Materiały elektryczne, ich właściwości i zastosowania

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 10:38

Wydajna i trwała praca maszyn i instalacji elektrycznych zależy bezpośrednio od stanu izolacji, do której stosowane są materiały elektryczne. Charakteryzują się zestawem pewnych właściwości po umieszczeniu w polu elektromagnetycznym i są instalowane w urządzeniach uwzględniających te wskaźniki.

Klasyfikacja materiałów elektrycznych pozwala nam podzielić na odrębne grupy materiałów elektroizolacyjnych, półprzewodnikowych, przewodzących i magnetycznych, które uzupełniają produkty podstawowe: kondensatory, przewody, izolatory i gotowe elementy półprzewodnikowe.

Materiały działają zarówno w oddzielnych polach magnetycznych, jak i elektrycznych o określonych właściwościach i są jednocześnie wystawione na kilka rodzajów promieniowania. Materiały magnetyczne są warunkowo podzielone na magnesy i substancje słabo magnetyczne. W elektrotechnice najczęściej stosuje się materiały wysoce magnetyczne.

Nauka omateriały

Materiał to substancja charakteryzująca się składem chemicznym, właściwościami i strukturą cząsteczek i atomów różniących się od innych przedmiotów. Materia jest w jednym z czterech stanów: w stanie gazowym, stałym, plazmowym lub ciekłym. Materiały elektryczne i konstrukcyjne pełnią różnorodne funkcje w instalacji.

Materiały przewodzące zapewniają transmisję przepływu elektronów, elementy dielektryczne zapewniają izolację. Zastosowanie elementów oporowych zamienia energię elektryczną na energię cieplną, materiały konstrukcyjne zachowują kształt produktu np. obudowy. Materiały elektryczne i konstrukcyjne z konieczności pełnią nie jedną, ale kilka powiązanych funkcji, na przykład dielektryk podczas działania instalacji elektrycznej podlega obciążeniom, co zbliża ją do materiałów konstrukcyjnych.

Nauka o materiałach elektrotechnicznych to nauka zajmująca się określaniem właściwości, badaniem zachowania substancji pod wpływem elektryczności, ciepła, mrozu, pola magnetycznego itp. Nauka bada specyficzne właściwości niezbędne do wytworzenia maszyny, urządzenia i instalacje.

Przewodniki

Należą do nich materiały elektryczne, których głównym wskaźnikiem jest wyraźna przewodność prądu elektrycznego. Dzieje się tak, ponieważ elektrony są stale obecne w masie materii, słabo związane z jądrem i będące nośnikami ładunków swobodnych. Przemieszczają się z orbity jednej cząsteczki na drugą i tworzą prąd. Główne materiały przewodzące to miedź, aluminium.

Przewodniki zawierają elementy, które mają oporność elektryczną ρ < 10^-5, podczas gdy doskonały przewodnik to materiał o wskaźniku 10^{-8Ohmm. Wszystkie metale dobrze przewodzą prąd, na 105 elementów w tabeli tylko 25 nie jest metalami, a z tej niejednorodnej grupy 12 materiałów przewodzi prąd elektryczny i jest uważanych za półprzewodniki.}

Fizyka materiałów elektrycznych pozwala na ich wykorzystanie jako przewodników w stanie gazowym i ciekłym. Jako ciekły metal o normalnej temperaturze używana jest tylko rtęć, dla której jest to stan naturalny. Pozostałe metale są używane jako przewodniki płynne tylko po podgrzaniu. W przypadku przewodników stosuje się również ciecze przewodzące, takie jak elektrolit. Ważnymi właściwościami przewodników, pozwalającymi na ich rozróżnienie według stopnia przewodności elektrycznej, są właściwości przewodnictwa cieplnego oraz zdolność do generowania ciepła.

Materiały dielektryczne

W przeciwieństwie do przewodników, masa dielektryków zawiera niewielką liczbę swobodnych, wydłużonych elektronów. Główną właściwością substancji jest jej zdolność do uzyskiwania polaryzacji pod wpływem pola elektrycznego. Zjawisko to tłumaczy się tym, że pod wpływem elektryczności związane ładunki przemieszczają się w kierunku działających sił. Odległość przemieszczenia jest tym większa, im większe jest natężenie pola elektrycznego.

Izolacyjne materiały elektryczne są im bliżej ideału, tym mniejwskaźnik przewodności właściwej i mniej wyraźny stopień polaryzacji, co umożliwia ocenę rozpraszania i uwalniania energii cieplnej. Przewodnictwo dielektryka opiera się na działaniu niewielkiej liczby wolnych dipoli przesuwających się w kierunku pola. Po polaryzacji dielektryk tworzy substancję o różnej polaryzacji, czyli na powierzchni powstają dwa różne znaki ładunków.

Zastosowanie dielektryków jest najbardziej rozległe w elektrotechnice, ponieważ wykorzystywane są aktywne i pasywne właściwości elementu.

Materiały aktywne o właściwościach łatwych do zarządzania obejmują:

• piroelektryka;
• elektrofosfory;
• piezoelektryki;
• ferroelektryki;
• elektrety;
• materiały na emitery laserowe.

Główne materiały elektryczne - dielektryki o właściwościach pasywnych, są używane jako materiały izolacyjne i kondensatory zwykłego typu. Są w stanie oddzielić od siebie dwie sekcje obwodu elektrycznego i zapobiegać przepływowi ładunków elektrycznych. Z ich pomocą części przewodzące prąd są izolowane, aby energia elektryczna nie trafiała do ziemi ani do obudowy.

Separacja dielektryczna

Dielektryki dzielą się na materiały organiczne i nieorganiczne, w zależności od składu chemicznego. Dielektryki nieorganiczne nie zawierają w swoim składzie węgla, natomiast formy organiczne mają węgiel jako główny pierwiastek. substancje nieorganiczne, takie jak ceramika,mika, mają wysoki stopień nagrzewania.

Materiały elektrotechniczne zgodnie z metodą otrzymywania dzielą się na dielektryki naturalne i sztuczne. Powszechne stosowanie materiałów syntetycznych polega na tym, że produkcja pozwala na nadanie materiałowi pożądanych właściwości.

Zgodnie ze strukturą cząsteczek i siecią molekularną dielektryki dzielą się na polarne i niepolarne. Te ostatnie są również nazywane neutralnymi. Różnica polega na tym, że zanim prąd elektryczny zacznie na nie działać, atomy i cząsteczki mają ładunek elektryczny lub go nie mają. Do grupy obojętnej należą fluoroplasty, polietylen, mika, kwarc itp. Dielektryki polarne składają się z cząsteczek o ładunku dodatnim lub ujemnym, przykładem jest polichlorek winylu, bakelit.

Właściwości dielektryków

Ponieważ dielektryki dzielą się na gazowe, płynne i stałe. Najczęściej używane stałe materiały elektryczne. Ich właściwości i zastosowania są oceniane za pomocą wskaźników i cech:

• rezystywność objętościowa;
• stała dielektryczna;
• rezystywność powierzchni;
• współczynnik przepuszczalności cieplnej;
• straty dielektryczne wyrażone jako tangens kąta;
• wytrzymałość materiału pod działaniem elektryczności.

Rezystywność objętościowa zależy od zdolności materiału do opierania się przepływowi przez niego stałego prądu. Odwrotność rezystywności nazywana jest objętościowoprzewodność.

Rezystywność powierzchniowa to zdolność materiału do opierania się prądowi stałemu przepływającemu przez jego powierzchnię. Przewodność powierzchniowa jest odwrotnością poprzedniej wartości.

Współczynnik przenikalności cieplnej odzwierciedla stopień zmiany rezystywności po zwiększeniu temperatury substancji. Zwykle wraz ze wzrostem temperatury opór maleje, dlatego wartość współczynnika staje się ujemna.

Stała dielektryczna określa użycie materiałów elektrycznych zgodnie ze zdolnością materiału do tworzenia pojemności elektrycznej. Wskaźnik względnej przepuszczalności dielektryka zawarty jest w pojęciu przepuszczalności bezwzględnej. Zmiana pojemności izolacji jest pokazana przez poprzedni współczynnik przenikalności cieplnej, który jednocześnie pokazuje wzrost lub spadek pojemności wraz ze zmianą temperatury.

Styczna strat dielektrycznych odzwierciedla wielkość strat mocy w obwodzie w stosunku do materiału dielektrycznego poddanego działaniu elektrycznego prądu przemiennego.

Materiały elektryczne charakteryzują się wskaźnikiem wytrzymałości elektrycznej, który określa możliwość zniszczenia substancji pod wpływem naprężeń. Identyfikując wytrzymałość mechaniczną, przeprowadza się szereg testów w celu ustalenia wskaźnika wytrzymałości na ściskanie, rozciąganie, zginanie, skręcanie, uderzenia i rozszczepianie.

Właściwości fizyczne i chemiczne dielektryków

Dielektryki zawierają określoną liczbęuwolnione kwasy. Ilość kaustycznego potasu w miligramach potrzebna do pozbycia się zanieczyszczeń w 1 g substancji nazywana jest liczbą kwasową. Kwasy niszczą materiały organiczne, mają negatywny wpływ na właściwości izolacyjne.

Właściwość materiałów elektrycznych jest uzupełniona współczynnikiem lepkości lub tarcia, pokazującym stopień płynności substancji. Lepkość dzieli się na warunkową i kinematyczną.

Stopień nasiąkliwości określa się w zależności od masy wody wchłoniętej przez element o wielkości badanej po dniu przebywania w wodzie w danej temperaturze. Ta cecha wskazuje na porowatość materiału, zwiększenie wartości powoduje degradację właściwości izolacyjnych.

Materiały magnetyczne

Wskaźniki do oceny właściwości magnetycznych nazywane są charakterystykami magnetycznymi:

• magnetyczna bezwzględna przepuszczalność;
• względna przenikalność magnetyczna;
• przepuszczalność termiczna magnetyczna;
• energia maksymalnego pola magnetycznego.

Materiały magnetyczne dzielą się na twarde i miękkie. Elementy miękkie charakteryzują się niewielkimi stratami, gdy wielkość namagnesowania ciała pozostaje w tyle za działającym polem magnetycznym. Są bardziej przepuszczalne dla fal magnetycznych, mają małą siłę koercji i zwiększone nasycenie indukcyjne. Wykorzystywane są w budowie transformatorów, maszyn i mechanizmów elektromagnetycznych, ekranów magnetycznych i innych urządzeń, gdzie wymagane jest namagnesowanie o niskiej energii.pominięcia. Należą do nich czyste żelazo elektrolityczne, żelazo - armco, permalloy, blachy ze stali elektrotechnicznej, stopy niklowo-żelazne.

Materiały stałe charakteryzują się znacznymi stratami, gdy stopień namagnesowania pozostaje w tyle za zewnętrznym polem magnetycznym. Po jednorazowym otrzymaniu impulsów magnetycznych takie materiały i produkty elektryczne są namagnesowane i przez długi czas zatrzymują zgromadzoną energię. Charakteryzują się dużą siłą przymusu i dużą resztkową zdolnością indukcyjną. Elementy o tych właściwościach są wykorzystywane do produkcji magnesów stacjonarnych. Elementy reprezentowane są przez stopy żelaza, aluminium, nikiel, kob alt, krzem.

Magnetodielektryki

Są to materiały mieszane, zawierające 75-80% proszku magnetycznego, reszta masy jest wypełniona organicznym dielektrykiem wysokopolimerowym. Ferryty i magnetodielektryki charakteryzują się wysokimi wartościami rezystywności skrośnej, małymi stratami na prądy wirowe, co pozwala na ich zastosowanie w technologii wysokoczęstotliwościowej. Ferryty mają stabilną wydajność w różnych polach częstotliwości.

Obszar zastosowania ferromagnesów

Są one najskuteczniej wykorzystywane do tworzenia rdzeni cewek transformatorowych. Zastosowanie materiału pozwala znacznie zwiększyć pole magnetyczne transformatora, nie zmieniając przy tym bieżących odczytów. Takie wkładki wykonane z ferrytów pozwalają zaoszczędzić zużycie energii elektrycznej podczas pracy urządzenia. Materiały i urządzenia elektryczne po wyłączeniu zewnętrznego efektu magnetycznego zachowująwskaźniki magnetyczne i utrzymują pole w sąsiedniej przestrzeni.

Prądy elementarne nie przechodzą po wyłączeniu magnesu, tworząc w ten sposób standardowy magnes trwały, który działa skutecznie w słuchawkach, telefonach, przyrządach pomiarowych, kompasach, rejestratorach dźwięku. Bardzo popularne w zastosowaniu są magnesy trwałe, które nie przewodzą prądu. Otrzymuje się je przez połączenie tlenków żelaza z różnymi innymi tlenkami. Magnetyczna ruda żelaza to ferryt.

Materiały półprzewodnikowe

Są to elementy, których wartość przewodnictwa mieści się w zakresie tego wskaźnika dla przewodników i dielektryków. Przewodność tych materiałów bezpośrednio zależy od występowania zanieczyszczeń w masie, zewnętrznych kierunków uderzeń oraz wad wewnętrznych.

Charakterystyka materiałów elektrycznych z grupy półprzewodników wskazuje na znaczną różnicę między elementami w sieci strukturalnej, składzie, właściwościach. W zależności od określonych parametrów materiały dzielą się na 4 rodzaje:

1. Pierwiastki zawierające atomy tego samego typu: krzem, fosfor, bor, selen, ind, german, gal itp.
2. Materiały zawierające tlenki metali - miedź, tlenek kadmu, tlenek cynku itp.
3. Materiały połączone w grupę antymonków.
4. Materiały organiczne - naftalen, antracen itp.

W zależności od sieci krystalicznej półprzewodniki dzielą się na materiały polikrystaliczne i monokrystaliczneelementy. Charakterystyka materiałów elektrycznych pozwala podzielić je na niemagnetyczne i słabo magnetyczne. Wśród elementów magnetycznych wyróżnia się półprzewodniki, przewodniki i elementy nieprzewodzące. Wyraźny rozkład jest trudny do wykonania, ponieważ wiele materiałów zachowuje się inaczej w zmieniających się warunkach. Na przykład działanie niektórych półprzewodników w niskich temperaturach można porównać do działania izolatorów. Te same dielektryki działają jak półprzewodniki po podgrzaniu.

Materiały kompozytowe

Materiały, które nie są podzielone ze względu na funkcję, ale ze względu na skład, nazywane są materiałami kompozytowymi, są to również materiały elektryczne. Ich właściwości i zastosowanie wynikają z połączenia materiałów użytych do produkcji. Przykładami są elementy z włókna szklanego w postaci arkuszy, włókno szklane, mieszaniny metali przewodzących i ogniotrwałych. Zastosowanie ekwiwalentnych mieszanek pozwala określić mocne strony materiału i zastosować je zgodnie z ich przeznaczeniem. Czasami z połączenia kompozytów powstaje zupełnie nowy element o innych właściwościach.

Materiały filmowe

Folie i taśmy jako materiały elektryczne zdobyły duży obszar zastosowań w elektrotechnice. Ich właściwości różnią się od innych dielektryków elastycznością, wystarczającą wytrzymałością mechaniczną i doskonałymi właściwościami izolacyjnymi. Grubość produktów różni się w zależności od materiału:

• folie produkowane są o grubości 6-255 mikronów, taśmy produkowane są w 0,2-3,1 mm;
• wyroby polistyrenowe w postaci taśm i folii produkowane są o grubości 20-110 mikronów;
• Taśmy polietylenowe produkowane są o grubości 35-200 mikronów, szerokości od 250 do 1500 mm;
• folie fluoroplastyczne są produkowane o grubości od 5 do 40 mikronów, szerokości 10-210 mm.

Klasyfikacja materiałów elektrycznych z folii pozwala nam rozróżnić dwa typy: folie zorientowane i niezorientowane. Najczęściej używany jest pierwszy materiał.

Lakiery i emalie do izolacji elektrycznej

Rozwiązania substancji, które tworzą błonę podczas krzepnięcia, to nowoczesne materiały elektryczne. Do tej grupy należą bitum, oleje schnące, żywice, etery lub związki celulozy oraz kombinacje tych składników. Przekształcenie lepkiego składnika w izolator następuje po odparowaniu masy nałożonego rozpuszczalnika i utworzeniu gęstego filmu. W zależności od metody aplikacji folie dzieli się na klej, impregnację i powłokę.

Lakiery impregnujące stosuje się do uzwojeń instalacji elektrycznych w celu zwiększenia współczynnika przewodności cieplnej i odporności na wilgoć. Lakiery powłokowe tworzą górną powłokę ochronną przed wilgocią, mrozem, olejem na powierzchni uzwojeń, tworzyw sztucznych, izolacji. Składniki kleju są w stanie łączyć płytki miki z innymi materiałami.

Związki do izolacji elektrycznej

Materiały te są prezentowane w postaci płynnego roztworu w momencie użycia, po którym następuje zestalenie i utwardzenie. Substancje charakteryzują się tym, że nie zawierają rozpuszczalników. Związki należą również do grupy „materiałów elektrotechnicznych”. Ich rodzaje to wypełniające i impregnujące. Pierwszy typ służy do wypełniania pustych przestrzeni w tulejach kablowych, a drugi do impregnacji uzwojeń silnika.

Związki są produkowane termoplastycznie, miękną pod wpływem wzrostu temperatury i termoutwardzalne, mocno zachowując kształt po utwardzeniu.

Włókniste, nieimpregnowane materiały elektroizolacyjne

Do produkcji takich materiałów używa się włókien organicznych i sztucznie wytworzonych komponentów. Naturalne włókna roślinne z naturalnego jedwabiu, lnu, drewna przetwarzane są na materiały pochodzenia organicznego (włókno, tkanina, tektura). Wilgotność takich izolatorów waha się w granicach 6-10%.

Organiczne materiały syntetyczne (kapron) zawierają wilgoć tylko od 3 do 5%, to samo nasycenie wilgocią i włóknami nieorganicznymi (włókno szklane). Materiały nieorganiczne charakteryzują się niezdolnością do zapłonu po znacznym podgrzaniu. Jeśli materiały są impregnowane emaliami lub lakierami, wzrasta palność. Dostawa materiałów elektrycznych odbywa się do przedsiębiorstwa zajmującego się produkcją maszyn i urządzeń elektrycznych.

Leteroid

Cienkie włókno jest produkowane w arkuszach i zwijane w rolkę do transportu. Wykorzystywany jest jako materiał do produkcji uszczelek izolacyjnych, kształtowanych dielektryków, podkładek. Papier impregnowany azbestem i tektura azbestowa są wytwarzane z azbestu chryzolitowego, dzieląc go na włókna. Azbest jest odporny na środowisko alkaliczne, ale ulega zniszczeniu w środowisku kwaśnym.

Podsumowując, należy zauważyć, że dzięki zastosowaniu nowoczesnych materiałów do izolacji urządzeń elektrycznych ich żywotność znacznie się wydłużyła. Na korpusy instalacji stosowane są materiały o wybranych właściwościach, co umożliwia produkcję nowych funkcjonalnych urządzeń o podwyższonych parametrach.