Električni materijali, njihova svojstva i primjena

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 10:20

Efikasan i izdržljiv rad električnih mašina i instalacija direktno zavisi od stanja izolacije za koju se koriste električni materijali. Odlikuju se skupom određenih svojstava kada se stave u elektromagnetno polje, a ugrađuju se u uređaje uzimajući u obzir ove indikatore.

Klasifikacija električnih materijala nam omogućava da se podijelimo u posebne grupe električnih izolacijskih, poluprovodničkih, provodničkih i magnetnih materijala, koji su upotpunjeni osnovnim proizvodima: kondenzatori, žice, izolatori i gotovi poluvodički elementi.

Materijali rade i u odvojenim magnetskim ili električnim poljima sa određenim svojstvima, i istovremeno su izloženi više zračenja. Magnetski materijali se uslovno dijele na magnete i slabo magnetne tvari. U elektrotehnici se najviše koriste visoko magnetni materijali.

Science ofmaterijali

Materijal je supstanca koju karakteriše hemijski sastav, svojstva i struktura molekula i atoma različita od ostalih objekata. Materija je u jednom od četiri stanja: gasovito, čvrsto, plazma ili tečno. Električni i konstrukcijski materijali obavljaju različite funkcije u instalaciji.

Provodni materijali vrše prenos toka elektrona, dielektrične komponente obezbeđuju izolaciju. Upotreba 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 konstrukcijskim materijalima.

Nauka o elektrotehničkim materijalima je nauka koja se bavi određivanjem svojstava, proučavanjem ponašanja supstance kada je izložena struji, toploti, mrazu, magnetnom polju, itd. Nauka proučava specifične karakteristike neophodne za stvaranje električnih mašine, uređaji i instalacije.

Dirigenti

Ovo uključuje električne materijale čiji je glavni pokazatelj izražena provodljivost električne struje. To se događa zato što su elektroni stalno prisutni u masi materije, slabo vezani za jezgro i slobodni su nosioci naboja. Oni se kreću od orbite jednog molekula do drugog i stvaraju struju. Materijali glavnih provodnika su bakar, aluminijum.

Provodnici uključuju elemente koji imaju električnu otpornost ρ < 10^-5, dok je odličan provodnik materijal sa indikatorom 10^{-8Ohmm. Svi metali dobro provode struju, od 105 elemenata tabele samo 25 nisu metali, a iz ove heterogene grupe 12 materijala provode električnu struju i smatraju se poluprovodnicima.}

Fizika električnih materijala dozvoljava njihovu upotrebu kao provodnika u gasovitom i tečnom stanju. Kao tečni metal normalne temperature koristi se samo živa, za koju je ovo prirodno stanje. Preostali metali se koriste kao tekući provodnici samo kada se zagrijavaju. Za provodnike se također koriste provodljive tekućine, kao što je elektrolit. Važna svojstva provodnika, koja im omogućavaju da se razlikuju po stepenu električne provodljivosti, su karakteristike toplotne provodljivosti i sposobnost stvaranja toplote.

Dielektrični materijali

Za razliku od provodnika, masa dielektrika sadrži mali broj slobodnih izduženih elektrona. Glavno svojstvo supstance je njena sposobnost da dobije polaritet pod uticajem električnog polja. Ovaj fenomen se objašnjava činjenicom da se pod dejstvom elektriciteta vezani naboji kreću prema delujućim silama. Udaljenost pomaka je veća što je jačina električnog polja veća.

Izolacijski električni materijali što su bliži idealu, to manjeindikator specifične provodljivosti, a manje izražen stepen polarizacije, što omogućava suditi o disipaciji i oslobađanju toplotne energije. Provodljivost dielektrika zasniva se na djelovanju malog broja slobodnih dipola koji se pomiču u smjeru polja. Nakon polarizacije, dielektrik formira supstancu različitog polariteta, odnosno na površini se formiraju dva različita znaka naelektrisanja.

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

Aktivni materijali sa upravljivim svojstvima uključuju:

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

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

Dielektrično razdvajanje

Dielektrici se dijele na organske i neorganske materijale, ovisno o hemijskom sastavu. Neorganski dielektrici ne sadrže ugljik u svom sastavu, dok organski oblici imaju ugljik kao glavni element. anorganske supstance kao što je keramika,liskun, imaju visok stepen zagrijavanja.

Elektrotehnički materijali prema načinu dobijanja dijele se na prirodne i umjetne dielektrike. Široka upotreba sintetičkih materijala zasniva se na činjenici da proizvodnja omogućava 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 molekuli ili imaju ili nemaju električni naboj. Neutralna grupa uključuje fluoroplast, polietilen, liskun, kvarc, itd. Polarni dielektrici se sastoje od molekula s pozitivnim ili negativnim nabojem, primjer je polivinil hlorid, bakelit.

Svojstva dielektrika

Kao što se dielektrici dijele na plinovite, tekuće i čvrste. Najčešće korišteni čvrsti električni materijali. Njihova svojstva i primjena se procjenjuju pomoću indikatora i karakteristika:

• volumenski otpor;
• dielektrična konstanta;
• površinska otpornost;
• koeficijent toplotne propusnosti;
• dielektrični gubici izraženi kao tangens ugla;
• čvrstoća materijala pod dejstvom struje.

Zapreminska otpornost zavisi od sposobnosti materijala da se odupre protoku konstantne struje kroz njega. Recipročna vrijednost otpornosti naziva se volumenski specifičanprovodljivost.

Površinska otpornost je sposobnost materijala da se odupre jednosmernoj struji koja teče preko njegove površine. Površinska vodljivost je recipročna vrijednost prethodne vrijednosti.

Koeficijent toplotne permeabilnosti odražava stepen promene otpornosti nakon povećanja temperature supstance. Obično, kako temperatura raste, otpor se smanjuje, pa vrijednost koeficijenta postaje negativna.

Dielektrična konstanta određuje upotrebu električnih materijala u skladu sa sposobnošću materijala da stvori električnu kapacitivnost. Pokazatelj relativne permeabilnosti dielektrika uključen je u koncept apsolutne propusnosti. Promjenu kapacitivnosti izolacije pokazuje prethodni koeficijent toplinske propusnosti, koji istovremeno pokazuje povećanje ili smanjenje kapacitivnosti s promjenom temperature.

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

Električne materijale karakteriše indikator električne snage, koji određuje mogućnost uništenja supstance pod uticajem stresa. Kada se identifikuje mehanička čvrstoća, postoji niz testova za utvrđivanje indikatora krajnje čvrstoće pri kompresiji, napetosti, savijanju, torziji, udaru i cepanju.

Fizička i hemijska 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 utiču na izolaciona svojstva.

Karakteristika električnih materijala je dopunjena koeficijentom viskoziteta ili trenja, koji pokazuje stepen fluidnosti supstance. Viskoznost se dijeli na uslovnu i kinematičku.

Stepen apsorpcije vode se određuje u zavisnosti od mase vode koju je apsorbovao element testne veličine nakon dana boravka u vodi na datoj temperaturi. Ova karakteristika ukazuje na poroznost materijala, povećanjem vrijednosti degradiraju se izolacijska svojstva.

Magnetski materijali

Indikatori za procjenu magnetnih svojstava nazivaju se magnetne karakteristike:

• magnetska apsolutna permeabilnost;
• magnetna relativna permeabilnost;
• termalna magnetna permeabilnost;
• energija maksimalnog magnetnog polja.

Magnetski materijali se dijele na tvrde i meke. Meke elemente karakteriziraju mali gubici kada veličina magnetizacije tijela zaostaje za djelovanjem magnetskog polja. Oni su propusniji za magnetne talase, imaju malu koercitivnu silu i povećano induktivno zasićenje. Koriste se u konstrukciji transformatora, elektromagnetnih mašina i mehanizama, magnetnih ekrana i drugih uređaja kod kojih je potrebno magnetiziranje sa malom energijom.propusti. To uključuje željezo s čistim elektrolitom, željezo - armco, permalloy, limove od električnog čelika, legure nikla i željeza.

Čvrste materijale karakterišu značajni gubici kada stepen magnetizacije zaostaje za spoljnim magnetnim poljem. Nakon što su jednom primili magnetne impulse, takvi električni materijali i proizvodi se magnetiziraju i zadržavaju akumuliranu energiju dugo vremena. Imaju veliku koercitivnu silu i veliki kapacitet preostale indukcije. Elementi sa ovim karakteristikama koriste se za proizvodnju stacionarnih magneta. Elemente predstavljaju legure na bazi gvožđa, aluminijum, nikl, kob alt, komponente silicijuma.

Magnetodielektrici

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

Oblast upotrebe feromagneta

Najefikasnije se koriste za stvaranje jezgara transformatorskih namotaja. Upotreba materijala omogućava vam da uvelike povećate magnetsko polje transformatora, a da pritom ne mijenjate trenutna očitanja. Takvi umetci od ferita omogućavaju vam uštedu električne energije tokom rada uređaja. Električni materijali i oprema nakon isključivanja vanjskog magnetskog efekta zadržavaju semagnetni indikatori, i održava polje u susednom prostoru.

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

Poluprovodnički materijali

Ovo su elementi koji imaju vrijednost provodljivosti koja je u opsegu ovog indikatora za provodnike i dielektrike. Provodljivost ovih materijala direktno zavisi od ispoljavanja nečistoća u masi, spoljašnjih pravaca udara i unutrašnjih defekata.

Karakteristike električnih materijala grupe poluvodiča ukazuju na značajnu razliku između elemenata jedan od drugog u strukturnoj rešetki, sastavu, svojstvima. Ovisno o navedenim parametrima, materijali se dijele na 4 vrste:

1. Elementi koji sadrže atome istog tipa: silicijum, fosfor, bor, selen, indijum, germanijum, galijum, itd.
2. Materijali koji sadrže metalne okside - bakar, kadmijum oksid, cink oksid, itd.
3. Materijali kombinovani u grupu antimonida.
4. Organski materijali - naftalen, antracen, itd.

U zavisnosti od kristalne rešetke, poluprovodnici se dijele na polikristalne i monokristalne materijaleelementi. Karakteristike električnih materijala omogućavaju da se podijele na nemagnetne i slabo magnetne. Među magnetnim komponentama izdvajaju se poluvodiči, provodnici i neprovodni elementi. Jasnu distribuciju je teško napraviti, jer se mnogi materijali ponašaju različito u promjenjivim uvjetima. Na primjer, rad nekih poluvodiča na niskim temperaturama može se uporediti s radom izolatora. Isti dielektrici rade kao poluprovodnici kada se zagreju.

Kompozitni materijali

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

Filmski materijali

Filmovi i trake kao električni materijali osvojili su veliko područje primjene u elektrotehnici. Njihova svojstva razlikuju se od ostalih dielektrika po fleksibilnosti, dovoljnoj mehaničkoj čvrstoći i odličnim izolacijskim karakteristikama. Debljina proizvoda varira u zavisnosti od materijala:

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

Klasifikacija električnih materijala iz filma nam omogućava da razlikujemo dva tipa: orijentisane i neorijentisane filmove. Prvi materijal se najčešće koristi.

Lakovi i emajli za električnu izolaciju

Rešenja supstanci koje formiraju film tokom skrućivanja su savremeni električni materijali. U ovu grupu spadaju bitumen, ulja za sušenje, smole, eteri celuloze ili jedinjenja i kombinacije ovih komponenti. Transformacija viskozne komponente u izolator nastaje nakon isparavanja iz mase primijenjenog otapala i formiranja gustog filma. Prema načinu nanošenja, folije se dijele na ljepljive, impregnirajuće i premazne.

Impregnacijski lakovi se koriste za namotaje električnih instalacija u cilju povećanja koeficijenta toplotne provodljivosti i otpornosti na vlagu. Premazni lakovi stvaraju gornji zaštitni premaz od vlage, mraza, ulja za površinu namotaja, plastike, izolacije. Ljepljive komponente su sposobne za lijepljenje ploča liskuna za druge materijale.

Smjesi za električnu izolaciju

Ovi materijali su predstavljeni kao tečni rastvori u trenutku upotrebe, nakon čega sledi očvršćavanje i stvrdnjavanje. Supstance se odlikuju činjenicom da ne sadrže rastvarače. Jedinjenja također spadaju u grupu "elektrotehničkih materijala". Njihove vrste su punjenja i impregnacije. Prvi tip se koristi za popunjavanje šupljina u kablovskim navlakama, a druga grupa se koristi za impregniranje namotaja motora.

Sjedinjenja se proizvode od termoplasta, omekšaju nakon porasta temperature i termosetirajuće, čvrsto zadržavajući oblik očvršćavanja.

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 ovakvih izolatora kreće se od 6-10%.

Organski sintetički materijali (kapron) sadrže vlagu samo od 3 do 5%, istu zasićenost vlagom i neorganskim vlaknima (staklena vlakna). Neorganske materijale karakteriše njihova nesposobnost da se zapale kada se značajno zagreju. Ako su materijali impregnirani emajlima ili lakovima, tada se povećava zapaljivost. Snabdevanje električnim materijalom vrši se preduzeću za proizvodnju električnih mašina i uređaja.

Letheroid

Tanka vlakna se proizvode u limovima i umotaju u rolnu za transport. Koristi se kao materijal za izradu izolacijskih brtvi, oblikovanih dielektrika, podložaka. Papir impregnirani azbestom i azbestni karton su napravljeni od krizolitnog azbesta, cijepajući ga na vlakna. Azbest je otporan na alkalne sredine, ali se uništava u kiselim sredinama.

Zaključno, treba napomenuti da je korištenjem modernih materijala za izolaciju električnih uređaja njihov vijek trajanja značajno produžen. Za kućište instalacija koriste se materijali sa odabranim karakteristikama, što omogućava proizvodnju nove funkcionalne opreme sa poboljšanim performansama.