Elektrické materiály, ich vlastnosti a použitie

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 10:39

Efektívna a trvalá prevádzka elektrických strojov a inštalácií priamo závisí od stavu izolácie, na ktorú sa elektrické materiály používajú. Vyznačujú sa súborom určitých vlastností, keď sú umiestnené v elektromagnetickom poli a sú inštalované v zariadeniach zohľadňujúcich tieto indikátory.

Klasifikácia elektrotechnických materiálov nám umožňuje rozdeliť do samostatných skupín elektroizolačné, polovodičové, vodičové a magnetické materiály, ktoré dopĺňajú základné produkty: kondenzátory, drôty, izolátory a hotové polovodičové prvky.

Materiály fungujú v oddelených magnetických alebo elektrických poliach s určitými vlastnosťami a sú vystavené niekoľkým žiareniam súčasne. Magnetické materiály sú podmienene rozdelené na magnety a slabo magnetické látky. V elektrotechnike sa najviac používajú vysoko magnetické materiály.

Vedamateriály

Materiál je látka charakterizovaná chemickým zložením, vlastnosťami a štruktúrou molekúl a atómov odlišnou od iných predmetov. Hmota je v jednom zo štyroch stavov: plynné, pevné, plazmové alebo kvapalné. Elektrické a konštrukčné materiály vykonávajú pri inštalácii rôzne funkcie.

Vodivé materiály zabezpečujú prenos toku elektrónov, dielektrické komponenty zabezpečujú izoláciu. Použitie odporových prvkov premieňa elektrickú energiu na tepelnú energiu, konštrukčné materiály zachovávajú tvar výrobku, napríklad puzdro. Elektrické a konštrukčné materiály nevyhnutne vykonávajú nie jednu, ale niekoľko súvisiacich funkcií, napríklad dielektrikum pri prevádzke elektrickej inštalácie podlieha zaťaženiu, čím sa približuje konštrukčným materiálom.

Elektrotechnická náuka o materiáloch je veda, ktorá sa zaoberá určovaním vlastností, štúdiom správania sa látky pri vystavení elektrine, teplu, mrazu, magnetickému poľu atď. Veda študuje špecifické vlastnosti potrebné na vytvorenie elektrických stroje, zariadenia a inštalácie.

Dirigenti

Patria sem elektrické materiály, ktorých hlavným ukazovateľom je výrazná vodivosť elektrického prúdu. Stáva sa to preto, že elektróny sú neustále prítomné v hmote, sú slabo viazané na jadro a sú voľnými nosičmi náboja. Pohybujú sa z obežnej dráhy jednej molekuly na druhú a vytvárajú prúd. Materiály hlavného vodiča sú meď, hliník.

Vodiče zahŕňajú prvky, ktoré majú elektrický odpor ρ < 10^-5, pričom vynikajúcim vodičom je materiál s indikátorom 10^{-8Ohmm. Všetky kovy vedú prúd dobre, zo 105 prvkov tabuľky iba 25 nie sú kovy az tejto heterogénnej skupiny 12 materiálov vedie elektrický prúd a považujú sa za polovodiče.}

Fyzika elektrických materiálov umožňuje ich použitie ako vodičov v plynnom a kvapalnom skupenstve. Ako tekutý kov s normálnou teplotou sa používa iba ortuť, pre ktorú je to prirodzený stav. Zvyšné kovy sa používajú ako kvapalné vodiče iba pri zahrievaní. Pre vodiče sa používajú aj vodivé kvapaliny, napríklad elektrolyt. Dôležitými vlastnosťami vodičov, ktoré umožňujú ich rozlíšenie podľa stupňa elektrickej vodivosti, sú vlastnosti tepelnej vodivosti a schopnosť generovať teplo.

Dielektrické materiály

Na rozdiel od vodičov obsahuje hmota dielektrika malý počet voľných predĺžených elektrónov. Hlavnou vlastnosťou látky je jej schopnosť získať polaritu pod vplyvom elektrického poľa. Tento jav sa vysvetľuje tým, že pri pôsobení elektriny sa viazané náboje pohybujú smerom k pôsobiacim silám. Vzdialenosť posunutia je väčšia, tým vyššia je intenzita elektrického poľa.

Izolačné elektromateriály sú čím bližšie k ideálu, tým menejindikátor špecifickej vodivosti a tým menej výrazný stupeň polarizácie, ktorý umožňuje posúdiť rozptyl a uvoľňovanie tepelnej energie. Vodivosť dielektrika je založená na pôsobení malého počtu voľných dipólov posúvajúcich sa v smere poľa. Po polarizácii dielektrikum vytvorí látku s rôznou polaritou, to znamená, že na povrchu sa vytvoria dva rôzne znaky náboja.

Použitie dielektrika je najrozsiahlejšie v elektrotechnike, pretože sa využívajú aktívne a pasívne charakteristiky prvku.

Aktívne materiály s ovládateľnými vlastnosťami zahŕňajú:

• pyroelectrics;
• elektrofosfory;
• piezoelektrika;
• feroelektrika;
• elektrety;
• materiály pre laserové žiariče.

Hlavné elektrické materiály - dielektrika s pasívnymi vlastnosťami, sa používajú ako izolačné materiály a kondenzátory bežného typu. Sú schopné oddeliť dve časti elektrického obvodu od seba a zabrániť toku elektrických nábojov. S ich pomocou sú časti pod prúdom izolované, aby sa elektrická energia nedostala do zeme alebo do puzdra.

Dielektrické oddelenie

Dielektrika sa v závislosti od chemického zloženia delia na organické a anorganické materiály. Anorganické dielektriká neobsahujú uhlík vo svojom zložení, zatiaľ čo organické formy majú uhlík ako hlavný prvok. anorganické látky, ako je keramika,sľuda, majú vysoký stupeň zahrievania.

Elektrotechnické materiály sa podľa spôsobu získavania delia na prírodné a umelé dielektriká. Široké používanie syntetických materiálov je založené na skutočnosti, že výroba umožňuje dodať materiálu požadované vlastnosti.

Podľa štruktúry molekúl a molekulárnej mriežky sa dielektriká delia na polárne a nepolárne. Tie posledné sa nazývajú aj neutrálne. Rozdiel spočíva v tom, že predtým, ako na ne začne pôsobiť elektrický prúd, atómy a molekuly buď majú alebo nemajú elektrický náboj. Do neutrálnej skupiny patria fluoroplasty, polyetylén, sľuda, kremeň atď. Polárne dielektriká pozostávajú z molekúl s kladným alebo záporným nábojom, príkladom je polyvinylchlorid, bakelit.

Vlastnosti dielektrika

Ako dielektrika sa delia na plynné, kvapalné a tuhé. Najčastejšie používané pevné elektromateriály. Ich vlastnosti a aplikácie sa hodnotia pomocou ukazovateľov a charakteristík:

• objemový odpor;
• dielektrická konštanta;
• povrchový odpor;
• koeficient tepelnej priepustnosti;
• dielektrické straty vyjadrené ako tangens uhla;
• pevnosť materiálu pri pôsobení elektriny.

Objemový odpor závisí od schopnosti materiálu odolávať toku konštantného prúdu cez neho. Prevrátená hodnota merného odporu sa nazýva objemovo špecifickávodivosť.

Povrchový odpor je schopnosť materiálu odolávať jednosmernému prúdu tečúcemu cez jeho povrch. Povrchová vodivosť je prevrátená k predchádzajúcej hodnote.

Koeficient tepelnej priepustnosti odráža stupeň zmeny odporu po zvýšení teploty látky. Zvyčajne so zvyšujúcou sa teplotou odpor klesá, preto je hodnota koeficientu záporná.

Dielektrická konštanta určuje použitie elektrických materiálov v súlade so schopnosťou materiálu vytvárať elektrickú kapacitu. Ukazovateľ relatívnej permeability dielektrika je zahrnutý v koncepte absolútnej permeability. Zmena kapacity izolácie je znázornená predchádzajúcim koeficientom tepelnej priepustnosti, ktorý súčasne ukazuje zvýšenie alebo zníženie kapacity so zmenou teploty.

Dotyčnica dielektrickej straty odráža veľkosť straty výkonu v obvode vzhľadom na dielektrický materiál vystavený elektrickému striedavému prúdu.

Elektrické materiály sa vyznačujú indikátorom elektrickej pevnosti, ktorý určuje možnosť deštrukcie látky pod vplyvom stresu. Pri identifikácii mechanickej pevnosti existuje množstvo testov na stanovenie indikátora konečnej pevnosti v tlaku, ťahu, ohybe, krútení, nárazu a štiepení.

Fyzikálne a chemické vlastnosti dielektrík

Dielektrika obsahujú určité číslouvoľnené kyseliny. Množstvo žieravého draslíka v miligramoch potrebné na zbavenie sa nečistôt v 1 g látky sa nazýva číslo kyslosti. Kyseliny ničia organické materiály, majú negatívny vplyv na izolačné vlastnosti.

Charakteristika elektrických materiálov je doplnená o koeficient viskozity alebo trenia, ktorý ukazuje stupeň tekutosti látky. Viskozita sa delí na podmienenú a kinematickú.

Stupeň absorpcie vody sa určuje v závislosti od množstva vody absorbovanej prvkom skúšobnej veľkosti po dni pobytu vo vode pri danej teplote. Táto charakteristika indikuje pórovitosť materiálu, zvýšenie hodnoty zhoršuje izolačné vlastnosti.

Magnetické materiály

Ukazovatele na hodnotenie magnetických vlastností sa nazývajú magnetické charakteristiky:

• magnetická absolútna permeabilita;
• magnetická relatívna permeabilita;
• tepelná magnetická permeabilita;
• energia maximálneho magnetického poľa.

Magnetické materiály sa delia na tvrdé a mäkké. Mäkké prvky sa vyznačujú malými stratami, keď veľkosť magnetizácie telesa zaostáva za pôsobiacim magnetickým poľom. Sú priepustnejšie pre magnetické vlny, majú malú koercitívnu silu a zvýšenú indukčnú saturáciu. Používajú sa pri konštrukcii transformátorov, elektromagnetických strojov a mechanizmov, magnetických obrazoviek a iných zariadení, kde je potrebná magnetizácia s nízkou energiou.opomenutia. Patria sem čisté elektrolytické železo, železo - armco, permalloy, plechy z elektrotechnickej ocele, zliatiny niklu a železa.

Pevné materiály sa vyznačujú výraznými stratami, keď stupeň magnetizácie zaostáva za vonkajším magnetickým poľom. Po jednorazovom prijatí magnetických impulzov sa takéto elektrické materiály a výrobky zmagnetizujú a nahromadenú energiu si uchovajú dlhú dobu. Majú veľkú donucovaciu silu a veľkú zvyškovú indukčnú kapacitu. Prvky s týmito vlastnosťami sa používajú na výrobu stacionárnych magnetov. Prvky predstavujú zliatiny na báze železa, hliník, nikel, kob alt, kremíkové komponenty.

Magnetodielektrika

Sú to zmiešané materiály, obsahujúce 75-80% magnetického prášku, zvyšok hmoty je vyplnený organickým vysokopolymérnym dielektrikom. Ferity a magnetodielektriká majú vysoké hodnoty objemového odporu, malé straty vírivými prúdmi, čo umožňuje ich využitie vo vysokofrekvenčnej technike. Ferity majú stabilný výkon v rôznych frekvenčných poliach.

Oblasť použitia feromagnetík

Najúčinnejšie sa používajú na vytváranie jadier transformátorových cievok. Použitie materiálu umožňuje výrazne zvýšiť magnetické pole transformátora, pričom sa nezmenia aktuálne hodnoty. Takéto vložky vyrobené z feritov umožňujú šetriť spotrebu elektrickej energie počas prevádzky zariadenia. Elektrické materiály a zariadenia po vypnutí vonkajšieho magnetického efektu zostávajú zachovanémagnetické indikátory a udržiava pole v priľahlom priestore.

Po vypnutí magnetu neprechádzajú elementárne prúdy, čím vzniká štandardný permanentný magnet, ktorý efektívne funguje v slúchadlách, telefónoch, meracích prístrojoch, kompasoch, zvukových záznamníkoch. Permanentné magnety, ktoré nevedú elektrický prúd, sú veľmi obľúbené v aplikácii. Získavajú sa kombináciou oxidov železa s rôznymi inými oxidmi. Magnetická železná ruda je ferit.

Polovodičové materiály

Toto sú prvky, ktoré majú hodnotu vodivosti, ktorá je v rozsahu tohto indikátora pre vodiče a dielektrika. Vodivosť týchto materiálov priamo závisí od prejavu nečistôt v hmote, vonkajších smerov nárazu a vnútorných defektov.

Charakteristika elektrických materiálov skupiny polovodičov naznačuje významný rozdiel medzi prvkami navzájom v štruktúrnej mriežke, zložení, vlastnostiach. V závislosti od špecifikovaných parametrov sú materiály rozdelené do 4 typov:

1. Prvky obsahujúce atómy rovnakého typu: kremík, fosfor, bór, selén, indium, germánium, gálium atď.
2. Materiály obsahujúce oxidy kovov - meď, oxid kadmia, oxid zinočnatý atď.
3. Materiály kombinované do skupiny antimonidov.
4. Organické materiály – naftalén, antracén atď.

V závislosti od kryštálovej mriežky sa polovodiče delia na polykryštalické materiály a monokryštalické materiályprvkov. Charakteristika elektrických materiálov umožňuje ich rozdelenie na nemagnetické a slabo magnetické. Medzi magnetickými komponentmi sa rozlišujú polovodiče, vodiče a nevodivé prvky. Je ťažké urobiť jasné rozdelenie, pretože mnohé materiály sa v meniacich sa podmienkach správajú odlišne. Napríklad činnosť niektorých polovodičov pri nízkych teplotách možno prirovnať k činnosti izolátorov. Rovnaké dielektriká fungujú pri zahrievaní ako polovodiče.

Kompozitné materiály

Materiály, ktoré sa nedelia podľa funkcie, ale podľa zloženia, sa nazývajú kompozitné materiály, ide tiež o elektromateriály. Ich vlastnosti a použitie sú dané kombináciou materiálov použitých pri výrobe. Príkladmi sú komponenty z tabuľových sklenených vlákien, sklenené vlákna, zmesi elektricky vodivých a žiaruvzdorných kovov. Použitie ekvivalentných zmesí vám umožňuje identifikovať silné stránky materiálu a použiť ich na určený účel. Niekedy výsledkom kombinácie kompozitov vznikne úplne nový prvok s inými vlastnosťami.

Filmové materiály

Fólie a pásky ako elektrické materiály získali veľkú oblasť použitia v elektrotechnike. Ich vlastnosti sa od ostatných dielektrík líšia ohybnosťou, dostatočnou mechanickou pevnosťou a výbornými izolačnými vlastnosťami. Hrúbka výrobkov sa líši v závislosti od materiálu:

• fólie sa vyrábajú s hrúbkou 6-255 mikrónov, pásky sa vyrábajú v hrúbke 0,2-3,1 mm;
• polystyrénové výrobky vo forme pások a fólií sa vyrábajú s hrúbkou 20-110 mikrónov;
• polyetylénové pásky sa vyrábajú s hrúbkou 35-200 mikrónov, šírkou 250 až 1500 mm;
• fluoroplastové fólie sa vyrábajú s hrúbkou 5 až 40 mikrónov, šírkou 10-210 mm.

Klasifikácia elektrotechnických materiálov z fólie nám umožňuje rozlíšiť dva typy: orientované a neorientované fólie. Prvý materiál sa používa najčastejšie.

Laky a emaily na elektrickú izoláciu

Roztoky látok, ktoré tvoria počas tuhnutia film, sú moderné elektromateriály. Táto skupina zahŕňa bitúmen, sušiace oleje, živice, étery celulózy alebo zlúčeniny a kombinácie týchto zložiek. Transformácia viskóznej zložky na izolant nastáva po odparení z hmoty aplikovaného rozpúšťadla a vytvorení hustého filmu. Podľa spôsobu aplikácie sa fólie delia na lepiace, impregnačné a náterové.

Impregnačné laky sa používajú na vinutia elektroinštalácií za účelom zvýšenia súčiniteľa tepelnej vodivosti a odolnosti proti vlhkosti. Náterové laky vytvárajú vrchný ochranný náter proti vlhkosti, mrazu, olejom na povrchu vinutí, plastov, izolácie. Lepiace komponenty sú schopné spájať sľudové platne s inými materiálmi.

Zmes na elektrickú izoláciu

Tieto materiály sú v čase použitia prezentované ako tekutý roztok, po ktorom nasleduje stuhnutie a vytvrdnutie. Látky sa vyznačujú tým, že neobsahujú rozpúšťadlá. Do skupiny "elektrotechnické materiály" patria aj zlúčeniny. Ich typy sú plniace a impregnačné. Prvý typ sa používa na vyplnenie dutín v káblových dutinkách a druhý typ sa používa na impregnáciu vinutí motora.

Zlúčeniny sa vyrábajú z termoplastov, ktoré po zvýšení teploty mäknú, a termoset, pevne si zachovávajú tvar vytvrdzovania.

Vláknité neimpregnované elektroizolačné materiály

Na výrobu takýchto materiálov sa používajú organické vlákna a umelo vytvorené komponenty. Prírodné rastlinné vlákna prírodného hodvábu, ľanu, dreva sa premieňajú na materiály organického pôvodu (vlákno, tkanina, lepenka). Vlhkosť takýchto izolantov sa pohybuje od 6-10%.

Organické syntetické materiály (kapron) obsahujú vlhkosť len od 3 do 5%, rovnaké nasýtenie vlhkosťou a anorganické vlákna (sklenené vlákno). Anorganické materiály sa vyznačujú tým, že sa pri výraznom zahriatí nedokážu vznietiť. Ak sú materiály impregnované emailmi alebo lakmi, potom sa horľavosť zvyšuje. Dodávky elektrického materiálu sa uskutočňujú pre podnik na výrobu elektrických strojov a zariadení.

Leteroid

Tenké vlákno sa vyrába v listoch a na prepravu sa zvinie do kotúča. Používa sa ako materiál na výrobu izolačných tesnení, tvarových dielektrík, podložiek. Azbestom impregnovaný papier a azbestová lepenka sú vyrobené z chryzolitového azbestu, ktorý ho štiepi na vlákna. Azbest je odolný voči zásaditému prostrediu, ale ničí sa v kyslom prostredí.

Na záver treba poznamenať, že s použitím moderných materiálov na izoláciu elektrospotrebičov sa výrazne zvýšila ich životnosť. Na telesá inštalácií sú použité materiály s vybranými vlastnosťami, čo umožňuje vyrábať nové funkčné zariadenia so zlepšeným výkonom.