Električni materijali, njihova svojstva i primjena

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-17 10:29

Učinkovit i izdržljiv rad električnih strojeva i instalacija izravno ovisi o stanju izolacije za koju se koriste električni materijali. Karakteriziraju ih skupom određenih svojstava kada se nalaze u elektromagnetskom polju, a ugrađuju se u uređaje uzimajući u obzir ove pokazatelje.

Klasifikacija električnih materijala omogućuje nam podjelu u zasebne skupine električnih izolacijskih, poluvodičkih, provodničkih i magnetskih materijala, koje nadopunjuju osnovni proizvodi: kondenzatori, žice, izolatori i gotovi poluvodički elementi.

Materijali rade i u zasebnim magnetskim ili električnim poljima s određenim svojstvima, te su istovremeno izloženi nekoliko zračenja. Magnetski materijali se uvjetno dijele na magnete i slabo magnetske tvari. U elektrotehnici se najviše koriste visoko magnetski materijali.

Znanost omaterijali

Materijal je tvar koju karakterizira kemijski sastav, svojstva i struktura molekula i atoma različita od ostalih objekata. Materija je u jednom od četiri stanja: plinovito, čvrsto, plazma ili tekuće. Električni i konstrukcijski materijali obavljaju različite funkcije u instalaciji.

Vodljivi materijali provode prijenos toka elektrona, dielektrične komponente osiguravaju izolaciju. Korištenje otpornih elemenata pretvara električnu energiju u toplinsku energiju, konstrukcijski materijali zadržavaju oblik proizvoda, na primjer, kućište. Električni i konstrukcijski materijali nužno obavljaju ne jednu, već nekoliko povezanih funkcija, na primjer, dielektrik u radu električne instalacije doživljava opterećenja, što ga približava strukturnim materijalima.

Znanost o elektrotehničkim materijalima je znanost koja se bavi određivanjem svojstava, proučavanjem ponašanja tvari kada je izložena elektricitetu, toplini, mrazu, magnetskom polju itd. Znanost proučava specifične karakteristike potrebne za stvaranje električnih strojevi, uređaji i instalacije.

Dirigenti

To uključuje električne materijale, čiji je glavni pokazatelj izražena vodljivost električne struje. To se događa jer su elektroni stalno prisutni u masi materije, slabo vezani za jezgru i slobodni su nositelji naboja. Kreću se s orbite jedne molekule na drugu i stvaraju struju. Glavni materijali vodiča su bakar, aluminij.

Provodniki uključuju elemente koji imaju električnu otpornost ρ < 10^-5, dok je odličan vodič materijal s pokazateljem 10^{-8Ohmm. Svi metali dobro provode struju, od 105 elemenata tablice samo 25 nisu metali, a iz ove heterogene skupine 12 materijala provode električnu struju i smatraju se poluvodičima.}

Fizika električnih materijala dopušta njihovu upotrebu kao vodiča u plinovitom i tekućem stanju. Kao tekući metal normalne temperature koristi se samo živa za koju je ovo prirodno stanje. Preostali metali se koriste kao tekući vodiči samo kada se zagrijavaju. Za vodiče se također koriste vodljive tekućine, kao što je elektrolit. Važna svojstva vodiča, koja im omogućuju razlikovanje po stupnju električne vodljivosti, su karakteristike toplinske vodljivosti i sposobnost stvaranja topline.

Dielektrični materijali

Za razliku od vodiča, masa dielektrika sadrži mali broj slobodnih izduženih elektrona. Glavno svojstvo tvari je njezina sposobnost dobivanja polariteta pod utjecajem električnog polja. Taj se fenomen objašnjava činjenicom da se pod djelovanjem elektriciteta vezani naboji pomiču prema djelujućim silama. Udaljenost pomaka je veća, što je veća jakost električnog polja.

Izolacijski električni materijali što su bliži idealu, to manjepokazatelj specifične vodljivosti, a manje izražen stupanj polarizacije, što omogućuje prosuđivanje rasipanja i oslobađanja toplinske energije. Vodljivost dielektrika temelji se na djelovanju malog broja slobodnih dipola koji se pomiču u smjeru polja. Nakon polarizacije, dielektrik tvori tvar različitog polariteta, odnosno na površini nastaju dva različita znaka naboja.

Upotreba dielektrika je najopsežnija u elektrotehnici, jer se koriste aktivne i pasivne karakteristike elementa.

Aktivni materijali s upravljivim svojstvima uključuju:

• piroelektrika;
• elektrofosfori;
• piezoelektrika;
• feroelektrika;
• elektrete;
• materijali za laserske odašiljače.

Glavni električni materijali - dielektrici s pasivnim svojstvima, koriste se kao izolacijski materijali i kondenzatori uobičajenog tipa. Oni su u stanju odvojiti dva dijela električnog kruga jedan od drugog i spriječiti protok električnih naboja. Uz njihovu pomoć strujni dijelovi su izolirani tako da električna energija ne ide u zemlju ili u kućište.

Dielektrično odvajanje

Dielektrici se dijele na organske i anorganske materijale, ovisno o kemijskom sastavu. Anorganski dielektrici u svom sastavu ne sadrže ugljik, dok organski oblici imaju ugljik kao glavni element. anorganske tvari kao što je keramika,tinj, imaju visok stupanj zagrijavanja.

Elektrotehnički materijali prema načinu dobivanja dijele se na prirodne i umjetne dielektrike. Široka upotreba sintetičkih materijala temelji se na činjenici da proizvodnja omogućuje da materijalu date željena svojstva.

Prema strukturi molekula i molekularnoj rešetki, dielektrici se dijele na polarne i nepolarne. Potonji se također nazivaju neutralnim. Razlika je u tome što prije nego što električna struja počne djelovati na njih, atomi i molekule ili imaju ili nemaju električni naboj. Neutralna skupina uključuje fluoroplast, polietilen, liskun, kvarc, itd. Polarni dielektrici sastoje se od molekula s pozitivnim ili negativnim nabojem, primjer je polivinil klorid, bakelit.

Svojstva dielektrika

Kao što se dielektrici dijele na plinovite, tekuće i krute. Najčešće korišteni čvrsti električni materijali. Njihova svojstva i primjena ocjenjuju se pomoću pokazatelja i karakteristika:

• volumenski otpor;
• dielektrična konstanta;
• površinski otpor;
• koeficijent toplinske propusnosti;
• dielektrični gubici izraženi kao tangens kuta;
• čvrstoća materijala pod djelovanjem struje.

Volumni otpor ovisi o sposobnosti materijala da se odupre protoku konstantne struje kroz njega. Recipročna vrijednost otpora naziva se volumenski specifičanvodljivost.

Površinska otpornost je sposobnost materijala da se odupre istosmjernoj struji koja teče njegovom površinom. Površinska vodljivost je recipročna vrijednost prethodne vrijednosti.

Koeficijent toplinske propusnosti odražava stupanj promjene otpornosti nakon povećanja temperature tvari. Obično, kako temperatura raste, otpor se smanjuje, stoga vrijednost koeficijenta postaje negativna.

Dielektrična konstanta određuje upotrebu električnih materijala u skladu sa sposobnošću materijala da stvara električni kapacitet. Pokazatelj relativne propusnosti dielektrika uključen je u pojam apsolutne propusnosti. Promjena kapaciteta izolacije prikazana je prethodnim koeficijentom toplinske propusnosti, koji istovremeno pokazuje povećanje ili smanjenje kapacitivnosti s promjenom temperature.

Tangens dielektričnog gubitka odražava količinu gubitka snage u krugu u odnosu na dielektrični materijal koji je podvrgnut električnoj izmjeničnoj struji.

Električne materijale karakterizira indikator električne čvrstoće, koji određuje mogućnost uništenja tvari pod utjecajem naprezanja. Prilikom utvrđivanja mehaničke čvrstoće, postoji niz testova za utvrđivanje pokazatelja krajnje čvrstoće pri kompresiji, napetosti, savijanju, torziji, udaru i cijepanju.

Fizička i kemijska svojstva dielektrika

Dielektrici sadrže određeni brojoslobođene kiseline. Količina kaustičnog kalija u miligramima potrebna za uklanjanje nečistoća u 1 g tvari naziva se kiselinski broj. Kiseline uništavaju organske materijale, negativno utječu na izolacijska svojstva.

Karakteristika električnih materijala dopunjena je koeficijentom viskoznosti ili trenja, koji pokazuje stupanj fluidnosti tvari. Viskoznost se dijeli na uvjetnu i kinematičku.

Stupanj apsorpcije vode određuje se ovisno o masi vode koju je apsorbirao element ispitne veličine nakon dana boravka u vodi na danoj temperaturi. Ova karakteristika ukazuje na poroznost materijala, povećanjem vrijednosti degradiraju se izolacijska svojstva.

Magnetski materijali

Indikatori za procjenu magnetskih svojstava nazivaju se magnetske karakteristike:

• apsolutna magnetska propusnost;
• relativna propusnost magneta;
• termalna magnetska permeabilnost;
• energija maksimalnog magnetskog polja.

Magnetski materijali se dijele na tvrde i meke. Meke elemente karakteriziraju mali gubici kada veličina magnetizacije tijela zaostaje za djelujućim magnetskim poljem. Oni su propusniji za magnetske valove, imaju malu prisilnu silu i povećano induktivno zasićenje. Koriste se u konstrukciji transformatora, elektromagnetskih strojeva i mehanizama, magnetskih ekrana i drugih uređaja gdje je potrebno magnetiziranje s malom energijom.propuste. To uključuje željezo s čistim elektrolitom, željezo - armco, permalloy, limove od električnog čelika, legure nikla i željeza.

Čvrste materijale karakteriziraju značajni gubici kada stupanj magnetizacije zaostaje za vanjskim magnetskim poljem. Nakon što su jednom primili magnetske impulse, takvi se električni materijali i proizvodi magnetiziraju i dugo zadržavaju akumuliranu energiju. Imaju veliku prisilnu silu i veliki kapacitet preostale indukcije. Elementi s ovim karakteristikama koriste se za proizvodnju stacionarnih magneta. Elemente predstavljaju legure na bazi željeza, aluminij, nikal, kob alt, komponente silicija.

Magnetodielektrici

Ovo su mješoviti materijali, koji sadrže 75-80% magnetskog praha, ostatak mase je ispunjen organskim visokopolimernim dielektrikom. Feriti i magnetodielektrici imaju visoke vrijednosti volumnog otpora, male gubitke vrtložnih struja, što im omogućuje korištenje u visokofrekventnoj tehnologiji. Feriti imaju stabilne performanse u različitim frekvencijskim poljima.

Područje upotrebe feromagneta

Najučinkovitije se koriste za stvaranje jezgri transformatorskih zavojnica. Korištenje materijala omogućuje vam da uvelike povećate magnetsko polje transformatora, a da pritom ne mijenjate trenutna očitanja. Takvi umetci izrađeni od ferita omogućuju vam uštedu električne energije tijekom rada uređaja. Električni materijali i oprema nakon isključivanja vanjskog magnetskog učinka zadržavaju semagnetski indikatori, te održava polje u susjednom prostoru.

Elementarne struje ne prolaze nakon što se magnet isključi, stvarajući tako standardni trajni magnet koji učinkovito radi u slušalicama, telefonima, mjernim instrumentima, kompasu, snimačima zvuka. Trajni magneti koji ne provode struju vrlo su popularni u primjeni. Dobivaju se spajanjem željeznih oksida s raznim drugim oksidima. Magnetna željezna ruda je ferit.

Poluvodički materijali

To su elementi koji imaju vrijednost vodljivosti koja je u rasponu ovog pokazatelja za vodiče i dielektrike. Vodljivost ovih materijala izravno ovisi o manifestaciji nečistoća u masi, vanjskim smjerovima udara i unutarnjim defektima.

Karakteristike električnih materijala grupe poluvodiča ukazuju na značajnu razliku između elemenata međusobno u strukturnoj rešetki, sastavu, svojstvima. Ovisno o navedenim parametrima, materijali su podijeljeni u 4 vrste:

1. Elementi koji sadrže atome iste vrste: silicij, fosfor, bor, selen, indij, germanij, galij, itd.
2. Materijali koji sadrže metalne okside - bakar, kadmijev oksid, cink oksid, itd.
3. Materijali kombinirani u skupinu antimonida.
4. Organski materijali - naftalen, antracen, itd.

Ovisno o kristalnoj rešetki, poluvodiči se dijele na polikristalne materijale i monokristalneelementi. Karakteristika električnih materijala omogućuje njihovu podjelu na nemagnetne i slabo magnetske. Među magnetskim komponentama razlikuju se poluvodiči, vodiči i nevodljivi elementi. Jasnu raspodjelu je teško napraviti, jer se mnogi materijali ponašaju različito u promjenjivim uvjetima. Na primjer, rad nekih poluvodiča na niskim temperaturama može se usporediti s radom izolatora. Isti dielektrici rade kao poluvodiči kada se zagrijavaju.

Kompozitni materijali

Materijali koji se ne dijele po funkciji, već po sastavu, nazivaju se kompozitnim materijalima, to su također električni materijali. Njihova svojstva i primjena posljedica su kombinacije materijala korištenih u proizvodnji. Primjeri su komponente od staklenih vlakana, stakloplastike, mješavine električno vodljivih i vatrostalnih metala. Korištenje ekvivalentnih smjesa omogućuje vam da identificirate snage materijala i da ih primijenite za namjeravanu svrhu. Ponekad kombinacija kompozita rezultira potpuno novim elementom s različitim svojstvima.

filmski materijal

Filmovi i vrpce kao električni materijali osvojili su veliko područje primjene u elektrotehnici. Njihova svojstva razlikuju se od ostalih dielektrika po fleksibilnosti, dovoljnoj mehaničkoj čvrstoći i izvrsnim izolacijskim karakteristikama. Debljina proizvoda varira ovisno o materijalu:

• filmovi se izrađuju debljine 6-255 mikrona, trake se proizvode u 0,2-3,1 mm;
• proizvodi od polistirena u obliku traka i filmova proizvode se debljine 20-110 mikrona;
• polietilenske trake se izrađuju debljine 35-200 mikrona, širine od 250 do 1500 mm;
• fluoroplastične folije izrađuju se u debljini od 5 do 40 mikrona, širine 10-210 mm.

Klasifikacija električnih materijala iz filma omogućuje nam da razlikujemo dvije vrste: orijentirane i neorijentirane filmove. Prvi materijal se najčešće koristi.

Lakovi i emajli za električnu izolaciju

Otopine tvari koje tvore film tijekom skrućivanja su moderni električni materijali. Ova skupina uključuje bitumen, ulja za sušenje, smole, etere celuloze ili spojeve i kombinacije ovih komponenti. Transformacija viskozne komponente u izolator događa se nakon isparavanja iz mase nanesenog otapala i stvaranja gustog filma. Prema načinu nanošenja, folije se dijele na ljepljive, impregnacijske i premazne.

Impregnacijski lakovi koriste se za namote električnih instalacija radi povećanja koeficijenta toplinske vodljivosti i otpornosti na vlagu. Lakovi za oblaganje stvaraju gornji zaštitni premaz od vlage, mraza, ulja za površinu namota, plastike, izolacije. Ljepljive komponente su sposobne za lijepljenje ploča liskuna na druge materijale.

Smjesi za električnu izolaciju

Ovi materijali su predstavljeni kao tekuća otopina u trenutku upotrebe, nakon čega slijedi skrućivanje i stvrdnjavanje. Tvari se odlikuju činjenicom da ne sadrže otapala. Spojevi također pripadaju skupini "elektrotehničkih materijala". Njihove vrste su punjenja i impregniranja. Prva vrsta se koristi za popunjavanje šupljina u kabelskim navlakama, a druga skupina se koristi za impregniranje namota motora.

Smjese se proizvode od termoplasta, omekšaju nakon porasta temperature i termoreaktivne, čvrsto zadržavajući oblik otvrdnjavanja.

Vlaknasti neimpregnirani električni izolacijski materijali

Za proizvodnju takvih materijala koriste se organska vlakna i umjetno stvorene komponente. Prirodna biljna vlakna prirodne svile, lana, drveta pretvaraju se u materijale organskog porijekla (vlakna, tkanina, karton). Vlažnost takvih izolatora kreće se od 6-10%.

Organski sintetički materijali (kapron) sadrže vlagu samo od 3 do 5%, istu zasićenost vlagom i anorganskim vlaknima (staklena vlakna). Anorganske materijale karakterizira njihova nesposobnost zapaljenja pri značajnom zagrijavanju. Ako su materijali impregnirani emajlima ili lakovima, tada se povećava zapaljivost. Isporuka električnih materijala vrši se poduzeću za proizvodnju električnih strojeva i uređaja.

Letheroid

Tanka vlakna se proizvode u listovima i umotaju u rolu za transport. Koristi se kao materijal za izradu izolacijskih brtvi, oblikovanih dielektrika, podloški. Azbestom impregnirani papir i azbestni karton izrađeni su od krizolitnog azbesta, cijepajući ga na vlakna. Azbest je otporan na alkalna okruženja, ali se uništava u kiselim sredinama.

Zaključno, treba napomenuti da se korištenjem suvremenih materijala za izolaciju električnih uređaja njihov vijek trajanja značajno produžio. Za tijela instalacija koriste se materijali odabranih karakteristika, što omogućuje proizvodnju nove funkcionalne opreme s poboljšanim performansama.