Elektriska material, deras egenskaper och tillämpningar

2024 Författare: Howard Calhoun | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-17 10:41

Effektiv och hållbar drift av elektriska maskiner och installationer beror direkt på tillståndet för isoleringen, för vilket elektriska material används. De kännetecknas av en uppsättning vissa egenskaper när de placeras i ett elektromagnetiskt fält, och är installerade i enheter som tar hänsyn till dessa indikatorer.

Klassificering av elektriska material gör det möjligt för oss att dela in i separata grupper av elektriskt isolerande, halvledar-, ledare- och magnetiska material, som kompletteras med basprodukter: kondensatorer, ledningar, isolatorer och färdiga halvledarelement.

Material fungerar både i separata magnetiska eller elektriska fält med vissa egenskaper, och utsätts för flera strålningar samtidigt. Magnetiska material är villkorligt uppdelade i magneter och svagt magnetiska ämnen. Inom elektroteknik används högmagnetiska material mest.

Science ofmaterial

Ett material är ett ämne som kännetecknas av en kemisk sammansättning, egenskaper och struktur hos molekyler och atomer som skiljer sig från andra objekt. Materia är i ett av fyra tillstånd: gasformigt, fast, plasma eller flytande. Elektriska och strukturella material utför en mängd olika funktioner i installationen.

Ledande material utför överföringen av elektronflödet, dielektriska komponenter ger isolering. Användningen av resistiva element omvandlar elektrisk energi till termisk energi, strukturella material behåller formen på produkten, till exempel höljet. Elektriska och strukturella material utför nödvändigtvis inte en, utan flera relaterade funktioner, till exempel utsätts dielektrikumet i driften av en elektrisk installation för belastningar, vilket för det närmare strukturella material.

Elektroteknisk materialvetenskap är en vetenskap som handlar om bestämning av egenskaper, studiet av ett ämnes beteende när det utsätts för elektricitet, värme, frost, magnetfält etc. Vetenskapen studerar de specifika egenskaper som krävs för att skapa elektriska maskiner, enheter och installationer.

Conductors

Dessa inkluderar elektriska material, vars huvudindikator är den uttalade ledningsförmågan hos elektrisk ström. Detta beror på att elektroner ständigt finns i materiens massa, svagt bundna till kärnan och är fria laddningsbärare. De rör sig från en molekyls omloppsbana till en annan och skapar en ström. Huvudledarmaterialen är koppar, aluminium.

Ledare inkluderar element som har elektrisk resistivitet ρ < 10^-5, medan en utmärkt ledare är ett material med en indikator på 10^{-8Ohmm. Alla metaller leder ström väl, av 105 element i tabellen är bara 25 inte metaller, och från denna heterogena grupp leder 12 material elektrisk ström och anses vara halvledare.}

Fysiken hos elektriska material tillåter att de kan användas som ledare i gasformigt och flytande tillstånd. Som flytande metall med normal temperatur används endast kvicksilver, för vilket detta är ett naturligt tillstånd. De återstående metallerna används som vätskeledare endast när de värms upp. För ledare används också ledande vätskor, såsom elektrolyt. Viktiga egenskaper hos ledarna, som gör att de kan särskiljas genom graden av elektrisk ledningsförmåga, är egenskaperna hos värmeledningsförmågan och förmågan till värmealstring.

Dielektriska material

Till skillnad från ledare innehåller massan av dielektrikum ett litet antal fria, långsträckta elektroner. Den huvudsakliga egenskapen hos ett ämne är dess förmåga att få polaritet under påverkan av ett elektriskt fält. Detta fenomen förklaras av det faktum att under inverkan av elektricitet rör sig de bundna laddningarna mot de verkande krafterna. Förskjutningsavståndet är större ju högre elektrisk fältstyrka är.

Isolerande elektriska material är ju närmare det ideala desto mindreen indikator på specifik ledningsförmåga, och den mindre uttalade graden av polarisering, vilket gör det möjligt att bedöma förlusten och frigörandet av termisk energi. Konduktiviteten hos ett dielektrikum baseras på verkan av ett litet antal fria dipoler som skiftar i fältets riktning. Efter polarisering bildar dielektrikumet ett ämne med olika polaritet, det vill säga två olika tecken på laddningar bildas på ytan.

Användningen av dielektrikum är mest omfattande inom elektroteknik, eftersom elementets aktiva och passiva egenskaper används.

Aktiva material med hanterbara egenskaper inkluderar:

• pyroelektrisk;
• elektrofosforer;
• piezoelektrik;
• ferroelectrics;
• electrets;
• material för lasersändare.

De huvudsakliga elektriska materialen - dielektriska med passiva egenskaper, används som isoleringsmaterial och kondensatorer av den vanliga typen. De kan separera två delar av den elektriska kretsen från varandra och förhindra flödet av elektriska laddningar. Med deras hjälp isoleras strömförande delar så att elektrisk energi inte går ner i marken eller till höljet.

Dielektrisk separation

Dielektrika delas in i organiska och oorganiska material, beroende på den kemiska sammansättningen. Oorganiska dielektrika innehåller inte kol i sin sammansättning, medan organiska former har kol som huvudelement. oorganiska ämnen som keramik,glimmer, har en hög uppvärmningsgrad.

Elektrotekniska material enligt metoden för att erhålla delas in i naturliga och artificiella dielektrika. Den utbredda användningen av syntetiska material bygger på att tillverkningen gör att man kan ge materialet de önskade egenskaperna.

Enligt strukturen hos molekyler och det molekylära gittret delas dielektrikum in i polära och icke-polära. De senare kallas också neutrala. Skillnaden ligger i det faktum att innan den elektriska strömmen börjar verka på dem, har atomer och molekyler antingen en elektrisk laddning eller inte. Den neutrala gruppen inkluderar fluorplast, polyeten, glimmer, kvarts etc. Polära dielektrika består av molekyler med positiv eller negativ laddning, ett exempel är polyvinylklorid, bakelit.

Dielektrikens egenskaper

Eftersom dielektrikum är indelade i gasformiga, flytande och fasta. De mest använda fasta elektriska materialen. Deras egenskaper och tillämpningar utvärderas med hjälp av indikatorer och egenskaper:

• volymresistivitet;
• dielektrisk konstant;
• ytresistivitet;
• termisk permeabilitetskoefficient;
• dielektriska förluster uttryckt som tangens av vinkel;
• materialstyrka under inverkan av elektricitet.

Volymresistivitet beror på ett materials förmåga att motstå flödet av en konstant ström genom det. Resistivitetens reciproka kallas volymspecifikkonduktivitet.

Ytresistivitet är förmågan hos ett material att motstå likström som flyter över dess yta. Ytkonduktivitet är den reciproka av det föregående värdet.

Den termiska permeabilitetskoefficienten återspeglar graden av förändring i resistivitet efter att temperaturen på ett ämne har höjts. Vanligtvis, när temperaturen ökar, minskar motståndet, därför blir värdet på koefficienten negativt.

Dielektrisk konstant bestämmer användningen av elektriska material i enlighet med materialets förmåga att skapa elektrisk kapacitans. Indikatorn för dielektrikets relativa permeabilitet ingår i konceptet absolut permeabilitet. Förändringen i kapacitansen hos isoleringen visas av den tidigare termiska permeabilitetskoefficienten, som samtidigt visar en ökning eller minskning av kapacitansen med en förändring i temperaturen.

Den dielektriska förlusttangenten återspeglar mängden effektförlust i en krets i förhållande till det dielektriska materialet som utsätts för en elektrisk växelström.

Elektriska material kännetecknas av en indikator på elektrisk styrka, som bestämmer möjligheten att förstöra ett ämne under påverkan av stress. Vid identifiering av mekanisk hållfasthet finns det ett antal tester för att fastställa en indikator på slutlig hållfasthet vid kompression, spänning, böjning, vridning, slag och klyvning.

Dielektrikernas fysikaliska och kemiska egenskaper

Dielektrik innehåller ett visst antalfrigjorda syror. Mängden kaustikkalium i milligram som krävs för att bli av med föroreningar i 1 g av ett ämne kallas syratalet. Syror förstör organiska material, har en negativ effekt på isoleringsegenskaperna.

Karakteristiken för elektriska material kompletteras med en viskositetskoefficient eller friktionskoefficient, som visar graden av fluiditet hos ett ämne. Viskositeten är uppdelad i villkorlig och kinematisk.

Vattenabsorptionsgraden bestäms beroende på mängden vatten som absorberas av elementet i teststorleken efter en dags vistelse i vatten vid en given temperatur. Denna egenskap indikerar materialets porositet, en ökning av värdet försämrar isoleringsegenskaperna.

Magnetiska material

Indikatorer för att utvärdera magnetiska egenskaper kallas magnetiska egenskaper:

• magnetisk absolut permeabilitet;
• magnetisk relativ permeabilitet;
• termisk magnetisk permeabilitet;
• energi med maxim alt magnetfält.

Magnetiska material är uppdelade i hårda och mjuka. Mjuka element kännetecknas av små förluster när magnituden på kroppens magnetisering släpar efter det verkande magnetfältet. De är mer permeabla för magnetiska vågor, har en liten koercitivkraft och ökad induktiv mättnad. De används vid konstruktion av transformatorer, elektromagnetiska maskiner och mekanismer, magnetskärmar och andra enheter där magnetisering med låg energi krävs.utelämnanden. Dessa inkluderar rent elektrolytjärn, järn - armco, permalloy, elektriska stålplåtar, nickel-järnlegeringar.

Fast material kännetecknas av betydande förluster när magnetiseringsgraden släpar efter ett externt magnetfält. Efter att ha fått magnetiska impulser en gång magnetiseras sådana elektriska material och produkter och behåller den ackumulerade energin under lång tid. De har en stor tvångskraft och en stor restinduktionskapacitet. Element med dessa egenskaper används för tillverkning av stationära magneter. Grundämnena representeras av järnbaserade legeringar, aluminium, nickel, kobolt, kiselkomponenter.

Magnetodielectrics

Detta är blandade material som innehåller 75-80 % magnetiskt pulver, resten av massan är fylld med ett organiskt högpolymer-dielektrikum. Ferriter och magnetoelektrik har höga värden på volymresistivitet, små virvelströmsförluster, vilket gör att de kan användas i högfrekvensteknik. Ferriter har stabil prestanda i olika frekvensfält.

Användningsområde för ferromagneter

De används mest effektivt för att skapa kärnorna i transformatorspolar. Användningen av materialet gör att du kan öka transformatorns magnetfält avsevärt utan att ändra strömavläsningarna. Sådana insatser gjorda av ferriter gör att du kan spara elförbrukning under driften av enheten. Elektriskt material och utrustning efter att ha stängt av den externa magnetiska effekten behållamagnetiska indikatorer och upprätthåller fältet i det intilliggande utrymmet.

Elementära strömmar passerar inte efter att magneten stängts av, vilket skapar en standard permanentmagnet som fungerar effektivt i hörlurar, telefoner, mätinstrument, kompasser, ljudinspelare. Permanenta magneter som inte leder elektricitet är mycket populära i applikationen. De erhålls genom att kombinera järnoxider med olika andra oxider. Magnetisk järnmalm är en ferrit.

Halvledarmaterial

Dessa är element som har ett konduktivitetsvärde som ligger inom området för denna indikator för ledare och dielektrikum. Konduktiviteten hos dessa material beror direkt på manifestationen av föroreningar i massan, yttre stötriktningar och inre defekter.

Karakteristika för elektriska material i halvledargruppen indikerar en signifikant skillnad mellan elementen från varandra i det strukturella gittret, sammansättningen, egenskaperna. Beroende på de angivna parametrarna delas material in i fyra typer:

1. Element som innehåller atomer av samma typ: kisel, fosfor, bor, selen, indium, germanium, gallium, etc.
2. Material som innehåller metalloxider - koppar, kadmiumoxid, zinkoxid, etc.
3. Material kombinerade till antimonidgruppen.
4. Ekologiska material - naftalen, antracen, etc.

Beroende på kristallgittret delas halvledare in i polykristallina material och monokristallinaelement. Egenskapen hos elektriska material gör att de kan delas in i icke-magnetiska och svagt magnetiska. Bland de magnetiska komponenterna urskiljs halvledare, ledare och icke-ledande element. En tydlig fördelning är svår att göra, eftersom många material beter sig olika under föränderliga förhållanden. Till exempel kan driften av vissa halvledare vid låga temperaturer jämföras med driften av isolatorer. Samma dielektrikum fungerar som halvledare när de värms upp.

Kompositmaterial

Material som inte är uppdelade efter funktion, utan efter sammansättning, kallas kompositmaterial, det är också elektriska material. Deras egenskaper och tillämpning beror på kombinationen av material som används vid tillverkningen. Exempel är plåtglasfiberkomponenter, glasfiber, blandningar av elektriskt ledande och eldfasta metaller. Användningen av likvärdiga blandningar gör att du kan identifiera materialets styrkor och använda dem för deras avsedda ändamål. Ibland resulterar en kombination av kompositer i ett helt nytt element med olika egenskaper.

filmmaterial

Filmer och band som elektriska material har vunnit ett stort användningsområde inom elektroteknik. Deras egenskaper skiljer sig från andra dielektrika i flexibilitet, tillräcklig mekanisk hållfasthet och utmärkta isoleringsegenskaper. Tjockleken på produkterna varierar beroende på material:

• filmer är gjorda med en tjocklek på 6-255 mikron, band tillverkas i 0,2-3,1 mm;
• polystyrenprodukter i form av tejper och filmer tillverkas med en tjocklek på 20-110 mikron;
• polyetenband är gjorda med en tjocklek på 35-200 mikron, en bredd på 250 till 1500 mm;
• fluorplastfilmer är gjorda med en tjocklek på 5 till 40 mikron, en bredd på 10-210 mm.

Klassificering av elektriska material från filmen gör att vi kan särskilja två typer: orienterade och icke-orienterade filmer. Det första materialet används oftast.

Lack och emaljer för elektrisk isolering

Lösningar av ämnen som bildar en film under stelning är moderna elektriska material. Denna grupp inkluderar bitumen, torkande oljor, hartser, cellulosaetrar eller föreningar och kombinationer av dessa komponenter. Omvandlingen av en viskös komponent till en isolator sker efter avdunstning från massan av det applicerade lösningsmedlet och bildandet av en tät film. Enligt appliceringsmetoden delas filmer in i lim, impregnering och beläggning.

Impregneringslack används för lindningar av elektriska installationer för att öka koefficienten för värmeledningsförmåga och motståndskraft mot fukt. Beläggningslack skapar en övre skyddande beläggning mot fukt, frost, olja för lindningarnas yta, plast, isolering. Självhäftande komponenter kan binda glimmerplattor till andra material.

Komponenter för elektrisk isolering

Dessa material presenteras som en flytande lösning vid användningstillfället, följt av stelning och härdning. Ämnen kännetecknas av att de inte innehåller lösningsmedel. Föreningar tillhör också gruppen "elektrotekniska material". Deras typer är fyllande och impregnerande. Den första typen används för att fylla kaviteter i kabelhylsor, och den andra gruppen används för att impregnera motorlindningar.

Föreningar tillverkas av termoplast, de mjuknar efter stigande temperaturer och härdas och behåller formen av härdning.

Fibrösa icke-impregnerade elektriska isoleringsmaterial

För tillverkning av sådana material används organiska fibrer och konstgjorda komponenter. Naturliga växtfibrer av naturligt siden, linne, trä omvandlas till material av organiskt ursprung (fiber, tyg, kartong). Fuktigheten hos sådana isolatorer varierar från 6-10%.

Organiska syntetiska material (kapron) innehåller endast fukt från 3 till 5 %, samma mättnad med fukt och oorganiska fibrer (glasfiber). Oorganiska material kännetecknas av att de inte kan antändas när de upphettas kraftigt. Om materialen är impregnerade med emaljer eller lacker ökar brännbarheten. Leveransen av elektriskt material sker till ett företag för tillverkning av elektriska maskiner och apparater.

Letheroid

Tunn fiber tillverkas i ark och rullas till en rulle för transport. Det används som material för tillverkning av isoleringspackningar, formade dielektrika, brickor. Asbestimpregnerat papper och asbestkartong är gjorda av krysolitasbest som delar upp den till fibrer. Asbest är resistent mot alkaliska miljöer, men förstörs i sura miljöer.

Sammanfattningsvis bör det noteras att med användningen av moderna material för isolering av elektriska apparater har deras livslängd ökat avsevärt. Material med utvalda egenskaper används för installationernas kroppar, vilket gör det möjligt att producera ny funktionell utrustning med förbättrad prestanda.