Електрически материали, техните свойства и приложения

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 10:19

Ефективната и издръжлива работа на електрическите машини и инсталации директно зависи от състоянието на изолацията, за която се използват електрически материали. Те се характеризират с набор от определени свойства, когато са поставени в електромагнитно поле, и се инсталират в устройства, като се вземат предвид тези показатели.

Класификацията на електрическите материали ни позволява да разделим на отделни групи електрически изолационни, полупроводникови, проводникови и магнитни материали, които се допълват от основни продукти: кондензатори, проводници, изолатори и готови полупроводникови елементи.

Материалите работят както в отделни магнитни, така и в електрически полета с определени свойства и са изложени на няколко радиации едновременно. Магнитните материали условно се разделят на магнити и слабо магнитни вещества. В електротехниката най-широко се използват силно магнитните материали.

Наука заматериали

Материалът е вещество, характеризиращо се с химически състав, свойства и структура на молекули и атоми, различни от другите обекти. Материята е в едно от четирите състояния: газообразно, твърдо, плазмено или течно. Електрическите и конструктивни материали изпълняват различни функции в инсталацията.

Проводими материали осъществяват предаването на електронния поток, диелектричните компоненти осигуряват изолация. Използването на резистивни елементи преобразува електрическата енергия в топлинна енергия, структурните материали запазват формата на продукта, например корпуса. Електрическите и конструктивните материали непременно изпълняват не една, а няколко свързани функции, например диелектрикът при работата на електрическа инсталация изпитва натоварвания, което го доближава до конструктивните материали.

Електротехническите материалознание е наука, която се занимава с определянето на свойствата, изучаването на поведението на веществото, когато е изложено на електричество, топлина, замръзване, магнитно поле и др. Науката изучава специфичните характеристики, необходими за създаване на електрически машини, устройства и инсталации.

Проводници

Те включват електрически материали, чийто основен индикатор е изразената проводимост на електрическия ток. Това се случва, защото електроните постоянно присъстват в масата на материята, слабо свързани с ядрото и са свободни носители на заряд. Те се движат от орбитата на една молекула в друга и създават ток. Основните проводни материали са мед, алуминий.

Проводниците включват елементи, които имат електрическо съпротивление ρ < 10^-5, докато отличен проводник е материал с индикатор 10^{-8Омм. Всички метали провеждат добре тока, от 105 елемента в таблицата само 25 не са метали, а от тази хетерогенна група 12 материала провеждат електрически ток и се считат за полупроводници.}

Физиката на електрическите материали позволява използването им като проводници в газообразно и течно състояние. Като течен метал с нормална температура се използва само живак, за който това е естествено състояние. Останалите метали се използват като течни проводници само при нагряване. За проводници се използват и проводими течности, като електролит. Важни свойства на проводниците, позволяващи им да бъдат разграничени по степента на електрическа проводимост, са характеристиките на топлопроводимостта и способността за генериране на топлина.

Диелектрични материали

За разлика от проводниците, масата на диелектриците съдържа малък брой свободни удължени електрони. Основното свойство на веществото е способността му да получава полярност под въздействието на електрическо поле. Това явление се обяснява с факта, че под действието на електричеството свързаните заряди се придвижват към действащите сили. Разстоянието на преместване е по-голямо, толкова по-висока е силата на електрическото поле.

Изолационните електрически материали са колкото по-близо до идеала, толкова по-малкоиндикатор за специфична проводимост и по-слабо изразената степен на поляризация, което дава възможност да се прецени разсейването и освобождаването на топлинна енергия. Проводимостта на диелектрика се основава на действието на малък брой свободни диполи, изместващи се по посока на полето. След поляризация диелектрикът образува вещество с различна полярност, тоест на повърхността се образуват два различни знака на заряди.

Използването на диелектрици е най-широко в електротехниката, тъй като се използват активните и пасивните характеристики на елемента.

Активните материали с управляеми свойства включват:

• пироелектрици;
• електрофосфори;
• пиезоелектрици;
• фероелектрици;
• електрети;
• материали за лазерни излъчватели.

Основните електрически материали - диелектрици с пасивни свойства, се използват като изолационни материали и кондензатори от обичайния тип. Те са в състояние да отделят две секции от електрическата верига една от друга и да предотвратят потока на електрически заряди. С тяхна помощ се изолират токопроводящите части, така че електрическата енергия да не отива в земята или в корпуса.

Диелектрично разделяне

Диелектриците се делят на органични и неорганични материали в зависимост от химичния им състав. Неорганичните диелектрици не съдържат въглерод в състава си, докато органичните форми имат въглерод като основен елемент. неорганични вещества като керамика,слюда, имат висока степен на нагряване.

Електротехническите материали според начина на получаване се разделят на естествени и изкуствени диелектрици. Широкото използване на синтетични материали се основава на факта, че производството ви позволява да придадете на материала желаните свойства.

Според структурата на молекулите и молекулярната решетка диелектриците се делят на полярни и неполярни. Последните се наричат още неутрални. Разликата се състои във факта, че преди електрическият ток да започне да действа върху тях, атомите и молекулите имат или нямат електрически заряд. Неутралната група включва флуоропласт, полиетилен, слюда, кварц и др. Полярните диелектрици се състоят от молекули с положителен или отрицателен заряд, пример е поливинилхлорид, бакелит.

Свойства на диелектриците

Тъй като диелектриците се разделят на газообразни, течни и твърди. Най-често използваните твърди електрически материали. Техните свойства и приложения се оценяват с помощта на индикатори и характеристики:

• обемно съпротивление;
• диелектрична константа;
• повърхностно съпротивление;
• коефициент на термична пропускливост;
• диелектрични загуби, изразени като тангенс на ъгъл;
• сила на материала под действието на електричество.

Обемното съпротивление зависи от способността на материала да устои на потока на постоянен ток през него. Реципрочната стойност на съпротивлението се нарича обемна специфичностпроводимост.

Повърхностното съпротивление е способността на материала да устои на постоянен ток, протичащ през повърхността му. Повърхностната проводимост е реципрочна на предишната стойност.

Коефициентът на термична пропускливост отразява степента на промяна в съпротивлението след повишаване на температурата на веществото. Обикновено с повишаване на температурата съпротивлението намалява, следователно, стойността на коефициента става отрицателна.

Диелектричната константа определя използването на електрически материали в съответствие със способността на материала да създава електрически капацитет. Показателят за относителната пропускливост на диелектрика е включен в понятието абсолютна пропускливост. Промяната в капацитета на изолацията се показва от предишния коефициент на термична пропускливост, който едновременно показва увеличение или намаляване на капацитета с промяна на температурата.

Тангенсът на диелектричните загуби отразява размера на загубата на мощност във веригата спрямо диелектричния материал, подложен на електрически променлив ток.

Електрическите материали се характеризират с индикатор за електрическа якост, който определя възможността за разрушаване на веществото под въздействието на стрес. Когато се идентифицира механичната якост, има редица тестове за установяване на индикатор за крайна якост при натиск, опън, огъване, усукване, удар и разцепване.

Физични и химични свойства на диелектриците

Диелектриците съдържат определен бройосвободени киселини. Количеството каустичен калий в милиграми, необходимо за отстраняване на примесите в 1 g вещество, се нарича киселинно число. Киселините разрушават органичните материали, имат отрицателен ефект върху изолационните свойства.

Характеристиката на електрическите материали се допълва от коефициент на вискозитет или триене, показващ степента на течливост на веществото. Вискозитетът се разделя на условен и кинематичен.

Степента на поглъщане на вода се определя в зависимост от масата на водата, абсорбирана от елемента с тестовия размер след ден престой във вода при дадена температура. Тази характеристика показва порьозността на материала, увеличаването на стойността влошава изолационните свойства.

Магнитни материали

Индикаторите за оценка на магнитни свойства се наричат магнитни характеристики:

• магнитна абсолютна пропускливост;
• магнитна относителна пропускливост;
• термална магнитна пропускливост;
• енергия на максимално магнитно поле.

Магнитните материали се делят на твърди и меки. Меките елементи се характеризират с малки загуби, когато величината на намагнитването на тялото изостава от действащото магнитно поле. Те са по-пропускливи за магнитни вълни, имат малка коерцитивна сила и повишено индуктивно насищане. Използват се при конструирането на трансформатори, електромагнитни машини и механизми, магнитни екрани и други устройства, където е необходимо намагнитване с ниска енергия.пропуски. Те включват чисто електролитно желязо, желязо - armco, пермалой, електрически стоманени листове, никел-желязо сплави.

Твърдите материали се характеризират със значителни загуби, когато степента на намагнитване изостава от външно магнитно поле. След като са получили еднократно магнитни импулси, такива електрически материали и продукти се намагнетизират и запазват натрупаната енергия за дълго време. Те имат голяма коерцитивна сила и голям остатъчен индукционен капацитет. Елементи с тези характеристики се използват за производството на стационарни магнити. Елементите са представени от сплави на основата на желязо, алуминий, никел, кобалт, силициеви компоненти.

Магнитодиелектрици

Това са смесени материали, съдържащи 75-80% магнитен прах, останалата част от масата е запълнена с органичен високополимерен диелектрик. Феритите и магнитодиелектриците имат високи стойности на обемно съпротивление, малки загуби от вихров ток, което им позволява да се използват във високочестотната технология. Феритите имат стабилна производителност в различни честотни полета.

Област на използване на феромагнитите

Те се използват най-ефективно за създаване на сърцевини на трансформаторни бобини. Използването на материала ви позволява значително да увеличите магнитното поле на трансформатора, като същевременно не променяте текущите показания. Такива вложки, изработени от ферити, ви позволяват да спестите консумация на електроенергия по време на работа на устройството. Електрическите материали и оборудване след изключване на външния магнитен ефект се запазватмагнитни индикатори и поддържа полето в съседното пространство.

Елементарните токове не преминават след изключване на магнита, като по този начин се създава стандартен постоянен магнит, който работи ефективно в слушалки, телефони, измервателни уреди, компаси, звукозаписващи устройства. Постоянните магнити, които не провеждат електричество, са много популярни в приложението. Те се получават чрез комбиниране на железни оксиди с различни други оксиди. Магнитната желязна руда е ферит.

Полупроводникови материали

Това са елементи, които имат стойност на проводимост, която е в диапазона на този индикатор за проводници и диелектрици. Проводимостта на тези материали пряко зависи от проявата на примеси в масата, външните посоки на въздействие и вътрешните дефекти.

Характеристиките на електрическите материали от групата на полупроводниците показват значителна разлика между елементите един от друг в структурната решетка, състав, свойства. В зависимост от посочените параметри, материалите са разделени на 4 вида:

1. Елементи, съдържащи атоми от същия тип: силиций, фосфор, бор, селен, индий, германий, галий и др.
2. Материали, съдържащи метални оксиди - мед, кадмиев оксид, цинков оксид и др.
3. Материали, комбинирани в антимонидна група.
4. Органични материали - нафталин, антрацен и др.

В зависимост от кристалната решетка, полупроводниците се разделят на поликристални материали и монокристалниелементи. Характеристиката на електрическите материали позволява да се разделят на немагнитни и слабо магнитни. Сред магнитните компоненти се разграничават полупроводници, проводници и непроводими елементи. Трудно е да се направи ясно разпределение, тъй като много материали се държат различно при променящи се условия. Например, работата на някои полупроводници при ниски температури може да се сравни с работата на изолаторите. Същите диелектрици работят като полупроводници при нагряване.

Композитни материали

Материали, които не са разделени по функция, а по състав, се наричат композитни материали, това също са електрически материали. Техните свойства и приложение се дължат на комбинацията от материали, използвани при производството. Примери са компоненти от листови стъклени влакна, фибростъкло, смеси от електропроводими и огнеупорни метали. Използването на еквивалентни смеси ви позволява да идентифицирате силните страни на материала и да ги приложите по предназначение. Понякога комбинация от композити води до напълно нов елемент с различни свойства.

Филмови материали

Филмите и лентите като електрически материали са спечелили голяма област на приложение в електротехниката. Техните свойства се различават от другите диелектрици по гъвкавост, достатъчна механична якост и отлични изолационни характеристики. Дебелината на продуктите варира в зависимост от материала:

• филмите се правят с дебелина 6-255 микрона, лентите се произвеждат в 0,2-3,1 мм;
• полистироновите продукти под формата на ленти и филми се произвеждат с дебелина 20-110 микрона;
• полиетиленовите ленти се изработват с дебелина 35-200 микрона, ширина от 250 до 1500 мм;
• флуоропластовите фолиа се произвеждат с дебелина от 5 до 40 микрона, ширина 10-210 мм.

Класификацията на електрическите материали от филма ни позволява да разграничим два вида: ориентирани и неориентирани филми. Първият материал се използва най-често.

Лакове и емайли за електрическа изолация

Разтворите на вещества, които образуват филм по време на втвърдяване, са съвременни електрически материали. Тази група включва битум, изсушаващи масла, смоли, целулозни етери или съединения и комбинации от тези компоненти. Превръщането на вискозен компонент в изолатор става след изпаряване от масата на приложения разтворител и образуване на плътен филм. Според метода на нанасяне филмите се делят на лепилни, импрегниращи и покриващи.

Импрегниращите лакове се използват за намотки на електрически инсталации с цел повишаване на коефициента на топлопроводимост и устойчивост на влага. Покриващите лакове създават горно защитно покритие срещу влага, замръзване, масло за повърхността на намотките, пластмасите, изолацията. Адхезивните компоненти са способни да залепват плочи от слюда към други материали.

Смеси за електрическа изолация

Тези материали се представят като течен разтвор в момента на употреба, последван от втвърдяване и втвърдяване. Веществата се характеризират с това, че не съдържат разтворители. Съединенията също принадлежат към групата "електротехнически материали". Техните видове са запълващи и импрегниращи. Първият тип се използва за запълване на кухини в кабелни втулки, а втората група се използва за импрегниране на намотките на двигателя.

Съединенията се произвеждат като термопластични, те омекват след повишаване на температурата и термореактивни, запазвайки здраво формата на втвърдяване.

Влакнести неимпрегнирани електрически изолационни материали

За производството на такива материали се използват органични влакна и изкуствено създадени компоненти. Естествените растителни влакна от естествена коприна, лен, дърво се превръщат в материали от органичен произход (влакна, плат, картон). Влажността на такива изолатори варира от 6-10%.

Органичните синтетични материали (капрон) съдържат влага само от 3 до 5%, същото насищане с влага и неорганични влакна (стъклени влакна). Неорганичните материали се характеризират с неспособността си да се запалят при значително нагряване. Ако материалите са импрегнирани с емайли или лакове, тогава горимостта се увеличава. Доставката на електрически материали се извършва на предприятие за производство на електрически машини и устройства.

Letheroid

Тънките влакна се произвеждат на листове и се навиват на ролка за транспортиране. Използва се като материал за производство на изолационни уплътнения, фасонни диелектрици, шайби. Импрегнираната с азбест хартия и азбестовият картон са направени от хризолитен азбест, като се разделя на влакна. Азбестът е устойчив на алкална среда, но се разрушава в кисела среда.

В заключение трябва да се отбележи, че с използването на съвременни материали за изолация на електрически уреди, техният експлоатационен живот значително се е увеличил. За корпусите на инсталациите се използват материали с избрани характеристики, което прави възможно производството на ново функционално оборудване с подобрена производителност.