Električni materiali, njihove lastnosti in uporaba

2024 Avtor: Howard Calhoun | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-17 10:40

Učinkovito in trajno delovanje električnih strojev in instalacij je neposredno odvisno od stanja izolacije, za katero se uporabljajo električni materiali. Zanje je značilen niz določenih lastnosti, ko so nameščeni v elektromagnetno polje, in so nameščeni v napravah, ki upoštevajo te kazalnike.

Razvrstitev električnih materialov nam omogoča, da razdelimo v ločene skupine električnih izolacijskih, polprevodniških, prevodniških in magnetnih materialov, ki jih dopolnjujejo osnovni izdelki: kondenzatorji, žice, izolatorji in končni polprevodniški elementi.

Materiali delujejo v ločenih magnetnih ali električnih poljih z določenimi lastnostmi in so hkrati izpostavljeni več sevanjem. Magnetni materiali so pogojno razdeljeni na magnete in šibko magnetne snovi. V elektrotehniki se najpogosteje uporabljajo visoko magnetni materiali.

Znanost omateriali

Material je snov, za katero so značilni kemična sestava, lastnosti in struktura molekul in atomov, ki se razlikujejo od drugih predmetov. Snov je v enem od štirih stanj: plinasto, trdno, plazmo ali tekoče. Električni in konstrukcijski materiali opravljajo različne funkcije pri namestitvi.

Prevodni materiali izvajajo prenos toka elektronov, dielektrične komponente zagotavljajo izolacijo. Uporaba uporovnih elementov pretvori električno energijo v toplotno energijo, konstrukcijski materiali ohranijo obliko izdelka, na primer ohišja. Električni in konstrukcijski materiali nujno opravljajo ne eno, ampak več povezanih funkcij, na primer dielektrik pri delovanju električne instalacije doživlja obremenitve, kar ga približa konstrukcijskim materialom.

Elektrotehnična znanost o materialih je znanost, ki se ukvarja z določanjem lastnosti, preučevanjem obnašanja snovi, ko je izpostavljena elektriki, toploti, zmrzali, magnetnemu polju itd. Znanost preučuje posebne značilnosti, potrebne za ustvarjanje električnih stroji, naprave in instalacije.

Dirigenti

Sem spadajo električni materiali, katerih glavni kazalnik je izrazita prevodnost električnega toka. To se zgodi, ker so v masi snovi nenehno prisotni elektroni, ki so šibko vezani na jedro in so prosti nosilci naboja. Premikajo se iz orbite ene molekule v drugo in ustvarjajo tok. Glavni materiali prevodnikov so baker, aluminij.

Prevodniki vključujejo elemente, ki imajo električno upornost ρ < 10^-5, medtem ko je odličen prevodnik material z indikatorjem 10^{-8Ohmm. Vse kovine dobro prevajajo tok, od 105 elementov tabele le 25 ni kovin, iz te heterogene skupine pa 12 materialov prevaja električni tok in se štejejo za polprevodnike.}

Fizika električnih materialov omogoča njihovo uporabo kot prevodnike v plinastem in tekočem stanju. Kot tekoča kovina z normalno temperaturo se uporablja samo živo srebro, za katerega je to naravno stanje. Preostale kovine se uporabljajo kot tekoči prevodniki le pri segrevanju. Za prevodnike se uporabljajo tudi prevodne tekočine, kot je elektrolit. Pomembne lastnosti prevodnikov, ki omogočajo njihovo razlikovanje po stopnji električne prevodnosti, so značilnosti toplotne prevodnosti in sposobnost toplotne proizvodnje.

Dielektrični materiali

Za razliko od prevodnikov, masa dielektrikov vsebuje majhno število prostih podolgovatih elektronov. Glavna lastnost snovi je njena sposobnost pridobivanja polarnosti pod vplivom električnega polja. Ta pojav je razložen z dejstvom, da se pod delovanjem elektrike vezani naboji premikajo proti delujočim silam. Večja je razdalja premika, večja je moč električnega polja.

Izolacijski električni materiali so bližje idealu, manjindikator specifične prevodnosti in manj izrazita stopnja polarizacije, kar omogoča presojo razpršitve in sproščanja toplotne energije. Prevodnost dielektrika temelji na delovanju majhnega števila prostih dipolov, ki se premikajo v smeri polja. Po polarizaciji dielektrik tvori snov z različno polarnostjo, to pomeni, da na površini nastaneta dva različna znaka nabojev.

Uporaba dielektrikov je najbolj obsežna v elektrotehniki, saj se uporabljajo aktivne in pasivne lastnosti elementa.

Aktivni materiali z obvladljivimi lastnostmi vključujejo:

• piroelektrika;
• elektrofosfor;
• piezoelektrika;
• feroelektriki;
• elektrete;
• materiali za laserske oddajnike.

Glavni električni materiali - dielektriki s pasivnimi lastnostmi, se uporabljajo kot izolacijski materiali in kondenzatorji običajnega tipa. Sposobni so ločiti dva dela električnega tokokroga enega od drugega in preprečiti pretok električnih nabojev. Z njihovo pomočjo so tokovni deli izolirani, tako da električna energija ne gre v zemljo ali v ohišje.

Dielektrična ločitev

Dielektrike delimo na organske in anorganske materiale, odvisno od kemične sestave. Anorganski dielektriki v svoji sestavi ne vsebujejo ogljika, organske oblike pa imajo kot glavni element ogljik. anorganske snovi, kot je keramika,sljuda, imajo visoko stopnjo segrevanja.

Elektrotehnični materiali glede na način pridobivanja delimo na naravne in umetne dielektrike. Široka uporaba sintetičnih materialov temelji na dejstvu, da proizvodnja omogoča, da materialu daste želene lastnosti.

Glede na strukturo molekul in molekulsko mrežo se dielektriki delijo na polarne in nepolarne. Slednje imenujemo tudi nevtralne. Razlika je v tem, da preden nanje začne delovati električni tok, imajo atomi in molekule električni naboj ali pa ga nimajo. Nevtralna skupina vključuje fluoroplast, polietilen, sljudo, kremen itd. Polarni dielektriki so sestavljeni iz molekul s pozitivnim ali negativnim nabojem, primer je polivinilklorid, bakelit.

Lastnosti dielektrikov

Kot dielektrike delimo na plinaste, tekoče in trdne. Najpogosteje uporabljeni trdni električni materiali. Njihove lastnosti in aplikacije se ocenjujejo s pomočjo indikatorjev in značilnosti:

• volumenska upornost;
• dielektrična konstanta;
• površinska upornost;
• koeficient toplotne prepustnosti;
• dielektrične izgube, izražene kot tangent kota;
• trdnost materiala pod delovanjem elektrike.

Volumna upornost je odvisna od sposobnosti materiala, da se upre pretoku stalnega toka skozi njega. Vzajemna upornost se imenuje volumensko specifičnaprevodnost.

Površinska upornost je sposobnost materiala, da se upre enosmernemu toku, ki teče po njegovi površini. Površinska prevodnost je recipročna vrednost prejšnje vrednosti.

Koeficient toplotne prepustnosti odraža stopnjo spremembe upornosti po povečanju temperature snovi. Običajno se z naraščanjem temperature upor zmanjša, zato vrednost koeficienta postane negativna.

Dielektrična konstanta določa uporabo električnih materialov v skladu s sposobnostjo materiala, da ustvari električno kapacitivnost. Kazalnik relativne prepustnosti dielektrika je vključen v koncept absolutne prepustnosti. Spremembo kapacitivnosti izolacije kaže prejšnji koeficient toplotne prepustnosti, ki hkrati kaže povečanje ali zmanjšanje kapacitivnosti s spremembo temperature.

Tangens dielektrične izgube odraža količino izgube moči v vezju glede na dielektrični material, ki je izpostavljen električnemu izmeničnemu toku.

Za električne materiale je značilen indikator električne trdnosti, ki določa možnost uničenja snovi pod vplivom stresa. Pri ugotavljanju mehanske trdnosti obstajajo številni testi za določitev indikatorja končne trdnosti pri stiskanju, napetosti, upogibanju, torziji, udarcu in cepljenju.

Fizikalne in kemijske lastnosti dielektrikov

Dielektriki vsebujejo določeno številosproščene kisline. Količina kavstičnega kalija v miligramih, ki je potrebna za odstranitev nečistoč v 1 g snovi, se imenuje kislinsko število. Kisline uničujejo organske materiale, negativno vplivajo na izolacijske lastnosti.

Značilnost električnih materialov je dopolnjena s koeficientom viskoznosti ali trenja, ki kaže stopnjo pretočnosti snovi. Viskoznost je razdeljena na pogojno in kinematsko.

Stopnja absorpcije vode se določi glede na maso vode, ki jo absorbira element preskusne velikosti po enem dnevu, ko je bil v vodi pri določeni temperaturi. Ta lastnost kaže na poroznost materiala, povečanje vrednosti pa poslabša izolacijske lastnosti.

magnetni materiali

Indikatorji za ocenjevanje magnetnih lastnosti se imenujejo magnetne karakteristike:

• magnetna absolutna prepustnost;
• magnetna relativna prepustnost;
• termalna magnetna prepustnost;
• energija največjega magnetnega polja.

Magnetni materiali se delijo na trde in mehke. Za mehke elemente so značilne majhne izgube, ko velikost magnetizacije telesa zaostaja za delujočim magnetnim poljem. So bolj prepustni za magnetne valove, imajo majhno prisilno silo in povečano induktivno nasičenost. Uporabljajo se pri izdelavi transformatorjev, elektromagnetnih strojev in mehanizmov, magnetnih zaslonov in drugih naprav, kjer je potrebno magnetiziranje z nizko energijo.opustitve. Sem spadajo železo s čistim elektrolitom, železo - armco, permaloy, pločevina iz električnega jekla, nikelj-železove zlitine.

Za trdne materiale so značilne znatne izgube, ko stopnja magnetizacije zaostaja za zunanjim magnetnim poljem. Po enkratnem prejemu magnetnih impulzov se takšni električni materiali in izdelki magnetizirajo in dolgo časa zadržijo nakopičeno energijo. Imajo veliko prisilno silo in veliko preostalo indukcijsko zmogljivost. Elementi s temi lastnostmi se uporabljajo za izdelavo stacionarnih magnetov. Elemente predstavljajo zlitine na osnovi železa, aluminij, nikelj, kob alt, komponente silicija.

magnetodielektriki

To so mešani materiali, ki vsebujejo 75-80% magnetnega prahu, preostala masa je napolnjena z organskim visokopolimernim dielektrikom. Feriti in magnetodielektriki imajo visoke vrednosti prostornine upornosti, majhne izgube na vrtinčne tokove, kar jim omogoča uporabo v visokofrekvenčni tehnologiji. Feriti imajo stabilno delovanje v različnih frekvenčnih poljih.

Področje uporabe feromagnetov

Najučinkoviteje se uporabljajo za ustvarjanje jeder transformatorskih tuljav. Uporaba materiala vam omogoča, da močno povečate magnetno polje transformatorja, pri tem pa ne spremenite trenutnih odčitkov. Takšni vložki iz feritov vam omogočajo, da prihranite porabo električne energije med delovanjem naprave. Električni materiali in oprema po izklopu zunanjega magnetnega učinka ohranijomagnetni indikatorji in ohranja polje v sosednjem prostoru.

Elementarni tokovi po izklopu magneta ne prehajajo, s čimer nastane standardni trajni magnet, ki učinkovito deluje v slušalkah, telefonih, merilnih instrumentih, kompasu, snemalniku zvoka. Pri uporabi so zelo priljubljeni trajni magneti, ki ne prevajajo električne energije. Dobimo jih s kombiniranjem železovih oksidov z različnimi drugimi oksidi. Magnetna železova ruda je ferit.

Polprevodniški materiali

To so elementi, ki imajo vrednost prevodnosti, ki je v območju tega indikatorja za prevodnike in dielektrike. Prevodnost teh materialov je neposredno odvisna od manifestacije nečistoč v masi, zunanjih smeri udarca in notranjih napak.

Karakteristike električnih materialov polprevodniške skupine kažejo na pomembno razliko med elementi med seboj v strukturni mreži, sestavi, lastnostih. Glede na navedene parametre so materiali razdeljeni na 4 vrste:

1. Elementi, ki vsebujejo atome iste vrste: silicij, fosfor, bor, selen, indij, germanij, galij itd.
2. Materiali, ki vsebujejo kovinske okside - baker, kadmijev oksid, cinkov oksid itd.
3. Materiali, združeni v skupino antimonidov.
4. Ekološki materiali - naftalen, antracen itd.

Odvisno od kristalne mreže se polprevodniki delijo na polikristalne materiale in monokristalneelementov. Značilnost električnih materialov omogoča, da jih razdelimo na nemagnetne in šibko magnetne. Med magnetnimi komponentami ločimo polprevodnike, prevodnike in neprevodne elemente. Jasno porazdelitev je težko narediti, saj se mnogi materiali v spreminjajočih se pogojih obnašajo drugače. Na primer, delovanje nekaterih polprevodnikov pri nizkih temperaturah lahko primerjamo z delovanjem izolatorjev. Isti dielektriki pri segrevanju delujejo kot polprevodniki.

kompozitni materiali

Materiali, ki niso razdeljeni po funkciji, ampak po sestavi, se imenujejo kompozitni materiali, to so tudi električni materiali. Njihove lastnosti in uporaba so posledica kombinacije materialov, uporabljenih pri izdelavi. Primeri so komponente iz steklenih vlaken, steklena vlakna, mešanice električno prevodnih in ognjevzdržnih kovin. Uporaba enakovrednih mešanic vam omogoča, da prepoznate trdnosti materiala in jih uporabite za predvideni namen. Včasih kombinacija kompozitov povzroči popolnoma nov element z različnimi lastnostmi.

filmski material

Filmi in trakovi kot električni materiali so pridobili veliko področje uporabe v elektrotehniki. Njihove lastnosti se od drugih dielektrikov razlikujejo po fleksibilnosti, zadostni mehanski trdnosti in odličnih izolacijskih lastnostih. Debelina izdelkov se razlikuje glede na material:

• filmi so izdelani z debelino 6-255 mikronov, trakovi so izdelani v 0,2-3,1 mm;
• izdelki iz polistirena v obliki trakov in filmov se proizvajajo z debelino 20-110 mikronov;
• polietilenski trakovi so izdelani z debelino 35-200 mikronov, širino od 250 do 1500 mm;
• fluoroplastične folije so izdelane z debelino od 5 do 40 mikronov, širino 10-210 mm.

Razvrstitev električnih materialov iz filma nam omogoča, da ločimo dve vrsti: usmerjene in neorientirane filme. Najpogosteje se uporablja prvi material.

Laki in emajli za električno izolacijo

Raztopine snovi, ki med strjevanjem tvorijo film, so sodobni električni materiali. V to skupino spadajo bitumen, sušilna olja, smole, celulozni etri ali spojine in kombinacije teh komponent. Preoblikovanje viskozne komponente v izolator se pojavi po izhlapevanju iz mase uporabljenega topila in tvorbi gostega filma. Glede na način nanosa filme delimo na lepilne, impregnacijske in premazne.

Impregnacijski laki se uporabljajo za navitja električnih instalacij z namenom povečanja koeficienta toplotne prevodnosti in odpornosti na vlago. Premazni laki ustvarjajo zgornji zaščitni premaz pred vlago, zmrzaljo, oljem za površino navitij, plastike, izolacije. Lepilne komponente so sposobne lepiti plošče sljude na druge materiale.

Smesine za električno izolacijo

Ti materiali so v času uporabe predstavljeni kot tekoča raztopina, ki ji sledi strjevanje in strjevanje. Za snovi je značilno, da ne vsebujejo topil. Spojine spadajo tudi v skupino "elektrotehnični materiali". Njihove vrste so polnilne in impregnacijske. Prva vrsta se uporablja za zapolnitev votlin v kabelskih tulcih, druga skupina pa za impregniranje navitij motorja.

Spojine so izdelane iz termoplasta, ki se zmehčajo po zvišanju temperature in termoreaktivne, trdno ohranjajo obliko strjevanja.

Vlaknasti neimpregnirani električni izolacijski materiali

Za proizvodnjo takšnih materialov se uporabljajo organska vlakna in umetno ustvarjene komponente. Naravna rastlinska vlakna naravne svile, lana, lesa se pretvorijo v materiale organskega izvora (vlakna, tkanina, karton). Vlažnost takšnih izolatorjev se giblje od 6-10%.

Organski sintetični materiali (kapron) vsebujejo vlago le od 3 do 5%, enako nasičenost z vlago in anorganskimi vlakni (steklena vlakna). Za anorganske materiale je značilna nezmožnost vžiga ob močnem segrevanju. Če so materiali impregnirani z emajli ali laki, se gorljivost poveča. Dobava električnega materiala se opravi podjetju za proizvodnjo električnih strojev in naprav.

Letheroid

Tanko vlakno se proizvaja v listih in zvije v zvitek za transport. Uporablja se kot material za izdelavo izolacijskih tesnil, oblikovanih dielektrikov, podložk. Papir, impregniran z azbestom, in azbestni karton sta izdelana iz krizolitnega azbesta, ki ga razdeli na vlakna. Azbest je odporen na alkalna okolja, vendar se uniči v kislem okolju.

Za zaključek je treba opozoriti, da se je z uporabo sodobnih materialov za izolacijo električnih naprav njihova življenjska doba znatno podaljšala. Za ohišje inštalacij se uporabljajo materiali z izbranimi lastnostmi, kar omogoča izdelavo nove funkcionalne opreme z izboljšano zmogljivostjo.