備7-1 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由哪些部件構(gòu)成?有何特點(diǎn)？發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)子鐵芯、勵(lì)磁繞組、護(hù)環(huán)和風(fēng)扇組成。由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)子收到了離心力很大，所以轉(zhuǎn)子都呈細(xì)長型，且制成隱極式，以便更好地固定勵(lì)磁繞組。7-2 汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣都包括哪些內(nèi)容？定子繞組絕緣包括股間絕緣、排間絕緣、換位部件的加強(qiáng)絕緣和線棒的主絕緣。7-3 發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的意義何在？目前主要的冷卻介質(zhì)有哪些？發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生的各種損耗轉(zhuǎn)化為熱能，會(huì)引起發(fā)電機(jī)發(fā)熱，尤其是大型汽輪發(fā)電機(jī)，因其結(jié)構(gòu)細(xì)長，中部熱量不易散發(fā)發(fā)熱問題顯得更為嚴(yán)重，發(fā)電機(jī)的發(fā)熱部件，主要是定子繞組、定子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組以及鐵芯兩端的金屬部件，必須通過高效的冷卻措施，使這些部件發(fā)出的熱量及時(shí)散發(fā)出去，保證發(fā)電機(jī)各部分溫度不超過允許值。目前大型發(fā)電機(jī)的冷卻介質(zhì)主要有空氣、氫氣、水和油。7-4 水輪發(fā)電機(jī)的布置方式、主要組成部件有哪些？水輪發(fā)電機(jī)組的布置方式，按機(jī)組軸線方向可分為立軸布置和臥軸布置兩類。水輪發(fā)電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)架、推力軸承、導(dǎo)軸承、冷卻器、制動(dòng)器等部件組成。7-5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)按傳動(dòng)形式可分為哪幾類？分別有何特點(diǎn)？1）高傳動(dòng)比齒輪箱型：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的齒輪箱的主要功能是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。發(fā)電機(jī)的體積小，并可以和電網(wǎng)直接連接，但齒輪箱帶來的噪音、故障率高和維護(hù)成本大。2）直接驅(qū)動(dòng)型：應(yīng)用多級(jí)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以免去風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中常見的齒輪箱，讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接拖動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)在低速狀態(tài)，這就沒有了齒輪箱所帶來的噪聲，故障率高和維護(hù)成本大的問題，提高了運(yùn)行可靠性。3）中傳動(dòng)比齒輪箱：是以上兩種形式的結(jié)合。減小了傳統(tǒng)齒輪箱的傳動(dòng)比和多級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的級(jí)數(shù)，從而減小了發(fā)電機(jī)的體積。7-6 交流勵(lì)磁變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)組的優(yōu)缺點(diǎn)有哪些？優(yōu)點(diǎn)是：允許發(fā)電機(jī)在同步速上下30%的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行，簡化了調(diào)整設(shè)置，減少了調(diào)速時(shí)的機(jī)械應(yīng)力，同時(shí)使機(jī)組控制更加靈活、方便，提高了機(jī)組的運(yùn)行效率；需要變頻控制的功率僅是電機(jī)額定容量的一部分，使變頻裝置體積減小，成本降低，投資減少，并且可以實(shí)現(xiàn)有功、無功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)。缺點(diǎn)是：雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須使用齒輪箱，隨著發(fā)電機(jī)組功率的提高，齒輪箱成本變得很高，且容易出現(xiàn)故障，需要經(jīng)常維護(hù)，同時(shí)齒輪箱也是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲污染的一個(gè)主要因素，在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，效率低，電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組有集電環(huán)、電刷，增加維護(hù)和故障率，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。7-7影響太陽能電池效率的主要因素有？1）太陽能電池的理論效率存在極限值。由于只有能量高于半導(dǎo)體帶隙的光子才能對(duì)太陽能電池作出貢獻(xiàn)，而且不論能量多高，每一個(gè)光子只能產(chǎn)生一對(duì)電子和空穴，這兩點(diǎn)將單結(jié)太陽能電池的極限效率限制在了44%左右。2）太陽能電池的效率還收到光生載流子符合過程、各種寄生電阻等問題的嚴(yán)重影響。3）太陽能電池的工作條件(太陽光入射強(qiáng)度和溫度)對(duì)效率也有非常大的影響。7-8根據(jù)材料的不同，太陽能電池有哪幾種分類?各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？1.體電池1）單晶硅：具有統(tǒng)一的晶相結(jié)構(gòu)；2）多晶硅：由于有晶界存在，晶相不一致，表面減反射效果差，缺陷較多，電池效率比單晶硅效率低，但多晶硅材料適合批量制造，成本低于單晶硅。2.薄膜太陽能材料1）硅系薄膜太陽能材料：非晶硅具有較高的光吸收系數(shù)，可以薄膜化，非晶硅的禁帶寬度比晶硅大，開路電壓高，高溫性和光響應(yīng)性能好，主要原料硅烷，資源豐富。缺點(diǎn)是光電轉(zhuǎn)換效率低，光致衰減現(xiàn)象非常嚴(yán)重。2）化合物薄膜太陽能電池：化合物半導(dǎo)體的禁帶寬度在1-1.7eV范圍內(nèi)可調(diào)，與太陽譜匹配較好，對(duì)光吸收系數(shù)大，對(duì)溫度不敏感，弱光特性好，可在較高溫度下使用，無光電衰退效應(yīng)。3）有機(jī)薄膜太陽能電池：具有正溫度系數(shù)，使用壽命可達(dá)15-20年，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。缺點(diǎn)是需要用到電解液。7-9簡單論述太陽能發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成及其各部分的功能。1）太陽能電池組件及電纜、匯流箱：將各電池組件串接、防止逆流元件相互并聯(lián)連接，同時(shí)配備旁路元件和接線箱等附件。2）控制器：控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)蓄電池起到過充電保護(hù)，過放電保護(hù)的作用，同時(shí)兼具最大功率點(diǎn)跟蹤，溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋?）蓄電池：儲(chǔ)存電能，直接并網(wǎng)系統(tǒng)可不采用蓄電池。4）逆變器：直流變?yōu)榻涣骷罢{(diào)壓。5）其他：監(jiān)控與通信、雷電保護(hù)等輔助設(shè)備。7-10 請(qǐng)描述燃料電池和原電池的異同點(diǎn)。原電池是用于儲(chǔ)存電能的化學(xué)裝置，充電時(shí)電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，放電時(shí)將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，并不直接產(chǎn)生電，而且一充一放，電能使用效率低。而燃料電池只要通入燃料氣和氧化氣，電化學(xué)反應(yīng)就可以一直持續(xù)產(chǎn)生電，是一種發(fā)電裝置。7-11 試分析火力、水利、核能、燃料電池發(fā)電模式的優(yōu)缺點(diǎn)。火力 優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟、成本較低、常規(guī)化化石燃料容易獲得； 缺點(diǎn)：耗能大、效率低、污染大、運(yùn)輸壓力大。水力 優(yōu)點(diǎn)：無污染，可再生； 缺點(diǎn)：受季節(jié)和氣候因素影響大，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成一定破壞。核能 優(yōu)點(diǎn)：不產(chǎn)生溫室氣體，燃料運(yùn)輸壓力??； 缺點(diǎn)：放射性，退役處理處置難度大，建設(shè)成本高。燃料電池 優(yōu)點(diǎn)：能源轉(zhuǎn)換效率高，清潔環(huán)保，可靠性和操作性好，噪聲低，燃料廣泛，占地面積小，建廠靈活。 缺點(diǎn)：造價(jià)偏高，管理復(fù)雜。7-12 根據(jù)燃料電池的發(fā)電原理，試設(shè)計(jì)幾種在日常生活中的應(yīng)用實(shí)例。燃料電池可以用作移動(dòng)電源安放在車輛、船舶上；燃料電池可以用于電鍍。7-13 作為燃料電池的結(jié)構(gòu)材料（陽極、電解質(zhì)、陰極），請(qǐng)思考影響其性能的關(guān)鍵部件，并分析原因。電極材料：良好的電子導(dǎo)體，又具有電催化活性，以便實(shí)現(xiàn)快速的電荷交換；化學(xué)活性穩(wěn)定，不與其他材料發(fā)生反應(yīng)；多孔結(jié)構(gòu)，保持一定的孔隙率便于氣體擴(kuò)散；廉價(jià)且具有一定的如循環(huán)特性。電解質(zhì)：為致密層，隔絕陰、陽極氣體；具有較高的離子電導(dǎo)率；具有極低的電子電導(dǎo)率；具有一定的熱穩(wěn)定性；易于加工，經(jīng)濟(jì)可行。7-14 如果已經(jīng)構(gòu)建了一套開路電壓為1.1V，最大電流為10A的單體燃料電池，請(qǐng)根據(jù)要求搭建一個(gè)4400W，110V的燃料電池堆，并畫出模擬電路圖。7-16 請(qǐng)思考燃料電池未能廣泛應(yīng)用的主要原因。1.燃料電池造價(jià)偏高； 2.反應(yīng)/啟動(dòng)性能低； 3.碳?xì)淙剂蠠o法直接利用； 4.氫氣存儲(chǔ)技術(shù)； 5.氫燃料基礎(chǔ)建設(shè)不足。第八章 變電設(shè)備8-1 電力變壓器的主要組成部分是什么？各部分的作用？電力變壓器主要由鐵芯、繞組、油箱、絕緣套管和調(diào)壓裝置等部件構(gòu)成。鐵芯：變壓器的磁路部分，又是你變壓器器身的骨架，由鐵芯柱、鐵扼和夾緊裝置組成。繞組：變壓器的電路部分，由包有絕緣的圓形或矩形的銅導(dǎo)線或鋁導(dǎo)線繞制成的線圈和絕緣件構(gòu)成。油箱：變壓器的盛油容器和支持部件，變壓器器身浸放在油箱內(nèi)。絕緣套管：不僅僅作為高低壓引線對(duì)地的絕緣，而且還起著固定引線的作用。調(diào)壓裝置：又叫分接開關(guān)，是采用倒換高壓繞組的分接頭，改變高壓繞組的匝數(shù)方法進(jìn)行分級(jí)調(diào)壓的裝置。分有載調(diào)壓和無載調(diào)壓兩種；變壓器的結(jié)構(gòu)還有儲(chǔ)油柜、安全氣道、呼吸器、散熱器片、凈油器及測溫裝置等。8-2 變壓器型號(hào) SFPSZ8-63000/220代表的含義是什么？表示第八次改型設(shè)計(jì)三相三繞組、強(qiáng)迫油循環(huán)、風(fēng)冷、銅繞組、有載調(diào)壓、額定容量為63000KV*A，高壓側(cè)為220Kv等級(jí)。8-3 什么是變壓器的相電壓比？它與變壓器的匝數(shù)有什么關(guān)系？相電壓比與變壓器的額定電壓比有什么不同？是一次、二次繞組的電壓比U1/U2=N1/N2=K由于一次、二次繞組的接法不同，額定電壓與相電壓存在比例關(guān)系。8-4電壓互感器的作用是什么？二次測為什么不許短路？在高壓系統(tǒng)中，不能直接裝電壓表測量高電壓，而采用電壓互感器把高電壓按照一定比例變?yōu)榈蛪?，間接測量高電壓。這樣能使高低壓隔離，既能保證人身的設(shè)備的安全，又能使電壓表的量程擴(kuò)大，滿足統(tǒng)一監(jiān)測監(jiān)控回路系統(tǒng)電壓的需要。如果電壓互感器二次側(cè)短路，則二次側(cè)電流很大，極容易燒壞電壓互感器，所以電壓互感器二次側(cè)不允許短路。8-5 電流互感器的作用是什么？二次側(cè)為什么不允許開路？在高壓系統(tǒng)中，不能直接裝電流表測電流，而必須采用電流互感器將電流按一定比例變小，這樣使測量人員和儀表與高電壓隔離，既能保證安全，又能使儀表導(dǎo)線截面變小，可制造輕便、經(jīng)濟(jì)的儀器儀表，而且量程經(jīng)電流互感器的變換可擴(kuò)大范圍，使電流表和其他儀器的額定電流標(biāo)準(zhǔn)化。當(dāng)電流互感器二次側(cè)開路時(shí)，二次電流等于零，副邊磁化力也等于零，一次電流全部變成了激磁電流。這樣在二次線圈中產(chǎn)生很高的電壓，峰值可達(dá)幾千伏，威脅人身安全的儀表安全，使電流互感器的鐵芯過熱，絕緣損壞而燒毀，所以電流互感器二次側(cè)不允許開路。8-6什么是電壓互感器的準(zhǔn)確度級(jí)？我國電壓互感器的準(zhǔn)確度級(jí)有哪些？各適用于什么場合？電壓互感器的準(zhǔn)確級(jí)用來描述一定工況下的誤差允許值。測量用電壓互感器的準(zhǔn)確級(jí)用在規(guī)定的一次電壓、二次負(fù)荷和功率因數(shù)下的最大允許百分誤差來標(biāo)稱，標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確級(jí)分為0.1,0.2,0.5,1,3五級(jí)。保護(hù)用電壓互感器的準(zhǔn)確級(jí)用5%額定電壓到與額定電壓因數(shù)K相對(duì)應(yīng)的電壓范圍內(nèi)最大電壓誤差的百分?jǐn)?shù)來標(biāo)稱，標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確級(jí)有3P和6P。8-7 什么叫消弧線圈，它在系統(tǒng)中起什么作用？消弧線圈又稱消弧電抗器，是一個(gè)帶空氣間隙鐵芯的電感線圈，線圈有多個(gè)抽頭，可以通過改變抽頭接線和鐵芯氣隙改變電感量。接于三相變壓器的中性點(diǎn)與地之間，用以在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)提供電感性電流，以抵消流過接地點(diǎn)的電容性電流，也使得故障相接地電弧兩端的恢復(fù)電壓速度降低，達(dá)到熄滅電弧的目的。當(dāng)消弧線圈正確調(diào)諧時(shí)，還可以有效的減少產(chǎn)生弧光接地過電壓的幾率，有效的抑制過電壓的幅值，同時(shí)也最大限度的減小了故障點(diǎn)熱破壞作用及接地網(wǎng)的電壓等。8-8并聯(lián)電抗器和串聯(lián)電抗器各有什么作用？線路并聯(lián)電抗器可以補(bǔ)償線路的容性充電電流，限制系統(tǒng)電壓升高和操作過電壓的產(chǎn)生，保證線路可靠運(yùn)行。母線串聯(lián)電抗器可以限制短路電流，維持母線有較高的殘壓。而電容器組串聯(lián)電抗器可以限制高次諧波，降低電抗。8-9中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，消弧線圈是否帶有電壓？消弧線圈的結(jié)構(gòu)是一個(gè)鐵芯帶有氣隙的可調(diào)電感線圈一般為單相式。消弧線圈接在系統(tǒng)中性點(diǎn)和地之間，正常情況下中性點(diǎn)電壓為零，線圈中沒有電流。當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，中性點(diǎn)電位升高，而且和故障相電壓相位相反，經(jīng)過消弧線圈感抗后，在線圈中會(huì)產(chǎn)生感性電流，該電流流經(jīng)故障點(diǎn)，并與故障點(diǎn)的容性電流方向相反。當(dāng)選擇合適容量的消弧線圈時(shí)，線圈中的感性電流和非故障相的容性電流正好抵消，從而有利于接地電弧的熄滅。8-10 電力電容器在電力系統(tǒng)中的作用是什么？電力電容器在電力系統(tǒng)中的主要作用是向電力系統(tǒng)提供無功功率，提高功率因數(shù)，減少輸電線路輸送電流，減少線路能量損耗和壓降，改善電能質(zhì)量。8-11 應(yīng)用于電力系統(tǒng)的電容器主要有哪幾類？有什么作用？1. 并聯(lián)電容器：發(fā)出無功功率，提高功率因數(shù)。2. 串聯(lián)電容器：補(bǔ)償線路的分布性電感阻抗，提高系統(tǒng)的靜動(dòng)穩(wěn)定性，增大輸電能力。3. 濾波電容器：濾除諧波4. 電熱電容器：改善中頻的功率因數(shù)或改善回路特性。5. 脈沖電容器：直流線路上主要做整流濾波及倍壓等用途，可稱為直流電容器。在脈沖線路上主要用其儲(chǔ)能的充放電特性，可稱為儲(chǔ)能電容器。6. 標(biāo)準(zhǔn)電容器：用于高壓測量回路中。7. 耦合電容器：主要接在工頻高壓輸電線上做高頻通訊及組成電容分壓器之用。8. 均壓電容器：主要用作高壓斷路器間的附件，并聯(lián)在斷路器的斷口上作均壓之用。8-12電容器對(duì)電介質(zhì)材料有什么影響？1）為了達(dá)到高比容量的目的，應(yīng)采用介電常數(shù)盡可能高的材料；2）為了保證電容器具有純?nèi)菘?，即避免因極化過程造成能量損耗，導(dǎo)致產(chǎn)生熱量，要求具有盡可能低的損耗角正切值，特別要求在高工頻率或脈沖條件使用時(shí)。3）電容器電介質(zhì)還應(yīng)具有高的絕緣電阻值，并保證電阻值在不同頻率與溫度條件下盡可能穩(wěn)定，避免因?yàn)殡s志的分接和材料的老化引起絕緣電阻值的下降。4）要求電介質(zhì)具有高的擊穿電場強(qiáng)度。5）不污染環(huán)境，而且工藝好，與其他材料的相容性好，并對(duì)人體無害或基本無害。8-13 簡述晶閘管正常工作時(shí)的特性。1）當(dāng)晶閘管承受反向電壓的時(shí)候，無論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。2）當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。3）晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值下。8-14 畫出3相橋式整流的結(jié)構(gòu)圖與觸發(fā)角為60時(shí)直流側(cè)與晶閘管上承受的電壓波形？見電力電子書。8-15 逆變顛覆的原因有哪些？逆變時(shí)，一旦換相失敗，外接直流電源會(huì)通過晶閘管電路短路，或使變流器的輸出平均電壓和直流電動(dòng)勢變成順向串聯(lián)，由于逆變電路內(nèi)阻很小，形成很大短路電流。逆變失敗的原因：1.觸發(fā)電路工作不可靠，不能適時(shí)、準(zhǔn)確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失、脈沖延時(shí)等，致使晶閘管不能正常換相。2.晶閘管發(fā)生故障，該斷時(shí)不斷，或該通時(shí)不通。3.交流電源缺相或突然消失。4.換相的裕量角不足，引起換相失敗。8-16 簡述無功補(bǔ)償?shù)脑瓌t無功補(bǔ)償分為集中補(bǔ)償、分散補(bǔ)償和隨機(jī)隨器補(bǔ)償。應(yīng)該遵循全面規(guī)劃、合理布局、分級(jí)補(bǔ)償、就地平衡的原則；集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合，以分散補(bǔ)償為主；高壓補(bǔ)償與低壓補(bǔ)償相結(jié)合，以低壓補(bǔ)償為主；調(diào)壓與降損相結(jié)合，以降損為主的原則。8-17 無功補(bǔ)償有哪些方式，各有什么特點(diǎn)？1.并聯(lián)電容器補(bǔ)償：結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)方便，補(bǔ)償容量與供電電壓平方成正比。2.串聯(lián)電容器：利用其容抗抵消部分線路的感抗，相當(dāng)于縮短了線路的電氣距離，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定極限和送點(diǎn)能力。3.調(diào)相機(jī)：既能過勵(lì)磁輸出感性功率，又能欠勵(lì)磁運(yùn)行吸收感性功率，可以供給無功功率、改善功率因數(shù)，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)電壓。改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4.并聯(lián)電抗器：主要以吸收系統(tǒng)中的容性無功功率。5.靜止無功補(bǔ)償器（SVC）：雙向連續(xù)、平滑調(diào)節(jié)無功功率，運(yùn)行維護(hù)簡單，調(diào)節(jié)速度快，但其本身產(chǎn)生的諧波需要進(jìn)行抑制，否則會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成污染。第九章 開關(guān)設(shè)備9-1開關(guān)電器的功能是什么？開關(guān)電器是一種重要的輸配電設(shè)備，是電力系統(tǒng)中發(fā)電、輸電、變電、供電、配電、用電各環(huán)節(jié)以及電力拖動(dòng)系統(tǒng)中重要的控制和保護(hù)設(shè)備。開關(guān)電器的主要功能是接通和斷開電路，即對(duì)電路進(jìn)行“開通”和“關(guān)斷”，具體來講。開關(guān)電器的主要作用表現(xiàn)控制作用、保護(hù)作用、隔離作用、接地保護(hù)。9-2開關(guān)電器有哪些類型?開關(guān)電器按照使用電壓的高低分為高壓開關(guān)電器和低壓開關(guān)電器；按照安裝地點(diǎn)分為戶內(nèi)和戶外兩類；按照功能分為斷路器，隔離開關(guān)，熔斷器，負(fù)荷開關(guān)，自動(dòng)重合器和自動(dòng)分段器；按照組裝方式分為裝配式和成套式。9-3開關(guān)電器的主要技術(shù)參數(shù)有哪些？開關(guān)電器的主要技術(shù)參數(shù)包括額定電壓、額定絕緣水平、額定電流、穩(wěn)定短時(shí)耐受電流、額定短路開斷電流、額定短路關(guān)合電