Elektriske materialer, deres egenskaber og anvendelser

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-17 10:22

Effektiv og holdbar drift af elektriske maskiner og installationer afhænger direkte af isoleringstilstanden, som der bruges elektriske materialer til. De er kendetegnet ved et sæt af visse egenskaber, når de placeres i et elektromagnetisk felt, og de er installeret i enheder under hensyntagen til disse indikatorer.

Klassificering af elektriske materialer giver os mulighed for at opdele i separate grupper af elektriske isolerings-, halvleder-, leder- og magnetiske materialer, som suppleres af basisprodukter: kondensatorer, ledninger, isolatorer og færdige halvlederelementer.

Materialer arbejder både i separate magnetiske eller elektriske felter med visse egenskaber og udsættes for flere strålinger på samme tid. Magnetiske materialer er betinget opdelt i magneter og svagt magnetiske stoffer. I elektroteknik er højmagnetiske materialer mest udbredt.

Science ofmaterialer

Et materiale er et stof, der er karakteriseret ved en kemisk sammensætning, egenskaber og struktur af molekyler og atomer, der er forskellig fra andre objekter. Stof er i en af fire tilstande: gasformig, fast, plasma eller flydende. Elektriske og strukturelle materialer udfører en række funktioner i installationen.

Ledende materialer udfører transmissionen af elektronstrømmen, dielektriske komponenter giver isolering. Brugen af resistive elementer konverterer elektrisk energi til termisk energi, strukturelle materialer bevarer formen på produktet, for eksempel etuiet. Elektriske og strukturelle materialer udfører nødvendigvis ikke én, men flere relaterede funktioner, for eksempel vil dielektrikumet i driften af en elektrisk installation udsættes for belastninger, hvilket bringer det tættere på strukturelle materialer.

Elektroteknisk materialevidenskab er en videnskab, der beskæftiger sig med bestemmelse af egenskaber, studiet af et stofs adfærd, når det udsættes for elektricitet, varme, frost, magnetfelt osv. Videnskaben studerer de specifikke egenskaber, der er nødvendige for at skabe elektriske maskiner, enheder og installationer.

Conductors

Disse omfatter elektriske materialer, hvis hovedindikator er den udt alte ledningsevne af elektrisk strøm. Dette sker, fordi elektroner konstant er til stede i stofmassen, svagt bundet til kernen og er frie ladningsbærere. De bevæger sig fra et molekyles kredsløb til et andet og skaber en strøm. Hovedledermaterialerne er kobber, aluminium.

Ledere inkluderer elementer, der har elektrisk resistivitet ρ < 10^-5, mens en fremragende leder er et materiale med en indikator på 10^{-8Ohmm. Alle metaller leder strøm godt, ud af 105 elementer i tabellen er kun 25 ikke metaller, og fra denne heterogene gruppe leder 12 materialer elektrisk strøm og betragtes som halvledere.}

Elektriske materialers fysik tillader deres brug som ledere i gasformig og flydende tilstand. Som flydende metal med normal temperatur anvendes kun kviksølv, hvortil dette er en naturlig tilstand. De resterende metaller bruges kun som væskeledere, når de opvarmes. Til ledere anvendes også ledende væsker, såsom elektrolyt. Vigtige egenskaber ved ledere, der gør det muligt at skelne dem fra graden af elektrisk ledningsevne, er egenskaberne ved termisk ledningsevne og evnen til termisk generering.

Dielektriske materialer

I modsætning til ledere indeholder massen af dielektrikum et lille antal frie aflange elektroner. Et stofs hovedegenskab er dets evne til at opnå polaritet under påvirkning af et elektrisk felt. Dette fænomen forklares ved, at under påvirkning af elektricitet bevæger de bundne ladninger sig mod de virkende kræfter. Forskydningsafstanden er større, jo højere elektrisk feltstyrke er.

Isolerende elektriske materialer er jo tættere på det ideelle, jo mindreen indikator for specifik ledningsevne, og jo mindre udt alt graden af polarisering, hvilket gør det muligt at bedømme spredning og frigivelse af termisk energi. Ledningsevnen af et dielektrikum er baseret på virkningen af et lille antal frie dipoler, der skifter i feltets retning. Efter polarisering danner dielektrikumet et stof med forskellig polaritet, det vil sige, at der dannes to forskellige tegn på ladninger på overfladen.

Brugen af dielektrikum er mest omfattende inden for elektroteknik, da de aktive og passive karakteristika af elementet bruges.

Aktive materialer med håndterbare egenskaber omfatter:

• pyroelektrisk;
• elektrofosforer;
• piezoelektrik;
• ferroelektrik;
• elektreter;
• materialer til laserstrålere.

De vigtigste elektriske materialer - dielektriske stoffer med passive egenskaber, bruges som isoleringsmaterialer og kondensatorer af den sædvanlige type. De er i stand til at adskille to sektioner af det elektriske kredsløb fra hinanden og forhindre strømmen af elektriske ladninger. Med deres hjælp er strømførende dele isoleret, så elektrisk energi ikke kommer ned i jorden eller til kabinettet.

Dielektrisk adskillelse

Dielektrikum er opdelt i organiske og uorganiske materialer, afhængigt af den kemiske sammensætning. Uorganiske dielektrika indeholder ikke kulstof i deres sammensætning, mens organiske former har kulstof som hovedelement. uorganiske stoffer som keramik,glimmer, har en høj grad af opvarmning.

Elektrotekniske materialer i henhold til metoden til opnåelse er opdelt i naturlige og kunstige dielektrika. Den udbredte brug af syntetiske materialer er baseret på, at fremstillingen giver dig mulighed for at give materialet de ønskede egenskaber.

Ifølge strukturen af molekyler og det molekylære gitter er dielektrikum opdelt i polære og ikke-polære. Sidstnævnte kaldes også neutrale. Forskellen ligger i, at før den elektriske strøm begynder at virke på dem, har atomer og molekyler enten en elektrisk ladning eller ikke. Den neutrale gruppe omfatter fluorplast, polyethylen, glimmer, kvarts osv. Polære dielektrika består af molekyler med positiv eller negativ ladning, et eksempel er polyvinylchlorid, bakelit.

Dielektriske egenskaber

Da dielektriske stoffer er opdelt i gasformige, flydende og faste. De mest almindeligt anvendte solide elektriske materialer. Deres egenskaber og anvendelser evalueres ved hjælp af indikatorer og karakteristika:

• volumenmodstand;
• dielektrisk konstant;
• overflademodstand;
• termisk permeabilitetskoefficient;
• dielektriske tab udtrykt som tangens af vinkel;
• styrke af materiale under påvirkning af elektricitet.

Volumenresistivitet afhænger af et materiales evne til at modstå strømmen af en konstant strøm gennem det. Den gensidige resistivitet kaldes volumenspecifikledningsevne.

Overfladeresistivitet er et materiales evne til at modstå jævnstrøm, der flyder hen over dets overflade. Overfladeledningsevne er den reciproke af den foregående værdi.

Den termiske permeabilitetskoefficient afspejler graden af ændring i resistivitet efter at have øget temperaturen af et stof. Norm alt, når temperaturen stiger, falder modstanden, derfor bliver værdien af koefficienten negativ.

Dielektrisk konstant bestemmer brugen af elektriske materialer i overensstemmelse med materialets evne til at skabe elektrisk kapacitans. Indikatoren for dielektrikumets relative permeabilitet er inkluderet i begrebet absolut permeabilitet. Ændringen i isoleringens kapacitans er vist ved den tidligere termiske permeabilitetskoefficient, som samtidig viser en stigning eller et fald i kapacitansen med en ændring i temperaturen.

Den dielektriske tabstangent afspejler mængden af effekttab i et kredsløb i forhold til det dielektriske materiale, der udsættes for en elektrisk vekselstrøm.

Elektriske materialer er kendetegnet ved en indikator for elektrisk styrke, som bestemmer muligheden for ødelæggelse af et stof under påvirkning af stress. Ved identifikation af mekanisk styrke er der en række tests for at etablere en indikator for ultimativ styrke i kompression, spænding, bøjning, vridning, stød og sp altning.

Dielektriskes fysiske og kemiske egenskaber

Dielektrik indeholder et bestemt antalfrigivne syrer. Mængden af kaustisk kalium i milligram, der kræves for at slippe af med urenheder i 1 g af et stof, kaldes syretallet. Syrer ødelægger organiske materialer, har en negativ effekt på isoleringsegenskaber.

Karakteristikken for elektriske materialer er suppleret med en viskositetskoefficient eller friktionskoefficient, der viser graden af fluiditet af et stof. Viskositet er opdelt i betinget og kinematisk.

Vandabsorptionsgraden bestemmes afhængigt af massen af vand, der absorberes af elementet i teststørrelsen efter en dags ophold i vand ved en given temperatur. Denne egenskab angiver materialets porøsitet, idet en forøgelse af værdien forringer de isolerende egenskaber.

Magnetiske materialer

Indikatorer til evaluering af magnetiske egenskaber kaldes magnetiske karakteristika:

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

Magnetiske materialer er opdelt i hårde og bløde. Bløde elementer er karakteriseret ved små tab, når størrelsen af kroppens magnetisering h alter efter det virkende magnetfelt. De er mere permeable for magnetiske bølger, har en lille tvangskraft og øget induktiv mætning. De bruges til konstruktion af transformatorer, elektromagnetiske maskiner og mekanismer, magnetiske skærme og andre enheder, hvor magnetisering med lav energi er påkrævet.udeladelser. Disse omfatter rent elektrolytjern, jern - armco, permalloy, elektriske stålplader, nikkel-jernlegeringer.

Fastmaterialer er karakteriseret ved betydelige tab, når magnetiseringsgraden h alter efter et eksternt magnetfelt. Efter at have modtaget magnetiske impulser én gang, magnetiseres sådanne elektriske materialer og produkter og bevarer den akkumulerede energi i lang tid. De har en stor tvangskraft og en stor restinduktionskapacitet. Elementer med disse egenskaber bruges til fremstilling af stationære magneter. Elementerne er repræsenteret af jernbaserede legeringer, aluminium, nikkel, kobolt, siliciumkomponenter.

Magnetodielectrics

Dette er blandede materialer, der indeholder 75-80% magnetisk pulver, resten af massen er fyldt med et organisk højpolymer-dielektrikum. Ferritter og magnetoelektriske stoffer har høje værdier af volumenresistivitet, små hvirvelstrømstab, hvilket gør det muligt at bruge dem i højfrekvensteknologi. Ferritter har stabil ydeevne i forskellige frekvensfelter.

Anvendelsesområde for ferromagneter

De bruges mest effektivt til at skabe kernerne i transformerspoler. Brugen af materialet giver dig mulighed for i høj grad at øge transformatorens magnetfelt uden at ændre strømaflæsningerne. Sådanne indsatser lavet af ferrit giver dig mulighed for at spare elforbrug under driften af enheden. Elektriske materialer og udstyr efter at have slukket den eksterne magnetiske effekt bevarermagnetiske indikatorer og fastholder feltet i det tilstødende rum.

Elementære strømme passerer ikke, efter at magneten er slukket, hvilket skaber en standard permanent magnet, der fungerer effektivt i hovedtelefoner, telefoner, måleinstrumenter, kompasser, lydoptagere. Permanente magneter, der ikke leder elektricitet, er meget populære i anvendelsen. De opnås ved at kombinere jernoxider med forskellige andre oxider. Magnetisk jernmalm er en ferrit.

halvledermaterialer

Dette er elementer, der har en ledningsevneværdi, der ligger inden for området for denne indikator for ledere og dielektrikum. Disse materialers ledningsevne afhænger direkte af manifestationen af urenheder i massen, ydre stødretninger og indre defekter.

Karakteristika for elektriske materialer i halvledergruppen indikerer en signifikant forskel mellem elementerne fra hinanden i det strukturelle gitter, sammensætning, egenskaber. Afhængigt af de specificerede parametre er materialer opdelt i 4 typer:

1. Elementer, der indeholder atomer af samme type: silicium, phosphor, bor, selen, indium, germanium, gallium, osv.
2. Materialer indeholdende metaloxider - kobber, cadmiumoxid, zinkoxid osv.
3. Materialer kombineret i antimonidgruppen.
4. Organiske materialer - naphthalen, anthracen osv.

Afhængig af krystalgitteret er halvledere opdelt i polykrystallinske materialer og monokrystallinske materialerelementer. Det karakteristiske ved elektriske materialer gør det muligt at opdele dem i ikke-magnetiske og svagt magnetiske. Blandt de magnetiske komponenter skelnes der mellem halvledere, ledere og ikke-ledende elementer. En klar fordeling er svær at lave, da mange materialer opfører sig forskelligt under skiftende forhold. For eksempel kan driften af nogle halvledere ved lave temperaturer sammenlignes med driften af isolatorer. De samme dielektrika fungerer som halvledere, når de opvarmes.

Kompositmaterialer

Materialer, der ikke er opdelt efter funktion, men efter sammensætning, kaldes kompositmaterialer, det er også elektriske materialer. Deres egenskaber og anvendelse skyldes kombinationen af materialer, der anvendes i fremstillingen. Eksempler er pladeglasfiberkomponenter, glasfiber, blandinger af elektrisk ledende og ildfaste metaller. Brugen af ækvivalente blandinger giver dig mulighed for at identificere materialets styrker og anvende dem til deres tilsigtede formål. Nogle gange resulterer en kombination af kompositter i et helt nyt element med forskellige egenskaber.

filmmateriale

Film og bånd som elektriske materialer har vundet et stort anvendelsesområde inden for elektroteknik. Deres egenskaber adskiller sig fra andre dielektrika i fleksibilitet, tilstrækkelig mekanisk styrke og fremragende isoleringsegenskaber. Tykkelsen af produkter varierer afhængigt af materialet:

• film er lavet med en tykkelse på 6-255 mikron, bånd er produceret i 0,2-3,1 mm;
• polystyrenprodukter i form af tape og film produceres med en tykkelse på 20-110 mikron;
• polyethylentape er lavet med en tykkelse på 35-200 mikron, en bredde på 250 til 1500 mm;
• fluoroplastiske film er lavet med en tykkelse på 5 til 40 mikron, en bredde på 10-210 mm.

Klassificering af elektriske materialer fra filmen giver os mulighed for at skelne mellem to typer: orienterede og ikke-orienterede film. Det første materiale bruges oftest.

Lakker og emaljer til elektrisk isolering

Løsninger af stoffer, der danner en film under størkning, er moderne elektriske materialer. Denne gruppe omfatter bitumen, tørrende olier, harpikser, celluloseethere eller forbindelser og kombinationer af disse komponenter. Omdannelsen af en viskøs komponent til en isolator sker efter fordampning fra massen af det påførte opløsningsmiddel og dannelsen af en tæt film. Ifølge påføringsmetoden opdeles film i klæbemiddel, imprægnering og belægning.

Imprægneringslakker bruges til viklinger af elektriske installationer for at øge koefficienten for varmeledningsevne og modstandsdygtighed over for fugt. Belægningslakker skaber en øvre beskyttende belægning mod fugt, frost, olie til overfladen af viklingerne, plast, isolering. Klæbende komponenter er i stand til at binde glimmerplader til andre materialer.

Forbindelser til elektrisk isolering

Disse materialer præsenteres som en flydende opløsning på brugstidspunktet, efterfulgt af størkning og hærdning. Stoffer er kendetegnet ved, at de ikke indeholder opløsningsmidler. Forbindelser hører også til gruppen "elektrotekniske materialer". Deres typer er fyldende og imprægnerende. Den første type bruges til at fylde hulrum i kabelmuffer, og den anden gruppe bruges til at imprægnere motorviklinger.

Forbindelser er fremstillet af termoplast, de blødgøres efter stigende temperaturer og termohærdede, hvilket bevarer formen af hærdning.

Fibrøse ikke-imprægnerede elektriske isoleringsmaterialer

Til fremstilling af sådanne materialer bruges organiske fibre og kunstigt fremstillede komponenter. Naturlige plantefibre af naturlig silke, hør, træ omdannes til materialer af organisk oprindelse (fibre, stof, pap). Luftfugtigheden af sådanne isolatorer varierer fra 6-10%.

Organiske syntetiske materialer (kapron) indeholder kun fugt fra 3 til 5 %, samme mætning med fugt og uorganiske fibre (glasfiber). Uorganiske materialer er karakteriseret ved deres manglende evne til at antænde, når de opvarmes betydeligt. Hvis materialerne er imprægneret med emaljer eller lak, øges brændbarheden. Leveringen af elektriske materialer sker til en virksomhed til fremstilling af elektriske maskiner og enheder.

Letheroid

Tynd fiber fremstilles i ark og rulles til en rulle til transport. Det bruges som et materiale til fremstilling af isoleringspakninger, formede dielektrika, skiver. Asbestimprægneret papir og asbestpap er lavet af krysolitasbest, der sp alter det i fibre. Asbest er modstandsdygtig over for alkaliske miljøer, men ødelægges i sure miljøer.

Afslutningsvis skal det bemærkes, at med brugen af moderne materialer til isolering af elektriske apparater er deres levetid øget betydeligt. Materialer med udvalgte egenskaber anvendes til installationernes kroppe, hvilket gør det muligt at producere nyt funktionelt udstyr med forbedret ydeevne.