Materiale electrice, proprietățile și aplicațiile lor

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-17 10:39

Funcționarea eficientă și durabilă a mașinilor și instalațiilor electrice depinde direct de starea de izolare, pentru care se folosesc materiale electrice. Ele se caracterizează printr-un set de anumite proprietăți atunci când sunt plasate într-un câmp electromagnetic și sunt instalate în dispozitive ținând cont de acești indicatori.

Clasificarea materialelor electrice ne permite să ne împărțim în grupuri separate de materiale electroizolante, semiconductoare, conductoare și magnetice, care sunt completate de produse de bază: condensatoare, fire, izolatoare și elemente semiconductoare finite.

Materialele funcționează atât în câmpuri magnetice sau electrice separate, cu anumite proprietăți, și sunt expuse la mai multe radiații în același timp. Materialele magnetice sunt împărțite condiționat în magneți și substanțe slab magnetice. În inginerie electrică, materialele puternic magnetice sunt cele mai utilizate pe scară largă.

Științamateriale

Un material este o substanță caracterizată printr-o compoziție chimică, proprietăți și structură a moleculelor și atomilor diferite de alte obiecte. Materia se află într-una din cele patru stări: gazoasă, solidă, plasmă sau lichidă. Materialele electrice și structurale îndeplinesc o varietate de funcții în instalație.

Materialele conductoare realizează transmiterea fluxului de electroni, componentele dielectrice asigură izolarea. Utilizarea elementelor rezistive transformă energia electrică în energie termică, materialele structurale păstrează forma produsului, de exemplu, carcasa. Materialele electrice și structurale îndeplinesc în mod necesar nu una, ci mai multe funcții conexe, de exemplu, dielectricul în funcționarea unei instalații electrice suferă sarcini, ceea ce îl apropie de materialele structurale.

Știința materialelor electrotehnice este o știință care se ocupă cu determinarea proprietăților, studiul comportamentului unei substanțe atunci când este expusă la electricitate, căldură, îngheț, câmp magnetic etc. Știința studiază caracteristicile specifice necesare pentru a crea electricitate. mașini, dispozitive și instalații.

Dirijori

Acestea includ materiale electrice, al căror principal indicator este conductivitatea pronunțată a curentului electric. Acest lucru se întâmplă deoarece electronii sunt prezenți în mod constant în masa materiei, legați slab de nucleu și fiind purtători de sarcină liberi. Se deplasează de pe orbita unei molecule în alta și creează un curent. Principalele materiale conductoare sunt cuprul, aluminiul.

Conductorii includ elemente care au rezistivitate electrică ρ < 10^-5, în timp ce un conductor excelent este un material cu un indicator de 10^{-8Ohmm. Toate metalele conduc bine curentul, din 105 elemente ale tabelului doar 25 nu sunt metale, iar din acest grup eterogen 12 materiale conduc curentul electric și sunt considerate semiconductori.}

Fizica materialelor electrice permite utilizarea lor ca conductori în stare gazoasă și lichidă. Ca metal lichid cu o temperatură normală, se folosește numai mercur, pentru care aceasta este o stare naturală. Metalele rămase sunt folosite ca conductoare lichide numai atunci când sunt încălzite. Pentru conductori se folosesc și lichide conductoare, cum ar fi electrolitul. Proprietățile importante ale conductoarelor, care le permit să fie distinse după gradul de conductivitate electrică, sunt caracteristicile conductivității termice și capacitatea de generare termică.

Materiale dielectrice

Spre deosebire de conductori, masa dielectricilor conține un număr mic de electroni alungiți liberi. Principala proprietate a unei substanțe este capacitatea sa de a obține polaritate sub influența unui câmp electric. Acest fenomen se explică prin faptul că sub acțiunea electricității, sarcinile legate se deplasează spre forțele care acționează. Distanța de deplasare este mai mare, cu atât intensitatea câmpului electric este mai mare.

Materiale electrice izolante sunt cu cât mai aproape de ideal, cu atât mai puținun indicator al conductivității specifice, iar gradul de polarizare mai puțin pronunțat, ceea ce face posibilă aprecierea disipării și eliberării energiei termice. Conductivitatea unui dielectric se bazează pe acțiunea unui număr mic de dipoli liberi care se deplasează în direcția câmpului. După polarizare, dielectricul formează o substanță cu polaritate diferită, adică la suprafață se formează două semne diferite de sarcini.

Utilizarea dielectricilor este cea mai extinsă în inginerie electrică, deoarece sunt utilizate caracteristicile active și pasive ale elementului.

Materiale active cu proprietăți ușor de gestionat includ:

• piroelectrice;
• electrofosfori;
• piezoelectrice;
• feroelectrice;
• electreți;
• materiale pentru emițători laser.

Principalele materiale electrice - dielectrice cu proprietăți pasive, sunt utilizate ca materiale izolatoare și condensatoare de tip obișnuit. Ele sunt capabile să separe două secțiuni ale circuitului electric una de ceal altă și să împiedice fluxul de sarcini electrice. Cu ajutorul lor, piesele purtătoare de curent sunt izolate astfel încât energia electrică să nu intre în pământ sau în carcasă.

Separare dielectrică

Dielectricii sunt împărțiți în materiale organice și anorganice, în funcție de compoziția chimică. Dielectricii anorganici nu conțin carbon în compoziția lor, în timp ce formele organice au carbonul ca element principal. substanțe anorganice precum ceramica,mica, au un grad ridicat de incalzire.

Materialele electrotehnice conform modului de obținere se împart în dielectrici naturali și artificiali. Utilizarea pe scară largă a materialelor sintetice se bazează pe faptul că fabricarea vă permite să oferiți materialului proprietățile dorite.

În funcție de structura moleculelor și rețeaua moleculară, dielectricii sunt împărțiți în polari și nepolari. Acestea din urmă sunt numite și neutre. Diferența constă în faptul că înainte ca curentul electric să înceapă să acționeze asupra lor, atomii și moleculele fie au sau nu au sarcină electrică. Grupul neutru include fluoroplastica, polietilena, mica, cuartul etc. Dielectricii polari constau din molecule cu sarcina pozitiva sau negativa, un exemplu este clorura de polivinil, bachelita.

Proprietățile dielectricilor

Deoarece dielectricii sunt împărțiți în gazoase, lichide și solide. Cele mai frecvent utilizate materiale electrice solide. Proprietățile și aplicațiile lor sunt evaluate folosind indicatori și caracteristici:

• rezistivitate de volum;
• constantă dielectrică;
• rezistivitate la suprafață;
• coeficient de permeabilitate termică;
• pierderi dielectrice exprimate ca tangenta unghiului;
• rezistența materialului sub acțiunea electricității.

Rezistivitatea volumului depinde de capacitatea unui material de a rezista curgerii unui curent constant prin el. Reciprocul rezistivității se numește specific de volumconductivitate.

Rezistivitatea suprafeței este capacitatea unui material de a rezista curentului continuu care curge pe suprafața sa. Conductivitatea suprafeței este inversul valorii anterioare.

Coeficientul de permeabilitate termică reflectă gradul de modificare a rezistivității după creșterea temperaturii unei substanțe. De obicei, pe măsură ce temperatura crește, rezistența scade, prin urmare, valoarea coeficientului devine negativă.

Constanta dielectrică determină utilizarea materialelor electrice în conformitate cu capacitatea materialului de a crea capacitatea electrică. Indicatorul permeabilității relative a dielectricului este inclus în conceptul de permeabilitate absolută. Modificarea capacității izolației este evidențiată de coeficientul anterior de permeabilitate termică, care arată simultan o creștere sau scădere a capacității cu o schimbare a temperaturii.

Tangenta de pierdere dielectrică reflectă cantitatea de pierdere de putere dintr-un circuit în raport cu materialul dielectric supus unui curent electric alternativ.

Materialele electrice se caracterizează printr-un indicator al rezistenței electrice, care determină posibilitatea distrugerii unei substanțe sub influența stresului. Când se identifică rezistența mecanică, există o serie de teste pentru a stabili un indicator al rezistenței finale la compresiune, tensiune, încovoiere, torsiune, impact și despicare.

Proprietățile fizice și chimice ale dielectricilor

Dielectricii conțin un anumit număracizi eliberați. Cantitatea de potasiu caustic în miligrame necesară pentru a scăpa de impuritățile dintr-o substanță se numește număr de acid. Acizii distrug materialele organice, au un efect negativ asupra proprietăților de izolare.

Caracteristica materialelor electrice este completată de un coeficient de vâscozitate sau de frecare, care arată gradul de fluiditate al unei substanțe. Vâscozitatea este împărțită în condiționată și cinematică.

Gradul de absorbție a apei este determinat în funcție de masa de apă absorbită de elementul de dimensiunea testului după o zi de a fi în apă la o anumită temperatură. Această caracteristică indică porozitatea materialului, creșterea valorii degradează proprietățile izolante.

Materiale magnetice

Indicatorii pentru evaluarea proprietăților magnetice se numesc caracteristici magnetice:

• permeabilitate absolută magnetică;
• permeabilitate relativă magnetică;
• permeabilitate magnetică termică;
• energie a câmpului magnetic maxim.

Materiale magnetice sunt împărțite în dure și moi. Elementele moi se caracterizează prin pierderi mici atunci când magnitudinea magnetizării corpului rămâne în urmă câmpului magnetic care acționează. Sunt mai permeabile la undele magnetice, au o forță coercitivă mică și o saturație inductivă crescută. Ele sunt utilizate în construcția de transformatoare, mașini și mecanisme electromagnetice, ecrane magnetice și alte dispozitive unde este necesară magnetizarea cu energie scăzută.omisiuni. Acestea includ fier electrolit pur, fier - armco, permalloy, table de oțel electric, aliaje de nichel-fier.

Materialele solide se caracterizează prin pierderi semnificative atunci când gradul de magnetizare rămâne în urma unui câmp magnetic extern. După ce au primit impulsuri magnetice o dată, astfel de materiale și produse electrice sunt magnetizate și rețin energia acumulată pentru o lungă perioadă de timp. Au o forță coercitivă mare și o capacitate reziduală mare de inducție. Elementele cu aceste caracteristici sunt utilizate pentru fabricarea magneților staționari. Elementele sunt reprezentate de aliaje pe bază de fier, aluminiu, nichel, cob alt, componente din siliciu.

Magnetodielectrice

Aceste materiale sunt amestecate, care conțin 75-80% pulbere magnetică, restul masei este umplută cu un dielectric organic cu polimer în alt. Feritele și magnetodielectricii au valori ridicate ale rezistivității de volum, pierderi mici de curent turbionar, ceea ce le permite să fie utilizate în tehnologia de în altă frecvență. Feritele au performanțe stabile în diferite câmpuri de frecvență.

Domeniul de utilizare al feromagneților

Sunt folosite cel mai eficient pentru a crea miezurile bobinelor transformatorului. Utilizarea materialului vă permite să creșteți foarte mult câmpul magnetic al transformatorului, fără a modifica citirile curente. Astfel de inserții din ferite vă permit să economisiți consumul de energie electrică în timpul funcționării dispozitivului. Materialele și echipamentele electrice după oprire rețin efectul magnetic externindicatoare magnetice și menține câmpul în spațiul adiacent.

Curenții elementari nu trec după ce magnetul este oprit, creând astfel un magnet permanent standard care funcționează eficient în căști, telefoane, instrumente de măsură, busole, înregistratoare de sunet. Magneții permanenți care nu conduc electricitatea sunt foarte populari în aplicare. Ele sunt obținute prin combinarea oxizilor de fier cu diverși alți oxizi. Minereul de fier magnetic este o ferită.

Materiale semiconductoare

Aceste elemente au o valoare a conductibilității care se află în domeniul acestui indicator pentru conductori și dielectrici. Conductivitatea acestor materiale depinde direct de manifestarea impurităților în masă, de direcțiile exterioare de impact și de defectele interne.

Caracteristicile materialelor electrice ale grupului de semiconductori indică o diferență semnificativă între elemente între ele în rețeaua structurală, compoziție, proprietăți. În funcție de parametrii specificați, materialele sunt împărțite în 4 tipuri:

1. Elemente care conțin atomi de același tip: siliciu, fosfor, bor, seleniu, indiu, germaniu, galiu etc.
2. Materiale care conțin oxizi de metal - cupru, oxid de cadmiu, oxid de zinc etc.
3. Materiale combinate în grupul antimonide.
4. Materiale organice - naftalină, antracen etc.

În funcție de rețeaua cristalină, semiconductorii sunt împărțiți în materiale policristaline și monocristalineelemente. Caracteristicile materialelor electrice le permite să fie împărțite în nemagnetice și slab magnetice. Dintre componentele magnetice se disting semiconductori, conductori și elemente neconductoare. O distribuție clară este dificil de realizat, deoarece multe materiale se comportă diferit în condiții în schimbare. De exemplu, funcționarea unor semiconductori la temperaturi scăzute poate fi comparată cu funcționarea izolatoarelor. Aceiași dielectrici funcționează ca semiconductori atunci când sunt încălziți.

Materiale compozite

Materialele care nu sunt împărțite după funcție, ci după compoziție, se numesc materiale compozite, acestea sunt și materiale electrice. Proprietățile și aplicarea lor se datorează combinației de materiale utilizate în fabricație. Exemple sunt componentele din fibră de sticlă, fibra de sticlă, amestecurile de metale conductoare electric și refractare. Utilizarea amestecurilor echivalente vă permite să identificați punctele forte ale materialului și să le aplicați în scopul propus. Uneori, o combinație de compozite are ca rezultat un element complet nou cu proprietăți diferite.

Materiale de film

Filmele și benzile ca materiale electrice au câștigat o mare arie de aplicare în inginerie electrică. Proprietățile lor diferă de alte dielectrice prin flexibilitate, rezistență mecanică suficientă și caracteristici excelente de izolare. Grosimea produselor variază în funcție de material:

• filmele sunt realizate cu o grosime de 6-255 microni, benzile sunt produse în 0,2-3,1 mm;
• produsele din polistiren sub formă de benzi și filme sunt produse cu o grosime de 20-110 microni;
• benzile din polietilenă sunt realizate cu o grosime de 35-200 microni, o lățime de 250 până la 1500 mm;
• Filmele fluoroplastice sunt realizate cu o grosime de 5 până la 40 de microni, o lățime de 10-210 mm.

Clasificarea materialelor electrice din film ne permite să distingem două tipuri: filme orientate și neorientate. Primul material este folosit cel mai des.

Lacuri și emailuri pentru izolații electrice

Soluțiile de substanțe care formează o peliculă în timpul solidificării sunt materiale electrice moderne. Această grupă include bitum, uleiuri sicative, rășini, eteri de celuloză sau compuși și combinații ale acestor componente. Transformarea unei componente vâscoase într-un izolator are loc după evaporarea din masa solventului aplicat și formarea unui film dens. În funcție de metoda de aplicare, peliculele sunt împărțite în adeziv, impregnare și acoperire.

Lacurile de impregnare se folosesc la infasurarile instalatiilor electrice in scopul cresterii coeficientului de conductivitate termica si rezistenta la umiditate. Lacurile de acoperire creează un strat superior de protecție împotriva umezelii, înghețului, uleiului pentru suprafața înfășurărilor, materiale plastice, izolație. Componentele adezive sunt capabile să lipească plăcile de mica de alte materiale.

Compuși pentru izolarea electrică

Aceste materiale sunt prezentate ca o soluție lichidă în momentul utilizării, urmată de solidificare și întărire. Substanțele se caracterizează prin faptul că nu conțin solvenți. Compușii aparțin și grupului „materiale electrotehnice”. Tipurile lor sunt de umplere și impregnare. Primul tip este folosit pentru a umple cavitățile din manșoanele cablurilor, iar al doilea grup este folosit pentru a impregna înfășurările motorului.

Compușii sunt fabricați termoplastic, se înmoaie după creșterea temperaturii și termorigide, păstrând ferm forma de întărire.

Materiale izolante electrice fibroase, neimpregnate

Pentru producerea unor astfel de materiale se folosesc fibre organice și componente create artificial. Fibrele vegetale naturale din mătase naturală, in, lemn sunt transformate în materiale de origine organică (fibră, țesătură, carton). Umiditatea acestor izolatoare variază între 6-10%.

Materialele sintetice organice (kapron) conțin umiditate doar de la 3 la 5%, aceeași saturație cu umiditatea și fibrele anorganice (fibră de sticlă). Materialele anorganice se caracterizează prin incapacitatea lor de a se aprinde atunci când sunt încălzite semnificativ. Dacă materialele sunt impregnate cu emailuri sau lacuri, atunci combustibilitatea crește. Aprovizionarea cu materiale electrice se face unei intreprinderi pentru fabricarea de masini si aparate electrice.

Leteroid

Fibra subțire este produsă în foi și rulată într-o rolă pentru transport. Este folosit ca material pentru fabricarea garniturilor de izolare, a dielectricilor formați, a șaibelor. Hârtia impregnată cu azbest și cartonul de azbest sunt fabricate din azbest crisolit, împărțindu-l în fibre. Azbestul este rezistent la medii alcaline, dar este distrus în medii acide.

În concluzie, trebuie menționat că odată cu utilizarea materialelor moderne pentru izolarea aparatelor electrice, durata de viață a acestora a crescut semnificativ. Pentru corpurile instalațiilor se folosesc materiale cu caracteristici alese, ceea ce face posibilă producerea de noi echipamente funcționale cu performanțe îmbunătățite.