Elektriske materialer, deres egenskaper og bruksområder

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sist endret: 2023-12-17 10:37

Effektiv og holdbar drift av elektriske maskiner og installasjoner avhenger direkte av isolasjonstilstanden som elektriske materialer brukes til. De er preget av et sett med visse egenskaper når de plasseres i et elektromagnetisk felt, og er installert i enheter som tar hensyn til disse indikatorene.

Klassifisering av elektriske materialer lar oss dele inn i separate grupper av elektriske isolasjons-, halvleder-, leder- og magnetiske materialer, som kompletteres med basisprodukter: kondensatorer, ledninger, isolatorer og ferdige halvlederelementer.

Materialer fungerer både i separate magnetiske eller elektriske felt med visse egenskaper, og blir utsatt for flere strålinger samtidig. Magnetiske materialer er betinget delt inn i magneter og svakt magnetiske stoffer. I elektroteknikk er svært magnetiske materialer mest brukt.

Science ofmaterialer

Et materiale er et stoff preget av en kjemisk sammensetning, egenskaper og struktur av molekyler og atomer som er forskjellig fra andre objekter. Materie er i en av fire tilstander: gassformig, fast, plasma eller flytende. Elektriske og strukturelle materialer utfører en rekke funksjoner i installasjonen.

Ledende materialer utfører overføringen av elektronstrømmen, dielektriske komponenter gir isolasjon. Bruken av resistive elementer konverterer elektrisk energi til termisk energi, strukturelle materialer beholder formen til produktet, for eksempel etuiet. Elektriske og strukturelle materialer utfører nødvendigvis ikke én, men flere relaterte funksjoner, for eksempel vil dielektrikumet i driften av en elektrisk installasjon oppleve belastninger, noe som bringer det nærmere strukturelle materialer.

Elektroteknisk materialvitenskap er en vitenskap som omhandler bestemmelse av egenskaper, studiet av oppførselen til et stoff når det utsettes for elektrisitet, varme, frost, magnetfelt osv. Vitenskap studerer de spesifikke egenskapene som er nødvendige for å lage elektriske maskiner, enheter og installasjoner.

Conductors

Disse inkluderer elektriske materialer, hvor hovedindikatoren er den utt alte ledningsevnen til elektrisk strøm. Dette skjer fordi elektroner er konstant tilstede i massen av materie, svakt bundet til kjernen og er frie ladningsbærere. De beveger seg fra et molekyls bane til et annet og skaper en strøm. Hovedledermaterialene er kobber, aluminium.

Ledere inkluderer elementer som har elektrisk resistivitet ρ < 10^-5, mens en utmerket leder er et materiale med en indikator på 10^{-8Ohmm. Alle metaller leder strøm godt, av 105 elementer i tabellen er bare 25 ikke metaller, og fra denne heterogene gruppen leder 12 materialer elektrisk strøm og regnes som halvledere.}

Fysikken til elektriske materialer tillater at de kan brukes som ledere i gassform og flytende tilstand. Som flytende metall med normal temperatur brukes kun kvikksølv, for dette er dette en naturlig tilstand. De resterende metallene brukes kun som væskeledere når de varmes opp. For ledere brukes også ledende væsker, som elektrolytt. Viktige egenskaper til ledere, som gjør at de kan kjennetegnes ved graden av elektrisk ledningsevne, er egenskapene til termisk ledningsevne og evnen til termisk generering.

dielektriske materialer

I motsetning til ledere, inneholder massen av dielektrikum et lite antall frie, langstrakte elektroner. Hovedegenskapen til et stoff er dets evne til å oppnå polaritet under påvirkning av et elektrisk felt. Dette fenomenet forklares av det faktum at under påvirkning av elektrisitet beveger de bundne ladningene seg mot de virkende kreftene. Forskyvningsavstanden er større, jo høyere elektrisk feltstyrke.

Isolerende elektriske materialer er jo nærmere det ideelle, jo mindreen indikator på spesifikk ledningsevne, og jo mindre utt alt graden av polarisering, noe som gjør det mulig å bedømme spredning og frigjøring av termisk energi. Konduktiviteten til et dielektrikum er basert på virkningen av et lite antall frie dipoler som skifter i feltets retning. Etter polarisering danner dielektrikumet et stoff med ulik polaritet, det vil si at det dannes to forskjellige tegn på ladninger på overflaten.

Bruken av dielektrikum er mest omfattende innen elektroteknikk, da de aktive og passive egenskapene til elementet brukes.

Aktive materialer med håndterbare egenskaper inkluderer:

• pyroelektrisk;
• elektrofosforer;
• piezoelektrisk;
• ferroelektrisk;
• electrets;
• materialer for laserstrålere.

De viktigste elektriske materialene - dielektriske med passive egenskaper, brukes som isolasjonsmaterialer og kondensatorer av vanlig type. De er i stand til å skille to deler av den elektriske kretsen fra hverandre og forhindre strømmen av elektriske ladninger. Med deres hjelp blir strømførende deler isolert slik at elektrisk energi ikke går ned i bakken eller til kassen.

Dielektrisk separasjon

Dielektriske stoffer deles inn i organiske og uorganiske materialer, avhengig av den kjemiske sammensetningen. Uorganiske dielektrika inneholder ikke karbon i sammensetningen, mens organiske former har karbon som hovedelement. uorganiske stoffer som keramikk,glimmer, har høy varmegrad.

Elektrotekniske materialer i henhold til fremgangsmåten er delt inn i naturlige og kunstige dielektrikum. Den utbredte bruken av syntetiske materialer er basert på at produksjonen lar deg gi materialet de ønskede egenskapene.

I henhold til strukturen til molekyler og det molekylære gitteret, deles dielektrikum inn i polare og ikke-polare. Sistnevnte kalles også nøytrale. Forskjellen ligger i det faktum at før den elektriske strømmen begynner å virke på dem, har atomer og molekyler enten elektrisk ladning eller ikke. Den nøytrale gruppen inkluderer fluoroplast, polyetylen, glimmer, kvarts osv. Polare dielektrika består av molekyler med positiv eller negativ ladning, et eksempel er polyvinylklorid, bakelitt.

Properties of dielectrics

Som dielektrikum er delt inn i gassformig, flytende og fast stoff. De mest brukte solide elektriske materialene. Egenskapene og applikasjonene deres blir evaluert ved hjelp av indikatorer og egenskaper:

• volumresistivitet;
• dielektrisk konstant;
• overflatemotstand;
• termisk permeabilitetskoeffisient;
• dielektriske tap uttrykt som tangens av vinkel;
• styrke av materiale under påvirkning av elektrisitet.

Volumresistivitet avhenger av et materiales evne til å motstå flyten av en konstant strøm gjennom det. Resistivitetens gjensidighet kalles volumspesifikkkonduktivitet.

Overflateresistivitet er et materiales evne til å motstå likestrøm som flyter over overflaten. Overflateledningsevne er den gjensidige av den forrige verdien.

Den termiske permeabilitetskoeffisienten gjenspeiler graden av endring i resistivitet etter økning av temperaturen til et stoff. Vanligvis, når temperaturen øker, synker motstanden, derfor blir verdien av koeffisienten negativ.

Dielektrisk konstant bestemmer bruken av elektriske materialer i samsvar med materialets evne til å skape elektrisk kapasitans. Indikatoren for den relative permeabiliteten til dielektrikumet er inkludert i konseptet absolutt permeabilitet. Endringen i kapasitansen til isolasjonen vises av den forrige koeffisienten for termisk permeabilitet, som samtidig viser en økning eller reduksjon i kapasitans med en endring i temperaturen.

Den dielektriske tapstangenten reflekterer mengden effekttapet i en krets i forhold til det dielektriske materialet som er utsatt for en elektrisk vekselstrøm.

Elektriske materialer kjennetegnes av en indikator for elektrisk styrke, som bestemmer muligheten for ødeleggelse av et stoff under påvirkning av stress. Ved identifisering av mekanisk styrke er det en rekke tester for å etablere en indikator på ultimat styrke i kompresjon, strekk, bøying, torsjon, slag og splitting.

Fysiske og kjemiske egenskaper til dielektrikum

Dielektrikk inneholder et visst antallfrigjorte syrer. Mengden kaustisk kalium i milligram som kreves for å kvitte seg med urenheter i 1 g av et stoff kalles syretallet. Syrer ødelegger organiske materialer, har en negativ effekt på isolasjonsegenskaper.

Karakteristikken til elektriske materialer er supplert med en viskositetskoeffisient eller friksjon, som viser graden av fluiditet til et stoff. Viskositet er delt inn i betinget og kinematisk.

Graden av vannabsorpsjon bestemmes avhengig av vannmassen absorbert av elementet i teststørrelsen etter en dag med å ha vært i vann ved en gitt temperatur. Denne egenskapen indikerer porøsiteten til materialet, økende verdi forringer isolasjonsegenskapene.

Magnetiske materialer

Indikatorer for å evaluere magnetiske egenskaper kalles magnetiske egenskaper:

• magnetisk absolutt permeabilitet;
• magnetisk relativ permeabilitet;
• termisk magnetisk permeabilitet;
• energi med maksim alt magnetfelt.

Magnetiske materialer er delt inn i harde og myke. Myke elementer er preget av små tap når størrelsen på magnetiseringen av kroppen henger etter det virkende magnetfeltet. De er mer permeable for magnetiske bølger, har en liten tvangskraft og økt induktiv metning. De brukes i konstruksjonen av transformatorer, elektromagnetiske maskiner og mekanismer, magnetiske skjermer og andre enheter der magnetisering med lav energi er nødvendig.utelatelser. Disse inkluderer rent elektrolyttjern, jern - armco, permalloy, elektriske stålplater, nikkel-jernlegeringer.

Solide materialer kjennetegnes av betydelige tap når magnetiseringsgraden henger etter et eksternt magnetfelt. Etter å ha mottatt magnetiske impulser én gang, magnetiseres slike elektriske materialer og produkter og beholder den akkumulerte energien i lang tid. De har stor tvangskraft og stor gjenværende induksjonskapasitet. Elementer med disse egenskapene brukes til fremstilling av stasjonære magneter. Elementene er representert av jernbaserte legeringer, aluminium, nikkel, kobolt, silisiumkomponenter.

Magnetodielectrics

Dette er blandede materialer, som inneholder 75-80% magnetisk pulver, resten av massen er fylt med et organisk høypolymert dielektrikum. Ferritter og magnetoelektrikk har høye verdier for volumresistivitet, små virvelstrømstap, noe som gjør at de kan brukes i høyfrekvent teknologi. Ferritter har stabil ytelse i ulike frekvensfelt.

bruksfelt for ferromagneter

De brukes mest effektivt for å lage kjernene til transformatorspoler. Bruken av materialet lar deg øke transformatorens magnetiske felt betraktelig, uten å endre strømavlesningene. Slike innsatser laget av ferritt lar deg spare strømforbruk under driften av enheten. Elektriske materialer og utstyr etter å ha slått av den eksterne magnetiske effekten beholdemagnetiske indikatorer, og opprettholder feltet i det tilstøtende rommet.

Elementære strømmer passerer ikke etter at magneten er slått av, og skaper dermed en standard permanent magnet som fungerer effektivt i hodetelefoner, telefoner, måleinstrumenter, kompasser, lydopptakere. Permanente magneter som ikke leder elektrisitet er veldig populære i bruk. De oppnås ved å kombinere jernoksider med forskjellige andre oksider. Magnetisk jernmalm er en ferritt.

halvledermateriale

Dette er elementer som har en konduktivitetsverdi som er innenfor området til denne indikatoren for ledere og dielektrikum. Konduktiviteten til disse materialene avhenger direkte av manifestasjonen av urenheter i massen, ytre slagretninger og indre defekter.

Karakteristikk av elektriske materialer i halvledergruppen indikerer en signifikant forskjell mellom elementene fra hverandre i det strukturelle gitteret, sammensetningen, egenskapene. Avhengig av spesifiserte parametere er materialer delt inn i 4 typer:

1. Elementer som inneholder atomer av samme type: silisium, fosfor, bor, selen, indium, germanium, gallium, etc.
2. Materialer som inneholder metalloksider - kobber, kadmiumoksid, sinkoksid, etc.
3. Materialer kombinert til antimonidgruppen.
4. Organiske materialer - naftalen, antracen, etc.

Avhengig av krystallgitteret deles halvledere inn i polykrystallinske materialer og monokrystallinskeelementer. Egenskapen til elektriske materialer gjør at de kan deles inn i ikke-magnetiske og svakt magnetiske. Blant de magnetiske komponentene skilles halvledere, ledere og ikke-ledende elementer. En tydelig fordeling er vanskelig å lage, siden mange materialer oppfører seg forskjellig under skiftende forhold. For eksempel kan driften av enkelte halvledere ved lave temperaturer sammenlignes med driften av isolatorer. De samme dielektrikene fungerer som halvledere når de varmes opp.

Komposittmaterialer

Materialer som ikke er delt inn etter funksjon, men etter sammensetning, kalles komposittmaterialer, dette er også elektriske materialer. Deres egenskaper og anvendelse skyldes kombinasjonen av materialer som brukes i produksjonen. Eksempler er glassfiberkomponenter, glassfiber, blandinger av elektrisk ledende og ildfaste metaller. Bruken av ekvivalente blandinger lar deg identifisere styrken til materialet og bruke dem til deres tiltenkte formål. Noen ganger resulterer en kombinasjon av kompositter i et helt nytt element med forskjellige egenskaper.

filmmateriale

Filmer og bånd som elektriske materialer har vunnet et stort bruksområde innen elektroteknikk. Egenskapene deres skiller seg fra andre dielektriske stoffer i fleksibilitet, tilstrekkelig mekanisk styrke og utmerkede isolasjonsegenskaper. Tykkelsen på produktene varierer avhengig av materialet:

• filmer er laget med en tykkelse på 6-255 mikron, bånd produseres i 0,2-3,1 mm;
• polystyrenprodukter i form av tape og filmer produseres med en tykkelse på 20-110 mikron;
• polyetylentape er laget med en tykkelse på 35-200 mikron, en bredde på 250 til 1500 mm;
• fluoroplastiske filmer er laget med en tykkelse på 5 til 40 mikron, en bredde på 10-210 mm.

Klassifisering av elektriske materialer fra filmen gjør at vi kan skille to typer: orienterte og ikke-orienterte filmer. Det første materialet brukes oftest.

Lakker og emaljer for elektrisk isolasjon

Løsninger av stoffer som danner en film under størkning er moderne elektriske materialer. Denne gruppen inkluderer bitumen, tørkende oljer, harpikser, celluloseetere eller forbindelser og kombinasjoner av disse komponentene. Transformasjonen av en viskøs komponent til en isolator skjer etter fordampning fra massen av det påførte løsningsmidlet, og dannelsen av en tett film. I henhold til påføringsmetoden deles filmer inn i lim, impregnering og belegg.

Impregneringslakk brukes til viklinger av elektriske installasjoner for å øke koeffisienten for varmeledningsevne og motstand mot fuktighet. Belegglakker skaper et øvre beskyttende belegg mot fuktighet, frost, olje for overflaten av viklingene, plast, isolasjon. Limkomponenter er i stand til å lime glimmerplater til andre materialer.

Forbindelser for elektrisk isolasjon

Disse materialene presenteres som en flytende løsning ved bruk, etterfulgt av størkning og herding. Stoffer kjennetegnes ved at de ikke inneholder løsemidler. Forbindelser tilhører også gruppen "elektrotekniske materialer". Typene deres fyller og impregnerer. Den første typen brukes til å fylle hulrom i kabelhylser, og den andre gruppen brukes til å impregnere motorviklinger.

Forbindelser produseres i termoplast, de mykner etter økende temperaturer og herder, og beholder formen av herding.

Fibrøst ikke-impregnert elektrisk isolasjonsmateriale

For produksjon av slike materialer brukes organiske fibre og kunstig tilvirkede komponenter. Naturlige plantefibre av naturlig silke, lin, tre omdannes til materialer av organisk opprinnelse (fiber, stoff, papp). Fuktigheten til slike isolatorer varierer fra 6-10%.

Organiske syntetiske materialer (kapron) inneholder kun fuktighet fra 3 til 5 %, samme metning med fuktighet og uorganiske fibre (glassfiber). Uorganiske materialer er preget av deres manglende evne til å antennes når de varmes opp betydelig. Hvis materialene er impregnert med emaljer eller lakk, øker brennbarheten. Leveringen av elektriske materialer skjer til en bedrift for produksjon av elektriske maskiner og enheter.

Letheroid

Tynnfiber produseres i ark og rulles til en rull for transport. Det brukes som materiale for fremstilling av isolasjonspakninger, formet dielektrikum, skiver. Asbestimpregnert papir og asbestpapp er laget av krysolittasbest, og deler det i fibre. Asbest er motstandsdyktig mot alkaliske miljøer, men ødelegges i sure miljøer.

Avslutningsvis bør det bemerkes at med bruk av moderne materialer for isolering av elektriske apparater, har deres levetid økt betydelig. Materialer med utvalgte egenskaper brukes til kroppene til installasjonene, noe som gjør det mulig å produsere nytt funksjonelt utstyr med forbedret ytelse.